超聲振動輔助混粉電火花表面強化粗糙度研究

宋夕超 張建華 董春杰 常偉杰 朱 濤 王 濤

（山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061）

電火花表面強化技術是利用火花放電在工件表面形成具有特殊性能強化層的一種表面強化技術［1］。電火花表面強化技術具有設備簡單、操作容易、成本低等優點，可用于模具、刃具及機械零部件表面的強化和磨損件的修補，經電火花強化后的表面在硬度、耐磨性、耐腐蝕等方面都有提高［2］。液體介質中電火花表面強化技術根據所用電極的不同分為固體工具電極電火花表面強化、粉末壓結體工具電極電火花表面強化、粉末燒結體工具電極電火花表面強化。這3種方法各有優勢，但也有共同缺陷，例如強化過程中電極損耗嚴重、強化精度低、電極制造困難及強化費用高等［3］。

為了克服工具電極強化技術存在的不足，可以采用混粉電火花表面強化的方法，不僅省去了制作電極等的繁瑣過程，而且可以靈活地采用各種粉末以得到對性能有不同側重要求的強化層。已有的相關研究［2］表明，通過混入粉末進行電火花強化的表面質量不理想，大能量下強化表面形成大量裂紋，強化效率不容易提高。為克服以上缺陷，相過研究發現［4－5］，輔助超聲振動能夠改善表面強化層的厚度分布，提高強化層的顯微硬度、耐磨性、耐腐蝕性和減小表面粗糙度值。這主要得益于超聲振動在熔體中的攪拌及空化作用，使得熔池中的液體分布均勻，從而得到有規則且連續的表面強化層。

鑒于超聲振動在電火花加工和強化過程中所起的積極作用，研究超聲輔助混粉電火花表面強化中各工藝參數對表面強化層粗糙度的影響，以期獲得超聲振動輔助混粉電火花表面強化過程的規律，對研究和生產有一定的指導作用。超聲輔助混粉電火花表面強化工藝具有可處理復雜零件、硬化層硬度適當、生產成本低等一系列優點。工件經此方法表面強化后，強化層與基體材料的結合屬于冶金結合，結合得非常牢固，不會發生剝落，工件不會退火和變形。

1 實驗方案

實驗設備為北京阿奇夏米爾公司生產的SF201精密電火花成型加工機，超聲波發生器由上海超聲波設備廠制造，其頻率和振幅通過功率和頻率旋鈕進行手動調節。實驗過程中，頻率固定為 16 kHz，振幅分 0、1、2、3四個檔位，對應的振幅大小依次為 0 μm、2 μm、4 μm、8 μm（圖 1）。

試驗所用工件為經淬火并中溫回火的65Mn鋼，尺寸為50 mm×12 mm×1.0 mm，所用粉末成份主要為碳化鈦，粒度為 14 μm。實驗用直徑為12 mm的紫銅圓棒電極。為了研究脈寬、脈間、峰值電流、混粉濃度和超聲振動振幅5個因素對強化層表面粗糙度的影響，設計了如表1所示的實驗方案。

表1 實驗方案表

2 實驗結果

試樣的表面粗糙度使用白光干涉儀進行測量，每個試樣測量4次，并取其平均值，所得實驗結果如表2所示。

使用場發射掃描電鏡（SEM）對強化表面進行形貌和EDS元素分析發現，強化表面的鈦元素和碳元素含量較高，有的試樣表面鈦元素或碳元素的含量甚至于超過了鐵元素的含量，9號試樣的表面形貌和表面成分分析如圖2所示。圖2b所示為圖2a中框選的區域1表面的元素成分分析，可以看出鈦元素和碳元素含量很高，分別占總質量分數的27.87%和26.79%。通過分析可知，試樣表面形成的強化層質量較好。

表2 實驗所得的表面粗糙度Ra μm

實驗結果也表明，通過合理選擇工藝參數，可以得到較好表面粗糙度的試樣。圖3所示為9號試樣表面粗糙度的3D模型，可以看出表面質量較好，只有少量的微觀突起，表面粗糙度值達到Ra0.62 μm。

3 實驗結果分析

3．1 放電能量對表面粗糙度的影響

對于電火花加工和電火花放電表面強化，脈寬和峰值電流都是影響表面粗糙度的重要因素。從圖4和圖5的實驗結果可以看出，強化表面粗糙度隨著脈沖能量的增加而增加。在電火花加工過程中，單個脈沖能量是影響加工速度的重要因素。在電火花放電表面強化過程中，單個脈沖能量同樣是影響強化速度的重要因素。由脈沖放電能量計算公式可知，單脈沖放電電火花能量的大小與峰值電流和脈沖寬度成正比［6］。隨著峰值電流和脈寬的增大，單個放電脈沖能量越大，放電過程中熔融粉末越多，放電通道形成時，在等離子體高速運動以及電泳作用等的帶動下，單次熔滲沖擊到工件表面的粉末材料越多。

電火花放電表面強化過程的實質類似于電火花加工過程，只是工件材料去除率相對減少，取而代之的是熔滲材料增加，最終形成具有較好力學性能的強化層。隨著單脈沖放電能量的增加，熔融到工件表面的粉末材料增多，導致強化層表面粗糙度變差。如果單脈沖放電能量過大，工件熔融部分增大，熔融產物從電蝕坑排除時在邊緣急劇冷卻形成大的熔滴，如圖6所示，造成表面粗糙度進一步惡化。因此，為了有利于表面強化層的形成，提高強化效率以及得到較好的表面粗糙度，需要選擇適當的放電能量，在兼顧強化效率的情況下，應選擇適當小的峰值電流和脈沖寬度。

3．2 脈間對表面粗糙度的影響

從實驗所用的放電參數，例如脈寬和峰值電流可以看出，放電能量相對較高，那么在單次放電結束后，加工區域工作液的消電離就顯得很重要。如果加工區域的工作液來不及消電離、排除電蝕產物和氣泡以恢復其介電性能，則很容易產生破壞性的穩定電弧放電，導致強化效率降低，表面粗糙度變差［6］。從圖7中可以看出，脈沖間隔在200 μs時的表面粗糙度最好。一般情況下，在滿足消電離所需的時間后，脈間對于表面粗糙度的影響不是很明顯。在本實驗條件下，200 μs左右的脈沖間隔對工作液的消電離及準備下一次放電是最有利的。

3．3 粉末濃度對表面粗糙度的影響

在電火花加工過程中，工作介質中粉末的存在會降低其絕緣強度，增大電極和工件之間的放電間隙［7］。粉末濃度增加可使放電過程中兩極間隙增大，降低放電后殘屑的粘附，使得殘渣橋連短路造成的放電過程中電極的回退減少。同時，粉末的存在也使得加工過程中放電頻率增加。在混粉電火花加工時，放電通道比普通電火花加工得到一定程度的擴展，同時放電間隙增大，放電蝕坑變小，使混粉電火花加工獲得的表面粗糙度質量得到提高。但過高的粉末濃度會使工作液的流動性變差，粉末分布不均勻，引發短路或不均勻放電，導致表面粗糙度質量降低。

從圖8的實驗結果可以看出，當粉末濃度為40 g/L時，表面粗糙度為最佳。可以認為40 g/L為對應于這一脈寬和峰值電流時的粉末最佳濃度。

粉末濃度分別為20 g/L、40 g/L和60 g/L時的強化表面形貌如圖9所示。可以看出，粉末濃度低時強化表面粗糙度差，裂紋和氣孔多，如圖9a所示。如果超過了粉末最佳濃度，工作液的流動性變差，工作液中粉末分布不均勻，引發短路或者不均勻放電，造成強化表面粗糙度值增大如圖9c所示。

3．4 超聲振動振幅對強化表面粗糙度的影響

超聲振動輔助混粉電火花表面強化過程中，粉末轉移到加工區域，在超聲振動的空穴和泵吸等作用下，極間粉末混合均勻，同時在電火花放電的熔融區域產生微小的攪動，使強化層中的粉末分布得更深、更均勻［6］。超聲振動還能減少加工殘屑的粘連，使得電火花放電過程中的放電位置更加隨機，穩定兩極之間的放電狀態，改善強化表面質量。超聲振動對于電火花表面強化過程有積極的意義。超聲振動振幅對于電火花表面強化粗糙度的影響結果如圖10所示。可以看出，表面粗糙度隨著振幅的增大而逐漸變差，未附加超聲振動的強化表面粗糙度值比附加超聲振動的小;但未附加超聲振動的表面強化層極不均勻，同一強化表面不同區域的粗糙度值相差很大，如圖11a所示，其最好粗糙度值為Ra0.94 μm，最差粗糙度值為Ra2.36 μm。附加超聲振動后，表面強化層的粗糙度分布均勻，如圖11b所示，這主要是因為超聲振動使得極間粉末混合均勻，高頻振動減少了極間殘屑粘連，放電位置隨機分布，同時超聲振動的空穴效應對熔融區進行攪動，使強化層分布更均勻。

附加超聲振動時，強化層的表面粗糙度值隨著超聲振動振幅的增大而增大。其原因主要是當超聲振幅增大時，其對于電火花放電表面強化過程不僅起積極的作用，更多的是超聲振動的泵吸、沖擊、空蝕等效應提高了熔融工件材料從蝕坑中的排出，對工件材料產生有效的去除，使得工件的去除率明顯提高。由于放電能量較大，使得排除的熔滴較大，激冷后形成如圖6所示的表面，嚴重影響強化層的表面粗糙度。

4 結語

（1）強化層的表面粗糙度值隨著脈沖能量的增大而增大，在兼顧強化效率的情況下，應該選擇適當小的脈寬和峰值電流。

（2）在本文的實驗條件下，脈間為200 μs時強化表面的粗糙度值最小。

（3）粉末濃度對強化層表面粗糙度影響較大，在本文的實驗條件下，最佳的粉末濃度為40 g/L。

（4）超聲振動使得強化層表面均勻致密，但隨著超聲振動振幅的增大，強化表面粗糙度變差。如果不附加超聲振動，強化表面的粗糙度分布不均勻。

［1］趙萬生．先進電火花加工技術［M］．北京:國防工業出版社，2003．

［2］晁擁軍．工模具材料強化處理應用技術［M］．北京:機械工業出版社，2008．

［3］方宇．液中放電沉積關鍵技術研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006．

［4］KREMER D，LEBRUN J L，HOSARIA B，et al．Effects of ultrasonic vibrations on the performances in EDM［J］．CIRP Annals Manufacturing Technology，1989，38（1）:199 －202．

［5］董春杰，張建華，許家源．超聲振動輔助電火花脈沖放電表面強化層性能研究［J］．電加工與模具，2010（6）:24－27．

［6］曹鳳國．電火花加工技術［M］．北京:化學工業出版社，2005．

［7］WONG Y S，LIM L C，RAHUMAN I，et al．Near－ mirror－ finish phenomenon in EDM using powder－ mixed dielectric［J］．Journal of Materials Processing Technology，1998，79（1）:30 －40．

［8］LIN Yancherng，YAN Biinghwa，HUANG Fuangyuan．Surface modification of Al－Zn－Mg aluminum alloy using the combined process of EDM with USM［J］．Journal of Materials Processing Technology，2001，115（3）:359－366．