燒結釹鐵硼永磁材料電火花線切割高效低損切割研究

摘要：文章針對燒結釹鐵硼永磁材料進行電火花線切割加工時的特性進行了實驗研究。文章首先針對燒結釹鐵硼永磁材料的高效低損切割機理進行了闡述，從燒結釹鐵硼永磁材料的去除方式和工作介質因素兩個因素進行了分析;其次針對燒結釹鐵硼永磁材料電火花線切割高效低損切割加工進行了實驗，利用SEM觀察燒結釹鐵硼永磁材料進行切割后的切割表面和電極絲表層。從二者的顯微形貌分析，進行燒結釹鐵硼永磁材料電火花線切割高效低損切割研究。最終結果表明，在進行切割時，選擇貼附式高壓噴液方式，可以有效增加燒結釹鐵硼永磁材料切割時極間的工作液進入量和流速，進而獲得電蝕產物排出效率的提升。

關鍵詞：燒結釹鐵硼;電火花線切割;蝕除機理;高效低損

中圖分類號：TM273;TG484

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0161-03

0 引言

釹鐵硼永磁材料是以金屬間化合物ND2FE14B為基礎的永磁材料。主要成分為稀土（ND）、鐵（FE）、硼（B）[1]。燒結釹鐵硼屬于第三代稀土永磁材料，因其具有優異的磁性能，廣泛應用于社會生活生產中的領域，較常見的有永磁電機、揚聲器.磁選機、計算機磁盤驅動器、磁共振成像設備儀表等。由于燒結釹鐵硼永磁材料的硬度和脆性較高，因而在對其進行切割加工時往往具有一定的難度，容易在加工過程中出現加工效率低、加工表面粗糙等問題。

1 概述

1.1 釹鐵硼永磁材料去除方式

釹鐵硼永磁材料通常由銣鐵硼材料作為主相，融合多種其他材料或氧化物構成。不同類型燒結銣鐵硼材料的熱物理性能存在很大差異，這給對其進行去除帶來了較大的難度[3]。如圖1所示為該類型材料的電火花蝕除機理模型。

如圖1所示，在對銣鐵硼材料進行放電時，銣鐵硼材料中的金屬蒸氣會在等離子作用下迅速完成氣化，并按照壓力從大到小的方向沿著放電通道噴爆拋出。在噴爆拋出過程中，會產生較大的反向作用力，在反向作用力的影響下蝕除坑中部分被燒熔材料會呈現出噴濺狀溢出，凝固以后的熔滴在蝕刻坑附近呈輻射狀。單脈沖持續放電結束后，材料迅速恢復常溫常壓狀態，此時由于不再具備放電條件，導致氣化狀態的銣鐵硼材料中的金屬迅速出現凝固并隨著介質排出。因此，通常我們認銣鐵硼材料進行線切割放電蝕除的主要方法是對該類型材料進行熔融以及氣化拋出處理[4]。隨著放電動作的結束，蝕除坑內外壓重新呈現出平衡狀態，未能跟隨放電通道噴爆拋出的熔融金屬會在內外壓重新平衡以及冷卻液的雙重作用T迅速冷卻并形成15 μm左右厚度的重鑄層。由于代加工銣鐵硼材料本身的熔化再凝固過程中的收縮作用，會使最終的再凝固層產生放射狀微裂紋。通過最新研究成果顯示，由于蝕刻過程中產生的流場具有明顯的高溫高壓特征，因而會在蝕除坑放電結束后產生載荷卸載效應。通過對蝕除作業過程中圖1所示模型分析，放電凹坑周圍13°-19°的范圍內將會產生基于應力場分布的拉應力。在單個蝕除作業過程中，假如該拉應力的大小超過銣鐵硼材料的抗拉強度，則此處因噴爆拋出形成的裂紋會在此處成核，并擴展成巴氏裂紋（plamqvist crack）。

富銣相在燒結銣鐵硼材料中的分布大多呈現為顆粒狀或薄片狀[5]。在對銣鐵硼材料進行放電過程中，被處理部分主相晶粒在溫度達到1185℃狀態后由于處于材料的表層未能形成整體熔化。而在溫度為650℃時，處于材料晶間的富Nd相已經被完全去除。這兩者之間熔點差異導致了材料在晶方向逐漸產生了微裂紋并呈現擴展趨勢。在持續的脈沖放電過程中，各微裂紋由于受到緊鄰裂紋的作用而逐漸產生連接，最終在形成封閉裂紋后主相晶粒迅速脫落材料。

1.2 工作介質因素

在燒結銣鐵硼材料強烈的磁性作用下，蝕除產物極其容易收到磁性作用而被吸附在放電通道內，隨著蝕除動作的持續，排屑口逐漸被蝕除產物堆積堵塞，進而明顯影響排屑。在蝕除行為穩定開展階段，脈沖放電電流趨于穩定，此時由于排屑口所堆積的蝕除為例較多，造成極間放電間隙的明顯減小，最終引起極間間隙流場的表面效應，改變了蝕除產物最終的排屑方式[8]。因此，由于工作過程中工作液與電極之間長期處于接觸狀態，容易導致工作液對電極絲產生拖拽作用，蝕除產物在工作液流動的影響下會逐漸被排出電極附近。示意圖如圖2所示。

由圖2可知，電極絲走私速度、加工間隙以及極間個點的流速分別用VO、H、u（VO，v）表示。在進行電火花放電時，電極絲陽極處的銣鐵硼材料發生燒熔，尤其在脈沖放電處附近的溶液中含有較大比例;陰極處生成氣體，尤其在電極絲表面的溶液中含有較大比例。在該現象的作用下，極間流場的流速呈梯度變化。

電火花放電時，陰極表面由于高溫的作用下形成的氣泡橋會在一定程度上使工作液喪失對陰極電極絲的防護，造成電極絲氧化。此外，由于受到陽極蝕除粒子聚集現象的影響，電極絲壁面在氧化和排屑阻塞的雙重作用下，喪失了足夠的工作液拖拽作用，最終導致無法進行高效率的排屑，加劇了電極絲在單位工作情況下的損耗，降低了電火花切割的效率。

進行材料切割的過程中，Cv值的提升，會導致Cf呈現出先減小后增大的態勢，在Cv=0.175時，Cf出現最小值。表示此時單位時間的蝕除粒子數量達到最低值，能夠有效避免電火花切割系統出現二次放電現象，同時又能夠有效提升排屑效率降低絲損。

此外，在陰極沉積作用的影響下，電極絲表面形成了一層非鉬元素含量較高的鍍覆層（厚度為1μm）。該鍍覆層呈現出平整、牢固狀態，能夠有效補償電極絲的損耗，延長電極絲的工作時間。

2 實驗

實驗采用塞維斯SWICE匠心打造的一款高端六軸伺服閉環伺服中走絲線切割機（型號UM）;工作液為1：10-15配置的DX-4水基工作液;實驗材料為50mmx20mmx lOmm燒結釹鐵硼永磁永磁材料;運用UM六軸伺服閉環伺服中走絲線切割機，分別按照常壓澆注和高壓噴液兩種不同形式的的對比實驗，得到圖4所示的高壓噴液對切割效率和絲損的影響以及圖5所示的兩種工作液加注方式下脈寬對切割效率和絲損的影響。

2.1 高壓噴液對切割效率和絲損的影響

由圖4可知，采用貼附式高壓噴液方式對燒結銣鐵硼材料進行切割時，切割效率隨噴液壓力的增大呈現出先增大后降低的趨勢，并在噴液壓力=0.2MPa時達到切割效率峰值，此時系統進行工作的切割效率為149.01mm2/min、切割量為104mm2;電極絲損耗隨著噴液壓力的增大呈現出先降低后增大的趨勢，并在噴液壓力=0.2MPa時達到谷值。保持其他實驗條件不變的情況下，采用雙邊貼附式噴液，能夠有效降低噴液間隙，在很大程度上規避了工作液濺射現象，增加了極間工作液的工作效率，改善了極間工作條件。實驗顯示，當高壓噴射液的工作壓力大于0.2MPa時，上下高壓噴液裝置之間會產生相互干擾，導致極間放電受電極絲振動加劇的影響而變得極不穩定，最終影響切割和絲損壽命。

2.2兩種工作液加注方式下脈寬對切割效率和絲損的影響

2.2.1 兩種工作液加注方式下脈寬對絲損的影響

實驗表明，隨著脈寬的增大，到脈寬值為8μs時，常壓澆注和高壓噴液兩實驗組絲損均處于下降趨勢，這是由于燒結銣鐵硼在剛開始進行電火花線切割時材料整體脫落去除效果明顯;到脈寬值大于8μs，小于24μs時，常壓澆注和高壓噴液兩實驗組絲損均處于上升趨勢，且常壓澆注組絲損上升幅度略大于高壓噴液組，這是由于隨著排屑的進行，極間排屑條件逐漸變差，極間熱量無法通過工作液及時排出，絲損加劇，但由于高壓噴液組單位時間工作液的排出量更大，因而能夠在一定程度上降低電蝕粒子溶積濃度Cv和摩擦阻力系數Cf對切割的影響;脈寬值大于24μs以后，絲損變小，這是由于蝕除粒子數量的持續增加以及空心殼體等電蝕粒子體積逐漸增大，電極表面呈現出談化、結塊狀態，電極絲變細、脆化，已經無法通過數據反映真實的損耗情況。

3 結語

燒結釹鐵硼永磁材料具有優異的磁性能，如今已被廣泛應用于社會生產和生活的各個領域。為解決燒結釹鐵硼永磁材料在線切割過程中的問題，國內外學者均進行了各種角度的實驗和分析，然而針對燒結釹鐵硼永磁材料進行電火花線切割過程中的具體加工機理并未做出深入研究。因此，文章進行了燒結釹鐵硼永磁材料電火花線切割加工機理的具體實驗研究，為實現燒結釹鐵硼永磁材料的高效低損切割提供了數據支持。

參考文獻

[1]王曉麗，丁開鴻，崔勝利.影響釹鐵硼永磁永磁合金磁性的微觀結構分析[J]稀土，2016，37（1）：1-7.

[2]周巧英，陳仁杰，郭帥.釹鐵硼磁體表面高耐蝕性鋅鋁涂層的制備及性能研究[J].電鍍與涂飾，2020（3）：165-170.

[3]柯良，惠相君，陳水.聚晶金剛石復合片數控激光切割機床的研究[J].制造技術與機床，2014（2）：65-68.

[4]藍琴，燒結釹鐵硼SC片熱處理后微觀組織變化及評價[J].福建冶金，2020（1）：23-25.

[5]任寧，劉國東，黎相孟，等，激光切割釹鐵硼磁性材料溫度場的仿真分析[J].制造技術與機床，2020（1）：25-29.

[6]宋小明，張廷安，豆志河，等.加劑方式對燒結釹鐵硼磁體磁性能的影響[J].稀有金屬，2019（9）：6.

[7]滕凱.跟蹤噴液式高速走絲電火花線切割研究[J].制造技術與機床，2015 （12）：107-110.

[8]仝志宏，劉國東，祝錫晶，等.光纖激光微加工釹鐵硼工藝特性研究[J].機械科學與技術，2019（11）：1760-1765.

作者簡介：張宏達（1981-），男，陜西鳳翔人，大學本科，工程碩士，研究方向：機電信息。