（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助混粉电火花表面强化研究.pdf

摘要 摘要 超声振动辅助混粉电火花表面强化技术是在普通电火花机床上，工具电极辅 助超声振动，工作液中混入作为强化相的粉末，通过电火花放电的热效应将工具 电极和工件表面的放电点熔化气化，放电通道及其周围的粉末发生爆炸或熔化， 在放电与超声等的共同作用下在工件表面发生合金化反应，形成强化层。强化层 的显微硬度、耐磨性与耐腐蚀性等性能都有很大提高。 本文系统阐述了混粉电火花表面强化机理，重点研究工作液中混入粉末条件 下的介质击穿原理和放电通道位形特点。 混粉电火花表面强化单脉冲放电过程分为外界电压的施加，介质击穿、放电 通道形成，能量转换、分配和传递，强化层形成和极间间隙介质的消电离等阶段。 提出了超声振动辅助混粉电火花表面强化技术，系统阐述了超声振动对混粉 电火花表面强化过程的影响，着重分析了超声振动对极间电场和放电间隙状态的 影响。研究表明，超声振动能有效改善极间放电间隙状态，提高放电脉冲利用率； 超声振动使更多的极间熔融物迁移到工件表面发生合金反应，提高强化层性能。 对工具电极辅助超声振动的影响进行实验研究结果表明，随着振幅的增大，工具 电极损耗加剧，强化层表面1 f i 含量在附加超声振动条件下比不附加超声振动时有 明显的提高，但如果超声振幅过大，强化表面的1 f i 含量降低，这主要是因为大的 超声振幅使空化作用加剧，去除材料的作用增强，致使强化表面的钛含量降低。 工具电极辅助超声振动后获得的强化层截面分布均匀、气孔少、致密度高。 进行了超声振动辅助混粉电火花表面强化五因素四水平正交实验，实验结果 表明：强化层的成分主要为钛、碳和铁等元素，强化层能否形成主要受电流和脉 冲宽度的影响，绘制出了形成强化层的能量范围图。 实验得到了脉宽、脉间、峰值电流、粉末浓度、超声振幅等因素对强化层表 面，n 含量、表面粗糙度和耐磨性的影响规律，并获得了对应指标下的最优强化参 数。综合考虑强化层表面t i 含量、表面粗糙度和耐磨性三个指标，通过多指标正 交试验综合平衡法分析得出了形成强化层的最优参数组合为：峰值电流2 4 a ，脉 国家高科技研究发展计划“8 6 3 重点资助项目，项目编号：2 0 0 9 a a 0 4 4 2 0 4 山东大学硕士学位论文 冲宽度2 4 9 s ，脉冲间隔1 3 0 9 s ，粉末浓度6 0 9 l ，超声振幅2 p m 。在最优参数组合 条件下实验得到的强化试样，其强化层显微硬度相对基体材料提高了8 4 7 9 ，强 化层的耐磨性也明显提高，其磨损量明显小于基体材料，并且强化层的摩擦系数 明显降低，仅为基体材料摩擦系数的一半左右。 为了进一步提高强化层的表面粗糙度，设计了超声振动辅助混粉电火花表面 强化四因素三水平全因素正交试验，以研究脉冲宽度、峰值电流、粉末浓度和超 声振幅对强化层表面粗糙度的影响。利用方差分析法( a v o v a ) 得出了脉冲宽度 ( a ) 、峰值电流( b ) 、粉末浓度( c ) 、超声振幅( d ) 四个因素及其交互作用对 强化层表面粗糙度的影响，获得了最优因素组合为a 1 8 1 c 3 d 1 。利用响应曲面法 建立了超声振动辅助混粉电火花表面强化表面粗糙度预测二次模型和响应曲面， 分析了表面粗糙度随各因素的变化规律。对比分析两两因素之间对表面粗糙度变 化的影响强弱，得到与方差分析法完全一致的结论。 关键词：电火花放电；表面强化；超声振动；混粉；表面粗糙度 i i a b s t r a c t u l t r a s o n i c v i b r a t i o n a s s i s t e d p o w d e r - m i x e de l e c t r i c a l d i s c h a r g e s u r f a c e s t r e n g t h e n i n gc a nb ea c h i e v e db yu s i n go r d i n a r ye d mm a c h i n et o o l s d u r i n gt h e s t r e n g t h e r r i n gp r o c e d u r e ，t h et o o l e l e c t r o d ew a sa s s i s t e dw i t hu l t r a s o 试cv i b r a t i o n 觚d t h e p o w d e rw a sm i x e di n t ot h e d i e l e c t r i c ， s p a r kd i s c h a r g eo c c u n e db e t w e e n t o o l e l e c t r o d ea n d w o r k p i e c em a t e r i a l s ，i nw h i c ht h e s p a r kd i s c h a r g ep o to f t o o l e l e c t r o d ea n dw o r k p i e c ew a sm e l t e da n de v e n g a s i f i e da sw e l la st h ep o w d e ri nt h e e l e c t r i c d i s c h a r g ec h a n n e l ，as t r e n g t h e n e dl a y e rw a so b t a i n e do nt h es u k eo f w o r k p i e c eb yt h ee f f e c ts u c ha su l t r a s o n i cv i b r a t i o nt ol e tt h em e l t i n gp o w d e rm i xw i 证l m e i t i n g 、v o r k p i e c ea n dm e t a l l u r g yr e a c t i o no c c u r t h eh a r d n e s so ft h e s t r e n g t h e n e d l a y e ra sw e l la st h ew e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew a s i m p r o v e dg r e a t l y t h em e c h a n i s mo fp o w d e r - m i x e de l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gw a s e l a b o r a t e ds y s t e m a t i c a l l yf r o mt h es t a g eo f t h ea p p l yo fe x t e r n a lv o l t a g e ，t h eb r e a l ( d o w n o ft h e d i e l e c t r i c ，t h e d i s c h a r g e c h a n n e lf o r m a t i o na n dt h e d i s c h a r g ee n e r g y t r a n s f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o n , t h em i g r a t i o no ft h ee l e c t r o d em a t e r i a lt ot h es 蛾e o f w o r k p i e c e ，t h el a y e rf o r m a t i o na n dt h ed e i o n i z a t i o ni nt h ep a p e r t h ei n f l u e n c eo ft h e p o w d e ri nt h ed i e l e c t r i co nt h eb r e a k d o w no fd i e l e c t r i ca n dd i s c h a r g ec h a n n e lf 0 咖a t i o n w a sp a i dm o r ea t t e n t i o nt os t u d y u l t r a s o n i c v i b r a t i o na s s i s t e d p o w d e r - m i x e de l e c t r i c a l d i s c h a r g e s u r f a c e s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yw a sp r o p o s e d t h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no n 廿1 e p o w d e r - m i x e de l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n g ，e s p e c i a l l yo nt h e i n t e r p o l a r e l e c t r i cf i e l da n dt h es t a t eo fd i s c h a r g eg a pw a ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d u l t r a s o n i c v i b r a t i o nc a l li m p r o v et h ed i s c h a r g eg a p ，r e d u c et h eb r e a k d o w nt i m ed e l a y , i n c r e a s et h e u s er a t i oo f d i s c h a r g ep u l s e u l t r a s o n i cv i b r a t i o nc a na c c e l e r a t e dt h em e l tt or e a c ht 0t l l e w o r k p i e c es u r f a c ew i t hh i g hs p e e d ，a n di m p r o v et h ep r o p e r t yo ft h es t r e n g t h e n i n gl a y e r e v e n t u a l l yt h er e s u l t so fe x p e r i m e n tr e s e a r c hf o rs t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i c v i b r a t i o ns h o wt h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo f a m p l i t u d e ，t h el o s so ft 0 0 1 e l e c t r o d ea g g r a v a t e s ： t ic o n t e n to ft h es t r e n g t h e n i n gl a y e ri n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e 勰eo f a m p l i t u d e ；a f t e rt o o l - e l e c t r o d ea s s i s t e dw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n ，t h e s t r e n g t h e n i n 窑 l a y e rh a v em o r eu n i f o r mt h i c k n e s sa n dl e s sc r a c k s ，h o l e s + n a t i o n a lh i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( g 随n i n o 2 0 0 9 a a 0 4 4 2 0 4 ) i i i 山东大学硕士学佗论文 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff i v ef a c t o rf o u rl e v e lo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，u l t r a s o n i c v i b r a t i o na s s i s t e dp o w d e r - m i x e de l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gc a l le n h a n c e t h es u r f a c eo fw o r k p i e e eu n d e rs u i t a b l ec o n d i t i o n 1 1 1 et h i c k n e s so fs t r e n g t h e n i n gl a y e r c a l lr e a c h10 1 x m ，t h ec o n t e n to ft h el a y e rm a i n l yi n c l u d e st h ee l e m e n to ft i t a n i u m , c a r b o na n di r o n m e a n w h i l e ，t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ef o r m a t i o no fs t r e n g t h e n i n g l a y e ri sm a i n l yr e l a t e dt ot h ep e a kc u r r e n ta n dp u l s ed u r a t i o n ，a n de v e n t u a l l yt h ec h a r to f e n e r g yr a n g ew a sd r a wo u t b ya n a l y z i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t , t h ei n f l u e n c eo fp u l s ed i s c h a r g ee n e r g y , p o w d e rc o n c e n t r a t i o na n du l t r a s o n i cv i b r a t i o na m p l i t u d eo nt ic o n t e n ta n dp e r f o r m a n c e o fs t r e n g t h e n i n gl a y e rw a ss t u d i e d ，t h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e ro ff i v ef a c t o r sf o r t h ee f f e c to ft ic o n t e n ta n dp e r f o r m a n c eo fs 仃e n g t h e n i n gl a y e rw a so b t a i n e d o p t i m a l c o m b i n a t i o no fp a r a m e t e r s ，w h i c hw a so b t a i n e db ym u l t i p l ei n d i c a t o rb a l a n c em e t h o d o fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，i sp e a kc u r r e n t2 4 a ，p u l s ed u r a t i o n2 4 p s ，p u l s ei n t e r v a l 13 0 p s ，p o w d e rc o n c e n t r a t i o n6 0 9 l ，u l t r a s o n i ca m p l i t u d e2 “m u n d e rt h ec o n d i t i o no f o p t i m a lp a r a m e t e r s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e ，s u c h 嬲t ic o n t e n ta n ds u r f a c e r o u g h n e s s ，i sb e t t e rt h a nt h es a m p l e so ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，m i c r o h a r d n e s so f t h es t r e n g t h e n i n gl a y e rh a si m p r o v e dm a r k e d l y e v e nt w ot i m e so ft h es u b s t r a t e w e a r r e s i s t a n c eo ft h e l a y e r h a sa l s ob e e n g r e a t l yi m p r o v e d ，t h e w e a l v o l u m ei s s i g n i f i c a n t l yl e s st h a nt h em a t r i xm a t e r i a l ，w h i l et h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n to ft h el a y e r g r e a t l yr e d u c e d ，a sa b o u th a l fo f t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o no f t h em a t r i x t h es u r f a c er o u g h n e s so fs p e c i m e no b t a i n e df r o mo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta r e r e l a t i v e l yp o o r f o rg e t t i n gm u c hb e t t e rs u r f a c er o u g h n e s s ，t h ef o u rf a c t o r sa n dt h r e e l e v e l so r t h o g o n a lt e s tw a sp r o c e e d e di no r d e rt og e tt h er u l e sa n de f f e c to ft h ep u l s e d u r a t i o n ( a ) ，p e a kc u r r e n t ( b ) ，t h ep o w d e rc o n c e n t r a t i o n ( c ) ，u l t r a s o n i ca m p l i m d e ( d ) o ft h es u r f a c e r o u g h n e s so ft h es t r e n g t h e n i n gl a y e r b yu s i n g t h ev a r i a n c e a n a l y s i s ( a v o v a ) ，f o u rf a c t o r sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n so nt h ei m p a c to f t h es t r e n g t h e n i n g l a y e rs u r f a c er o u g h n e s s w a so b t a i n e da n dt h e o p t i m a lc o m b i n a t i o no f f a c t o r sw a s a i b l c 3 d i 1 1 1 eu l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t e dp o w d e r - m i x e de d ms u r f a c er o u g h r l e s s q u a d r a t i c m o d e lw a se s t a b l i s h e d b yu s i n g t h e r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y , c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe v e r yt w of a c t o r si so b t a i n e dt h r o u g ht h er e s p o n s es u r f a c e k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g e ；s u r f a c es t r e n g t h e n i n g ；u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ； p o w d e r - m i x e d ；s u r f a c er o u g h n e s s i v 第1 章绪论 1 1 电火花加工技术发展 第1 章绪论 电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电产生的电蚀作用蚀除导电 材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称e d m 【。电火花加工 具有传统切削加工无法比拟的优点，是一种非接触式加工，可加工各种导电材料， 不受工件材料物理、力学性能的限制。加工过程中，工具与工件不直接接触，工 件无机械变形，可以加工细长、薄、脆等难加工零件。虽然电火花加工是利用热 效应来蚀除金属，但大部分材料不受热影响，可以在硬度高的材料上加工出精度 高、表面质量好的复杂模具。电火花加工的零件表面由许多微小的放电凹坑组成， 有助于润滑油的储存并形成较好的润滑。电火花加工直接利用电能进行加工，易 于实现自动化。目前，电火花加工技术已经广泛应用于模具制造、航空、电子、 精密机械等行业，解决各种难加工材料及复杂形状零件的加工问题【2 羽。 近年来，电火花加工技术通过融合其它先进技术的发展成果，不断向高速高 效化、精密化、微细化、绿色化、复合化等方向发展。当前电火花加工技术的分 类如图1 1 所示。 图1 1 电火花加工分类 山东大学硕+ 学位论文 1 2 表面处理技术 科学技术的发展对零部件质量提出了越来越高的要求，例如高耐磨性、强耐 蚀性、抗高温性及其它各种特殊性能。为满足越来越高的使用性能要求，提高零 部件的可靠性和寿命，同时节约成本，需要进行相应的表面处理。表面处理技术 通过机械、化学、物理等方法来改变材料表面的形貌、相组成、化学成分、缺陷 状态、微观结构或应力状态，使材料表面具有更高的耐蚀、耐磨、耐高温和抗疲 劳等性能，提高产品使用寿命，又能减少贵重材料的消耗，从而降低产品的成本， 拓宽其应用领域 6 4 1 。表面处理技术越来越受到广泛关注和重视，表面工程在2 1 世纪将成为工业发展的关键技术【9 - 15 1 。表面处理技术种类繁多，按工艺分类如表1 1 所示。 常用的表面处理技术主要有化学热处理( 渗碳、渗氮、碳氮共渗等) 、高能束热 源表面改性( 激光、电子束、高频电磁感应加热等) 、气相沉积( 物理气相沉积( p v o ) 、 化学气相沉积( c v d ) ) 、离子束表面改性处理、热喷涂各种涂层材料、电火花表面改 性等。 表1 - 1 表面处理技术 2 工艺 实现手段 电镀 涂装 堆焊 热喷涂 热扩渗 化学转化膜 彩色金属 气相沉积 三束改性 合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀和非金属电镀 特殊用途、特殊类型的新涂料和涂装工艺 埋弧自动堆焊、振动电弧堆焊、c 0 2 保护自动堆焊和等离子堆焊 火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂 固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗 化学氧化、阳极氧化、磷酸盐膜和铬酸盐膜 整体着色、吸附着色及电解着色 化学气相沉积和物理气相沉积 激光束改性、电子束改性和离子柬改性 第1 章绪论 1 3 电火花表面强化技术研究现状 与其它传统的表面处理技术，例如高能束热源表面处理、物理气相沉积和化 学气相沉积等相比，电火花表面强化技术具有独特的优点： 1 ) 直接在常温常压下对工件进行处理，不会产生热变形和影响使用性能等问 题。 2 ) 可实现工件局部表面的处理。在实际生产和应用中，有些易损件只是局部表 面失效，例如摩擦副等处，没有必要对整个零件进行处理。电火花表面强化技术 对工件的大小没有限制，可对工件不同位置的局部表面进行强化或改性处理，如 刀具的切削刃、齿轮的齿尖等。 3 ) 电火花表面强化技术具有处理速度快的特点，而且没有复杂的前处理和后处 理工艺要求，方便、实用、快捷。 电火花表面强化技术以其独有的优势受到众多学者的关注和研究。根据强化 过程所用介质的不同，主要分为液中电火花表面强化和气中电火花表面强化。根 据强化过程中所用电极的不同，主要分为三大类：利用特种材料的固体电极，例 如硅等进行表面强化；利用粉末烧结体或者粉末压结体工具电极进行表面强化； 在工作液中混入可以作于强化相的特殊粉末进行表面强化。 1 3 1 固体工具电极液中电火花表面强化 在电火花表面强化技术研究的初期，大多采用固体材料作为工具电极，主要 包括硅、钛、碳化钨、细钨丝等。 早在1 9 6 5 年，b a t - a s h 和k a h l o n 用铜电极加工碳钢过程中发现在碳钢表面形 成了难以去除的碳化层1 1 6 1 。随后，v c n k a t c s h 和p a r a s n i s 研究发现电火花加工后的 强化层分为白层和热影响层，形成的强化层在硬度、耐磨性和热稳定性等方面有 很大提高【1 7 1 。j c s w a n i 和b a s u 进一步研究发现大能量条件下不利于表面强化层的 形成，影响强化层形成的主要因素有电极材料、工件材料、电介质和脉冲能量( 主 要是电流) 【1 引。 s o n i 等研究了在工具电极上施加旋转运动对工件表面合金化的影响。研究发 现，工具材料向工件表面迁移，使工件表面化学成分发生变化，表面的各项性能 3 山东大学硕士学位论文 如硬度、重熔层厚度等都有变化【1 9 】；t s u k a h a r a 等在小能量条件下( 短脉宽和低电 流) 在t i 金属表面获得了裂纹较少的t i c 强化层，强化层硬度、耐磨性和耐腐蚀 性均有提蒯2 0 1 。t a n g 等在不同介质中利用石墨电极对n 合金表面进行电火花表面 强化处理，对比在空气、氮气和硅油三种介质中的强化效果发现，在硅油中所得 强化层的性能最好，突出表现在显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性等方面。日本学者 毛利尚武等也在电火花表面处理方面做了大量研究工作，尤其是硅电极电火花表 面处理方面，并探索了其相应的应用领域【2 1 1 2 2 。 在国内，张守魁等人认为由于硅材料本身的特性以及采用正极性加工时工件 表面放电点大，用硅做工具电极时，放电过程中极间充满大量硅粉末，选取合适 的放电参数，可以达到混粉加工的表面质量。经硅电极电火花表面强化后表面硅 含量可达1 6 ，强化层与基体结合牢固，耐腐蚀性和表面质量都有很大提古1 2 3 j 。 董春杰等在以硅电极进行电火花表面强化过程中辅助超声振动，研究了超声振动 对强化层的影响。研究发现，辅助超声振动能够改善强化层的厚度分布，提高强 化层的显微硬度、表面粗糙度、耐磨性和耐腐蚀性，这主要得益于超声振动在熔 体中的搅拌和空化作用，熔池中的液体分布均匀，从而得到有规则且连续的表面 强化层 2 4 2 5 】。 1 3 2 粉末压结体和烧结体电极电火花表面强化 利用粉末压结体或烧结体电极对工件进行表面强化，与固体电极相比增加了 电极的制作时间，但在电极材料的种类和元素配比上可以有更多的选择，同时可 以控制烧结体或压结体电极的致密度，有利于通过改变电极的致密度来提高强化 速度。据报道，由于压结体电极致密性等原因致使其热导差、电阻大、电极消耗 大、易于形成沉积层 2 6 - 2 8 1 。压结体电极由于强度、致密度等原因容易断裂，压结 成型后不能进行进一步的切割等加工，也限制了其的发展和应用。烧结体电极主 要把金属粉末、金属化合物粉末、陶瓷材料粉末或这些粉末的混合物通过压紧成 型，并进行烧结。烧结体工具电极致密度较高，便于为适应工件形状而进行的切 割操作等，但制作工艺较为复杂。 日本的研究人员用w c 粉末压结工具电极进行电火花表面强化处理，并用铜工 4 第1 苹绪论 具电极进行再熔融加工( 二次；0 n - r ) ，使沉积层和基体结合紧密，沉积层表面硬度可 以达到基体硬度的5 倒2 9 1 。l i 等人研究发现可以通过加入镍粉得到致密性较好的 钛烧结体电极 3 0 】。w a n g 等人利用负极性强化进行钛粉末压结体电极强化碳钢的实 验，强化时间为1 8 m i n 。研究发现，低电流( 2 1 0 a ) 和小脉宽( 2 1 2 p s ) 条件下 的强化表面碳化钛含量达到5 1 ，硬度达到基体的三倍以上，在电流为2 2 a ，脉 宽为2 “s 时硬度达到最大值【3 。m o r n 等人的研究表明，用钛粉末压结体电极强化 的模具使用寿命可以提高到原来的3 到7 倍【3 2 1 。s h u n m u g a m 等人用一定配比的碳 化钨和铁粉末制成压结体电极用于提高低碳钢的耐磨性，能谱分析发现硬质合金 材料转移到了加工表面上，强化层的主要成分为铁碳化合物和钨碳化合物【3 3 】。m o i l 等人用铜、铝、硬质合金和钛等制作而成的复合电极对碳钢进行了表面强化，电 极材料的成分出现在强化层表面上，强化层性能得到明显改善，表面裂纹明显减 少，耐磨性和耐腐蚀性得到很大提高【3 4 】。 1 2 3 混粉电火花加工和表面强化技术 1 2 3 1 混粉电火花加工技术 混粉电火花加工或表面强化是在工作液中添加导电粉末进行电火花加工或表 面强化的技术。由于所添加微粉的粒径一般很小，能够均匀分布于放电间隙中， 相当于在放电间隙中添加了许多小导体，降低了电介质的绝缘强度，有利于火花 放电的形成，宏观上表现为放电间隙变大，同时，放电通道从工具电极到工件的 过程中随载流子“雪崩”式发展而迅速扩展，形成喇叭状。两种条件下放电蚀坑 和放电半径的示意对比如图1 2 所示。从原理上分析，混粉电火花加工可有效改善 表面质量1 3 5 】。 ( a ) 混粉电火花放电 ( b ) 普通电火花放电 图1 - 2 两种条件下放电蚀坑形状的比较1 3 5 】 山东大学硕十学 ：c ) = 论文 随着硅粉在电火花镜面加工领域的广泛应用，二十世纪8 0 年代初人们的研究 扩展到性能与硅粉相似的其它粉末，例如石墨、硅、铝、玻璃、碳化硅以及硫化 铂等粉末。石墨和铝粉悬浮在介质中会产生相似的特性，在特定条件下这些粉末 可有效的产生精加工表面，加工效果比硅粉好，这些粉末也可以实现对工件表面 的强化。在混粉电火花表面强化过程中，t i ，n i ，c r s i 等粉末也经常被作为表面强 化处理的材料。 李岩等人实验研究了使用硅电极完成精加工过程中硅粉的作用。在低放电电 流和短脉宽的：j n - r _ 条件下，粒度为1 0 3 0 t t r n 的硅粉微粒均匀混合在工作液中进行 加工，可以得到良好的表面光洁度以及高耐蚀性、高氧化温度和高耐磨性【3 6 】。 王辉等人研究认为在混粉电火花加工中，由于工作液中所添加的粉末元素在放 电过程中要渗入到混粉电火花加工表面层中，当所添加粉末为钛、钨、硅等材料 时，会在加工表面层中形成相应的碳化钛、碳化钨、碳化硅等碳化物硬质相，这 些硬质相对加工表面层起弥散强化作用，从而使加工表面的耐磨性和显微硬度得 到提高，这也是钛粉和硅粉加工表面的耐磨性及显微硬度比铝粉加工表面高的原 因【3 刀。 在混粉电火花加工过程中，粉末粒度和浓度的选择也会直接影响3 n - r 效果。 一般所选粉末粒度要小，在15 9 m 左右。对类似硅等脆性材料的制粉方法常采用粉 碎研磨法，所得粉末颗粒形状为棱体，研磨所得粉末形状能有效提高表面粗糙度。 混粉电火花加工的表面质量随着工作液中粉末浓度的增大而提高，但是如果粉末 浓度过大，就会使得工作液的流动性交差，粉末分布不均匀，引发短路或者不均 匀放电，造成n t _ 表面粗糙度增大。不同粉末的最佳浓度不同，日本牧野公司开 发的i i s c 粉末添加剂通常使用的浓度为l - 2 9 l ，如果是小面积的铜电极，最多可 以把浓度提高到3 - 4 9 l ，以获得高质量的加工表面。如果浓度过高则会使加工过 程不稳定，而浓度小于0 2 9 l 对放电加工影响微乎其微，没有任何镜面加工的效 果1 3 8 1 3 9 。 1 2 3 2 混粉电火花表面强化技术 6 电火花加工一般采用负极性加工，而为了通过混粉的方式得到表面改性层则 第1 覃绪论 主要采用正极性加工。所用的粉末主要有铁、钴、镍、铝、铬、铜、钛、碳粉、 硅、钼以及一些碳化钛、碳化硅等陶瓷粉末，粉末的粒度范围在1 1 0 0 “m 。通过混 入不同的粉末可以得到不同性能的表面强化层。电介质中碳氢化合物高温裂解的 碳和粉末混合生成相应的碳化物。对于同样的粉末浓度，影响改性层性能的主要 参数是脉冲电流和脉冲宽度。 s i n g l y 等人应用响应曲面法分析了混硅粉电火花加工中脉宽、占空比、峰值电 流、混粉浓度等因素对电火花放电加工的影响。悬浮在电极间的颗粒增加了放电 的可能性，而且降低了电介质击穿的难度，利于放电的实现，降低了工具电极的 损耗，增加了放电次数，增大了放电间距。导电粉末的存在改善了表面粗糙度， 主要是因为粉末的存在增加了放电次数，降低了电火花单次放电的能量，使放电 击穿的位置更随机更分散。s i n g l y 等人通过实验得出了影响混粉电火花加工的最主 要因素是峰值电流，其次是粉末浓度，并得出了最优加工参数组合1 4 1 1 。 p e c a s 和h e n r i q u e s 等人通过在电介质中混硅粉进一步研究发现，粉末的存在 能够改善加工表面质量，同时发现加工表面质量与电极面积也有很大的关系。通 过对强化层成分的分析认为，在工件表面形成的大量碳化物是在放电过程中，电 介质在放电通道的高温作用下裂解出碳和粉末发生反应产生的。混粉加工表面裂 纹明显减少，加工表面的耐腐蚀性得到了有效提耐4 2 1 。 o k a d a 等人应用钛作电极在工作液中混碳粉的方式对工件进行电火花表面改 性，加工表面硬度随着脉冲宽度和粉末浓度的增加而增大【4 3 】【4 4 1 。 f u r u t a n i 等人在煤油中混入钛粉，以铜为电极，采用正极性加工，电流为3 a ， 脉宽为2 9 s 时，在碳钢上获得了表面硬度高达1 6 0 0 h v 的强化层，通过x 射线衍 射分析发现强化层中含有钛和碳化钛，如图1 3 所示。以蒸馏水为电介质作为对比 实验，研究发现强化层中的碳成分是煤油中裂解产生的。为了减小电极往复运动 对粉末浓度的影响，采用了两种类型的电极，一种为旋转的盘型电极，一种为直 径l m m 的圆柱电极；为了保证两极之间的粉末分布均匀，研究了几种粉末在两极 之间的状态，粉末类型和对应状态如表1 2 所示【4 5 1 。 山东大学硕士学位论文 t b ) 6 0 0 & 4 0 0 备 蔼 暑 瑚 0 d i f f r t t c t i o na n g l ed e g 图1 3 强化后所得表面形貌及表面成分1 4 5 j 表1 2 极间粉末状态表【4 5 l y a h 等人以铜为电极，在蒸馏水中加入尿素作电介质，在钛工件表面获得了氮 化钛强化层，强化层的耐磨性得到明显的提高，显微硬度值达到了2 5 0 0 h k ，工件 和工具的材料去除率随着脉宽的增加而降低1 4 6 1 。 很多研究人员通过在电介质中添加活化剂或者分散剂等以提高粉末在电介质 中分布的均匀性。w u 等人在电介质中混入铝粉的同时加入了少量的活化剂，可以 观察到明显的放电分布现象，使加工表面的粗糙度得到明显改善，达到了0 2 1 x m l 4 7 1 。 m i n g 等人研究了在电介质中混入铝、硅、镍以及铬等粉末对加工表面的影响。 研究表明，混粉电火花加工过的工件表面耐磨性，耐腐蚀性得到很大的改善【镭】。 t z e n g 等人分别混入铝、铬、铜和碳化硅等粉末对s k d 1 l 工具钢进行电火花 8 第1 章绪论 表面强化，结果表明，混入铝粉得到的强化表面质量最好，铜粉的最差，这主要 和粉末颗粒的大小、粉末浓度以及粉末的热物理性能等有关1 4 9 1 。 1 3 超声振动辅助电火花口u r 技术 声波是人耳能感受的一种纵波，频率在2 0 。2 0 0 0 0 h z 范围内。频率超过人耳的 听觉上限2 0 0 0 0 h z 的声波，称为超声波。超声与电火花复合加工是在普通电火花 加工时引入超声振动，使电极工具端面作超声振动，已得到广泛的应用。无超声 振动辅助时电火花精加工的放电脉冲利用率为3 5 ，辅助超声振动后，电火花 精加工的有效放电脉冲利用率可提高到5 0 以上。面积越小、加工用量越小，相 对生产率的提高倍数就越多。尤其是在加工小孔、窄缝及精微异形孔时，工艺效 果改善更为明显。随着加工面积和加工用量的增大，工艺效果逐渐不明显，与无 超声辅助时的指标相接近【5 们。 超声振动辅助电火花加工的形式主要有三种：工具电极辅助超声振动、工件辅 助超声振动、线切割中电极丝辅助超声振动。超声振动的施加可通过其泵吸和空 化等作用，有效提高电火花加工过程中的材料去除率，并且有利于极间放电残渣 的排除，能够减少放电过程中的拉弧和短路等现象，提高电火花击穿效率。 a m i r 等人用铜工具电极加工硬质合金，并对比研究了工具电极辅助超声和不 辅助超声的条件下对表面形貌的影响，发现超声辅助加工的热影响层和重熔层明 显减小，加工表面和截面的裂纹明显减少【5 i j 。k r e m e r 等人较为系统地研究了工具 电极辅助超声振动对电火花加工的影响。超声振动有利于放电间隙的充分消电离 及熔融产物的去除，有效提高电火花加工的效率，精加工条件下加工效率可提高 四倍以上。小振幅超声振动对加工表面的粗糙度影响较小，大振幅则会导致表面 粗糙度变差【5 2 】1 5 3 】。 国内的学者也对超声振动辅助电火花复合加工进行了大量研究。相关研究表 明，超声电火花复合加工技术可有效提高加工速度，减小热影响层及加工表面的 裂纹。郭永丰将超声电火花同步加工技术应用到小孔的加工过程中，加工速度提 高了2 0 5 0 5 4 1 ；曹风国等对电火花超声复合抛光超硬工具材料进行了研究， 研究发现这种方式可有效提高表面质量【5 5 】。贾志新等采用直流电源，在工具电极 9 山东大学硕士学位论文 上辅助超声振动代替电火花加工过程中电极的周期性进给和回退，实现了有效加 工，加工效率比普通电火花加工高【s 6 】。张建华等对超声振动辅助电火花放电加 工进行了系统的研究，主要包括超声振动间隙脉冲放电复合加工、超声振动辅助 气中放电复合加工、超声振动辅助磨削复合加工、超声振动磨削脉冲放电复合 加工等1 5 7 侧。 1 4 电火花裹面爱化技术的应用 由于电火花表面强化技术易于对工件局部表面进行处理，具有热变形小、处 理速度快等特点，在表面强化领域得到广泛应用。 日本学者在应用研究方面做了大量工作，图l _ 4 为日本三菱公司开发的液中放 电表面强化专用机床【6 。在切削刀具的表面处理中，电火花表面强化正逐步取代 p v d ，c v d 等表面处理技术。有研究表明，未经电火花表面处理的刀具后刀面磨 损是经处理的刀片磨损的2 5 倍1 6 2 j 。电火花表面强化技术还可有效地对模具易损部 位以及直线导轨表面进行处理，在提高效率的同时降低加工成本【6 3 j 。 1 5 图l 一4 液中电火花表面强化专用机床 表面处理技术是通过物理及化学手段增加零件表面的耐磨性、耐久性、耐腐蚀 性、装饰性等，可有效减少能源消耗，降低成本，延长寿命，既节能减捧又绿色 l o 第1 章绪论 环保。 电火花表面强化技术具有可以处理复杂形面、处理速度快、热影响小等一系列 优点，受到越来越广泛的关注。但目前的研究多集中在利用固体电极、压结体和 烧结体电极上，依靠电极的损耗来实现工件表面的强化，由于工具电极的过度损 耗会导致强化精度难于控制。专用电极的制备也是一个相当复杂的过程，耗时费 力且成本高。 混粉电火花表面强化采用普通铜电极，在工作液中混入可作为强化相或者能形 成强化相的粉末，对工件表面进行强化。工具电极损耗小，可提高强化精度，简 化制备强化电极的过程，能够降低成本，提高加工效率。电火花表面强化过程中 强化层易出现厚度不均匀、强化层中存在显微裂纹等问题。采用工具电极辅助超 声的强化方式能够有效改善这些问题。 系统分析超声振动辅助混粉电火花表面强化过程机理，并得到该强化方法的相 关工艺规律和强化层性能。通过超声振动和混粉电火花表面强化的复合，进一步 提高电火花表面强化性能，拓展电火花放电表面强化的应用领域。 1 6 课题来源及主要研究内容 本文提出并系统研究超声振动辅助混粉电火花表面强化技术，得出相 关工艺规律。本课题