淺述電火花機床放電加工對工件表面完整性影響

（EDM）電火花機床放電加工工藝中，了解模腔各層面在受熱影響后的變化情況，將有助于客戶了解電火花加工對模具表面完整性產(chǎn)生的影響。

保護模腔表面的完整性是電火花放電加工zui關(guān)鍵的問題之一。模腔表面光潔度的完整性取決于火花機EDM加工工藝中模腔各層面受熱影響后的變化情況，其中包括電極與工件之間控制電荷的傳輸情況。在放電加工過程中，施加于工件上的電流將會使工件的金屬熔化和汽化，在模腔上形成熱變層。為了了解火花機加工對模具表面完整性產(chǎn)生的影響，必須要首先了解模腔各層面受熱影響后的變化情況。電火花機床加工的電荷不但對工件金屬的表面產(chǎn)生影響，而且對表面以下的各層面均有影響。

各層面的熱變情況

受火花機EDM加工工藝影響的各層面是指金屬受熱以后的變化區(qū)域。圖1所示為金屬受熱以后的變化區(qū)域，這里由兩層受熱影響的材料組成：重鑄層或白色層，以及熱影響區(qū)。

圖1  受熱影響的子層面和二次沉積層

白色層是指已經(jīng)加熱到熔點狀態(tài)的金屬層，但還不足以被排斥而熔入到縫隙之中，達到可以被介質(zhì)液體沖刷走的程度。實際上，EDM加工工藝已經(jīng)改變了這個金屬層的金相結(jié)構(gòu)和特點，因為在介質(zhì)液體的沖刷過程中，會使這個即將熔化的金屬層迅速冷卻，然后在模腔上凝固，形成新的金屬結(jié)構(gòu)層。

這層金屬包括一些性能*的粒子，在被介質(zhì)液體從縫隙中沖刷以前，就開始凝固，并再次沉積到模具表面之上。白色層與碳元素緊密地滲透結(jié)合在一起，使其金相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，性能*與基質(zhì)材料不同。在EDM加工工藝中，當(dāng)電極的碳氫化合物和介質(zhì)液體分解以后，就會產(chǎn)生大量的碳元素；當(dāng)材料處于熔融的狀態(tài)下，碳元素就開始滲透到白色層之中。

圖2  EDM加工前的基質(zhì)材料成分分析，以及EDM加工后的白色層成分分析

圖2所示為EDM加工前的基質(zhì)材料成分分析，以及EDM加工后的白色層成分分析。從圖中可以看出，EDM加工以后的碳元素成分要比EDM加工前基質(zhì)材料中的碳元素成分高得多。

白色層底下是熱影響區(qū)。這個區(qū)域的白色層受碳元素的影響極小，只達到熱處理的效果，沒有達到金屬的熔點溫度。在這一點上，熱影響區(qū)仍保留母金屬材料的金相結(jié)構(gòu)，因為其吸收的溫度還不足以達到改變結(jié)構(gòu)的程度。在熱影響區(qū)之下仍屬于母材，這個區(qū)域未受到EDM加工工藝的影響。

圖3  在白色層中形成的微小裂縫截面圖

微小裂縫

模具制造商主要關(guān)心的問題是模具中出現(xiàn)的微小裂縫的數(shù)量。如圖3所示，在白色層中，微小裂縫占據(jù)了統(tǒng)治地位。如果這層厚度太厚，或者不通過更精密的EDM加工或拋光將其除去，那么在某些應(yīng)用領(lǐng)域，這類微小的裂縫將會造成零件的過早損壞。而且這些裂縫的存在也會降低材料的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。因此，在評價EDM加工技術(shù)的性能時，表面的完整性是一個首要的考慮因素，EDM加工的主要目標(biāo)必須建立在這樣的一個條件基礎(chǔ)之上：即必須防止發(fā)生這種情況。

由EDM加工產(chǎn)生的微小裂縫是因為EDM加工周期中熱應(yīng)力所造成的。裂縫的深度有一部分可以通過EDM工藝控制，毫無疑問，當(dāng)電火花密度增加時，白色層的深度也隨之增加。這同樣會使模腔中出現(xiàn)的裂縫數(shù)量和大小增加。顯然，受EDM工藝影響的表面完整性也可以用今天的EDM電源技術(shù)進行控制。影響表面完整性的特殊參數(shù)包括電壓、電流、時間和暫載率。這些參數(shù)是可以操作控制的，從而使粗加工、半精加工和精加工各階段的效率和表面完整性的控制達到*。

由于EDM加工形成的白色層和產(chǎn)生的微小裂縫，因此可以說，白色層的深度與電火花能量的密度有著密切的關(guān)系。當(dāng)電火花能量降低時，正如我們所看到的那樣，從粗加工條件轉(zhuǎn)換成精加工條件，白色層的深度也降低到合適而足夠的深度，從而裂縫也隨之減少。

圖4  在EDM加工工藝中，電流和時間對表面光潔度的影響

工件的特性

電火花密度并不是影響表面完整性的惟一決定性因素。工件金屬的導(dǎo)熱率也是一個關(guān)鍵因素。與低導(dǎo)熱率材料相比較，高導(dǎo)熱率金屬形成的白色層較小，微小裂縫也較少。

造成上述現(xiàn)象的原因是：較高導(dǎo)熱率的材料表面能夠散發(fā)較大的熱能。在這種情況下，由于其具有較高的導(dǎo)熱率和可延特性，銅合金材料受熱影響的層面較薄，所產(chǎn)生的裂縫也比較少。與此相反，導(dǎo)熱率較低的材料，如工具鋼。其受熱影響的層面較厚，所產(chǎn)生的裂縫也比較多，因為當(dāng)材料中的熱量散發(fā)到周圍的區(qū)域前，電火花密度停留在火花區(qū)的時間較長。

燒蝕碳化物會產(chǎn)生另一個問題，因為這種材料很脆，比其他材料呈現(xiàn)出更高的熱脆裂特性。有些人認為這種材料具有較高的導(dǎo)熱性；然而，碳化物是由碳化鎢或碳化硅顆粒與鈷粘結(jié)劑粘結(jié)制成。正是因為這種粘結(jié)劑具有很高的導(dǎo)熱率，因此這個區(qū)域極大地受到EDM工藝的影響，從而代替了碳化物本身。電火花的能量使得這種粘結(jié)劑分解，將碳化物的顆粒釋放到縫隙之中。

表面光潔度及其完整性

表面光潔度與表面完整性是衡量模腔質(zhì)量的兩個不同因素，但這兩項指標(biāo)在模具的特性中都起著重要的作用。機床的參數(shù)對模腔子層面的完整性有很大的影響，它們對表面光潔度也同樣有很大影響。圖4所示為EDM加工工藝中，電流和時間對表面光潔度的影響。

所使用的電極材料類型則是另一個因素。就模腔次表面的完整性而言，電極的類型對其影響極小。對電極材料產(chǎn)生重要作用的是模腔表面本身的光潔度。模腔的表面光潔度是一個有機會降低生產(chǎn)成本和縮短交貨時間的區(qū)域，而同時又能夠提供的模具產(chǎn)品。采用精密EDM機床精加工的模具可以直接使用，而需要拋光或蝕刻加工的模具必然會因為執(zhí)行這些加工操作而增加生產(chǎn)成本。精密EDM機床的精加工是通過采用高頻EDM程序及低電流和短運行時間達到的。電極材料的質(zhì)量與EDM程序需共同合作才能達到預(yù)期的結(jié)果。如果從這個方程式中取出EDM程序，那么模腔的表面將反映出模腔精加工過程中使用的電極材料的質(zhì)量。

材料的粒度大小與其相應(yīng)的孔徑大小對材料能否產(chǎn)生精密的光潔度水平起著一個關(guān)鍵的作用。如果電極材料的結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生特殊的表面光潔度效果，那么EDM機床將會繼續(xù)運行，直到達到預(yù)期的表面光潔度為止。圖5所示為同一加工參數(shù)條件下，兩種不同材料所獲得的表面光潔度。結(jié)構(gòu)細密的材料，經(jīng)EDM加工后的表面光潔度比較光滑，如要達到預(yù)期的表面光潔度效果，只需要做少量的拋光工作即可。

顯微結(jié)構(gòu)較差的電極材料，如粒度較大或粒度形狀不規(guī)則的材料，其磨損程度將非常不均勻，也會造成模腔表面的不均勻。在多型腔模具中對這種情況的要求特別嚴(yán)格，因為所有型腔都需要有一致的表面光潔度。當(dāng)使用石墨電極材料時，應(yīng)特別注意，要保證所有電極的質(zhì)量一致。因為來自不同廠商的石墨等級，會造成不同程度的磨損，因此EDM加工機床達不到特定編程的表面光潔度水平也是可能的。當(dāng)模具的生產(chǎn)采用不同類型的電極材料或不同機床制造的時候，往往可以看到上述這種情況。

圖5  在同樣加工參數(shù)條件下的兩種不同材料的表面光潔度

了解極限

表面光潔度和表面完整性是影響模具質(zhì)量的兩個主要方面，因此了解這些區(qū)域的極限是必要的。雖然今天的EDM機床可利用機床本身自有的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生產(chǎn)極精密的表面光潔度，但通常的做法是超越這些技術(shù)，以便使工藝達到*水平。

不了解如何計算白色層的深度，或者不知道電極材料會對EDM加工工藝產(chǎn)生怎樣的影響，那么想要優(yōu)化這個工藝，實際上可能會導(dǎo)致性能下降，或無法生產(chǎn)出的零件。

在即將出現(xiàn)的問題中，我們將要探討如何計算熱影響區(qū)的深度及如何優(yōu)化EDM加工工藝，以便在不影響質(zhì)量的條件下獲得zui高的生產(chǎn)效率。

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