W6Mo5Cr4V2電火花加工工藝參數優選研究

裴順杰,張云鵬,侯忠濱

(西北工業大學機電學院,陜西 西安 710072)

高速鋼W6Mo5Cr4V2具有很高的硬度、耐磨性及熱硬性,主要用于制造切削速度高、負荷重、工作溫度高的各種切削刀具,以及要求耐磨性高的冷熱變形模具、高溫彈簧、高溫軸承等[1]。由于該種材料本身的特點,在采用常規方法進行加工時,存在刀具磨損快、生產效率低、加工質量難以保證等問題。而電火花加工(EDM)在提高難加工材料和特殊復雜結構件的加工效率和加工精度方面具有十分明顯的優勢[2]。本文采用電火花成形加工W6Mo5Cr4V2的方法進行實驗研究,目的在于分析高速鋼W6Mo5Cr4V2電加工工藝規律的特征,考察研究電加工參數對加工速度、加工質量、電極損耗等評價指標的影響規律,找出合理的工藝參數,指導企業生產加工,并為進一步研究提供實驗基礎和理論依據。

1 粗加工參數優選研究

1.1 正交試驗設計

在電火花加工過程中,影響工藝指標的因素較多,要選擇合適的電加工工藝參數較困難[3]。如果采用全面試驗的方法,由于影響因素多,調節范圍廣,需做大量的實驗。本文采用正交試驗設計方法,通過將因素數和水平數合理搭配,實驗次數少,結論的可靠性好[4]。以脈沖峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔為3個因素,每個因素取3個水平,用正交表L9(33)來安排實驗。以加工速度(單位時間內工件的蝕除量,mm3/min)和表面粗糙度 Ra(μ m)為實驗指標。正交試驗的因素和水平見表1。

本實驗采用的設備為電火花精密成形機床,采用的電極為圓柱形紫銅電極,直徑10mm,加工深度L=5mm,負極性加工,工作液為煤油,加工電壓U=90 V。

表1 正交試驗因素水平

1.2 實驗結果及分析

按照正交表L9(33)對材料W6Mo5Cr4V2進行9次實驗,記錄加工速度和表面粗糙度兩項指標的實驗數據,得到的實驗結果見表2。

表2 正交試驗數據表

運用極差分析法對實驗結果進行分析。極差分析方法可將因素水平的變化所引起的實驗結果間的差異反映出來。極差大的因素,意味著其不同水平給指標所造成的影響較大,通常是主要因素,極差越大,該因素的影響越顯著。極差小的因素,一般是次要因素,極差越小,該因素對實驗指標的影響越不顯著。通過對實驗結果進行極差分析,就能對各因素的重要程度進行排序,進而選擇出最優的參數組合。實驗結果的極差分析見表3。

表3 極差分析表

從極差分析表中可看出,對加工速度影響最大的因素依次是峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔;對表面粗糙度影響最大的因素依次是峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔。能獲得最大加工速度的參數組合是 :A2B1C3,即脈沖寬度 120μs,脈沖間隔 45μs,峰值電流18 A。能獲得最佳表面粗糙度的參數組合是 A1B1C1,即 :脈沖寬度 100μs,脈沖間隔 45μs,峰值電流10.5 A。

1.3 電參數對實驗指標的影響規律分析

從表3中可看出,脈沖間隔的極差最小,即脈沖間隔對實驗指標的影響最小,為次要因素。因此,這里主要討論峰值電流和脈沖寬度對實驗指標的影響規律。運用origin Lab軟件和正交試驗得到的實驗數據,以峰值電流作為橫坐標,分別以加工速度和表面粗糙度作為縱坐標,繪制因素和指標的關系趨勢圖(圖1和圖2),進而分析峰值電流和脈沖寬度對實驗指標的影響規律。

由圖1可看出:

(1)隨著峰值電流的增大,加工速度也逐漸提高。因為電流越大,單個脈沖的能量就越大,一次脈沖放電去除的材料就越多,加工速度就越大。

(2)加工速度隨著脈沖寬度的增大而增大。因為脈沖寬度增大,單個脈沖的能量就增大,導致材料的去除率增加;但當脈沖寬度達到一定值時,加工速度反而降低,原因是一旦脈寬超過一定值時,單個脈沖能量雖然增大,但轉換的熱能有較大部分散失在電極與工件之間,不起蝕除作用。同時,隨著脈沖能量增大,蝕除產物增多,使排氣、排屑條件惡化,加工穩定性變差,脈沖能量未能充分利用,因此加工速度反而降低。

由圖2可看出:

(1)表面粗糙度值隨峰值電流的增大而增大。因為其他參數不變時,峰值電流增大,則單個脈沖放電能量增大,電蝕坑體積增大。表面粗糙度值增大。

(2)穩定加工條件下,表面粗糙度值隨脈沖寬度的增大而增大。因為脈沖寬度增大,單個脈沖放電時間變長,單個脈沖放電能量提高,電蝕坑增大。但對于同一脈沖周期,脈沖寬度增加意味著脈沖間隔減小,使加工間隙中消電離不充分,加工過程穩定性降低。

(3)當脈沖寬度一定時,脈沖間隔越小,則單個脈沖放電周期越短,脈沖放電頻率增加,脈沖細化,使得單個脈沖放電能量降低,進而使表面粗糙度值降低。

由以上分析可得出結論:電火花加工的加工速度和表面質量主要取決于電參數,即峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔。使用大電流、小脈間及大脈寬加工,生產率高,電極損耗小,但加工表面粗糙;用小脈寬及小電流加工,表面質量好但加工效率低,電極損耗大,必然使加工精度受到影響。因此,為得到較高的生產率,并使電極損耗小,加工精度高,表面質量好,可采用粗、精二次加工的方法。

2 精加工參數優選研究

為了優選出精加工時的電參數,在正交試驗的基礎上,采用4組較小的電參數進行電加工實驗,以試件的表面粗糙度值和電極損耗率為考察指標。實驗設備為電火花精密成形機床,實驗電極的材料為紫銅,直徑=6mm,加工深度 L=3mm,采用負極性加工,工作液為煤油,加工電壓U=90 V。實驗數據見表4。

從實驗數據可看出:表面粗糙度隨著峰值電流和脈沖寬度的增大而增大,這與前文分析的結論相一致。但電極損耗率隨電參數變化的規律不明顯,主要是因為脈沖寬度和峰值電流對電極損耗的影響效果是綜合性的,而且電極損耗還受極性效應、吸附效應、傳熱效應等因素的影響,這些因素也是相互影響、綜合作用的。實驗中采用的4組電參數,電極相對損耗均小于1%,屬于低損耗加工。

表4 精加工參數實驗數據表

3 電火花加工試件的微觀分析

為了觀察電火花加工后試件的表面形態,分析電參數對試件表面形態的影響,將采用表4中精加工參數經電加工后的試件進行觀察,獲得試件的表面圖片(圖3)。

由圖3可看出,電火花加工表面與機械加工表面不同,它是由無方向性的無數小坑和硬凸邊組成,特別有利于保存潤滑油,在相同的表面粗糙度和有潤滑油的情況下,電加工表面的潤滑性能和耐磨性能均比機械加工的表面好。采用的電參數越大,試件表面的凹坑就越大、越深,試件表面就越粗糙。因為凹坑的大小取決于單個脈沖能量的大小,電參數越大,單個脈沖的能量就越大,一次脈沖放電蝕除的材料就越多,形成的凹坑就越大,試件的表面就越粗糙。測量試件的表面粗糙度,得表面粗糙度值為Ra2.6～5.5。然后對試件進行鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕,腐蝕劑為體積分數4%的硝酸酒精溶液,用光學顯微鏡觀察試件剖面,得到不同電參數下的金相圖片(圖4)。

金屬在電火花加工后,表面層化學成分和組織結構發生很大變化,變化了的這一部分稱為表面變質層。表面變質層又分為重熔層和熱影響層。圖片中的白亮層即為重熔層,它位于電火花加工后工件表面的最上層,是部分熔融金屬快速冷卻后殘留在工件表面形成的;熱影響層位于重熔層和基體之間,它和基體材料之間并沒有明顯的界限。由圖片可看出,單個脈沖能量越大,即脈沖寬度愈寬、峰值電流愈大,表面變質層的厚度就越大。單個脈沖能量一定時,脈沖寬度愈窄,重熔層愈薄,因為大部分金屬不是熔化而是在氣化狀態下被拋出蝕除,不再殘留在工件表面。重熔層對產品的疲勞強度有影響,要嚴格限制重熔層厚度,一般規定不大于20～30μm。試驗中采用的4組電參數,重熔層厚度值約為8.8～ 10.5μm 。

4 結論

(1)在實驗誤差允許范圍內,電火花成形加工W6Mo5Cr4V2的加工速度和表面粗糙度與峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔密切相關。電參數對加工速度影響程度的大小為:峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隔;電參數對表面粗糙度影響程度的大小為:峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隔;綜合影響評價為:峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隔。

(2)對于電火花成形加工W6Mo5Cr4V2,粗加工比較合理的電參數是:脈沖寬度 100～130μs,脈沖間隔45μs,峰值電流15～25 A?？赏_到的工藝指標是:加工速度大于15.44mm3/min,表面粗糙度 6.5μm ＜Ra ＜10.0μm 。

(3)精加工比較合理的電參數是:脈沖寬度20～ 50μs,脈沖間隔 15μs,峰值電流 1～ 3 A。可望達到的工藝指標是:加工速度0.36～1.54mm3/min,表面粗糙度 Ra＜2.6μm,電極損耗率小于0.25%。

(4)由于粗加工時表面重熔層厚度一般不超過0.05mm,故粗加工時留精加工余量0.1mm為宜。粗加工中出現的重熔層和重熔層中的微裂紋,將在精加工時被加工掉,精加工后表面的重熔層厚度很小,一般小于0.02mm,表面質量最終取決于精加工。

[1] 鄧玉昆,陳景榕,王世章,高速工具鋼[M].北京:冶金工業出版社,2002.

[2] 趙萬生,趙家齊,劉晉春,等.特種加工[M].北京:機械工業出版社,2004.

[3] 盧存偉.電火花加工工藝學[M].北京:國防工業出版社,2000.

[4] 鄭少華,姜奉華.試驗設計與數據處理[M].北京:中國建材工業出版社,2004.

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