电火花加工工艺(EDM)对模具表面完整性的影响

本文由气动隔膜泵联合整理发布电火花加工工艺（EDM）对模具表面完整性的影响保护型腔表面的完整性，是工艺的一个重要方面。型腔表面光洁度的完整性，取决于EDM工艺中形成的热蚀层，这其中包括了电极与工件之间发生的转移。而在这一转移过程中，施加于工件上的电流会使金属熔化和汽化，并在型腔内形成热蚀层。若要了解EDM对表面完整性的影响，必须首先了解型腔内产生的不同热蚀层。EDM影响的不仅是金属的工作面，而且也包括其下层。热蚀层受到EDM工艺影响的层面，被称为金属蚀变区。图1所示的金属蚀变区由两个受到热蚀的原料层构成：再铸层(或称白层)和热影响区。图1各个热影响层和再沉积层(该图片由Poco石墨提供)白层是由于表面虽被加热至熔融状态，但温度并不足以使熔融物进入冲模间隙并被冲洗掉而形成的。EDM工艺会改变这一层面的金相组织和其特性，这是因为该层是在冲洗过程中，由无法去除的熔融金属在绝缘液中迅速冷却并在型腔中重新固化而形成的。该层所包含的一些可去除的颗粒，却在被冲洗出冲模间隙之前固化并重新沉积于表面。由于白层含有大量碳，因此其结构明显不同于基料。这一富碳层是由于EDM工艺中，电极和绝缘液中含有的烃类发生降解而形成的，并在材料处于熔融状态时渗入白层。图2所示为采取EDM工艺前后，对基料的降解情况进行的元素分析。它表明，实施EDM之后的碳含量明显大于实施之前。图2采取EDM工艺前后，对基料的降解情况进行的元素分析白层以下为热影响区。该层由于经过热处理，因此富含碳的白层对其影响甚微。但由于热影响区未达到熔融温度，不足以改变材料结构，因此保留了母料中的金相组织。而热影响区以下的原材料层不受EDM工艺的影响。微裂纹模具中产生的大量微裂纹，一直是模具生产商非常关注的问题。如图3所示，白层中产生的微裂纹清晰可见。如果该层变得太厚，或未采用EDM精加工或抛光工艺将其去除，微裂纹就会在一些用途中导致部件过早损坏。此外，这些微裂纹也会降低材料的耐腐蚀和耐疲劳性能。所以，表面完整性应成为评价EDM技术特性的首要因素，而该技术的主要目标也是要建立可以克服该问题的工艺条件。本文由气动隔膜泵工艺周期中由于时间效应产生的热应力，导致了微裂纹的形成。其深度一定程度上取决于EDM程序的控制，而电火花强度的增大无疑会使白层变厚，并使型腔中的微裂纹数量增多、尺寸变大。很明显，受EDM工艺影响的表面完整性如今可通过控制EDM的供电而予以控制。影响表面完整性的特定参数包括电压、电流强度、时间效应和占空比。通过控制这些参数，可以优化工艺效率，并控制粗加工、半精加工和精加工阶段的表面完整性。由于EDM放电过程产生了白层和微裂纹，因此可以保守地认为其厚度取决于电火花的能量强度。当电火花能量减小时，我们就会看到在粗加工到精加工的工艺条件变化过程中，白层深度和微裂纹数量都逐渐减少了。工件的特性影响模具表面完整性，不仅包括电火花强度，而且也包括被加工金属的导热系数。导热系数高的金属，产生的白层通常比导热系数低的要薄，而且微裂纹也少。这一现象是由于高导热系数的金属表面的能量耗散所致。据此，我们可以认为铜合金的高导热系数和韧性，会使热影响区减小，产生的微裂纹减少。相反，在采用导热系数低的材料(如工具钢)时，由于在原料将能量释放到周围区域之前，火花区的电火花强度仍将保持较长时间，因此会产生较厚的热影响层和较多的微裂纹。燃烧的碳化物会带来另一问题，即模具材料会变得异常脆弱，且热裂解程度高于其它材料。有些人认为该材料的电导率高，但是含有碳化钨或碳化硅颗粒的碳化物需要用钴粘结剂进行粘剂。正是这种具有高电导率的钴粘结剂，成为EDM工艺的影响区域，而非碳化物本身。电火花产生的能量，会使粘结剂裂开，从而使碳化物颗粒掉入冲模间隙。表面光洁度和完整性作为表现型腔质量的两个不同因素，表面光洁度和表面完整性都是模具所具有的重要特性。影响型腔内各个层面的机器参数，也同样影响着表面光洁度。图4表明了EDM工艺中，电流强度和时间效应对表面光洁度的影响。图4EDM工艺中，电流强度和时间效应对表面光洁度的影响使用的电极材料是另一项影响因素。电极材料对型腔内各层面的表面完整性影响很小，但却对型腔表面的光洁度起着重要作用。通过改善型腔的表面光洁度，可以降低生产成本、交货时间，并提供优质模具。经过EDM精加工的模具，可以直接在储罐外使用;而其它模具由于需要抛光或刻蚀，因而产生附加成本。采用高频EDM程序，可以在电流强度低和时间效应短的情况下进行精加工。电极材料的本文由气动隔膜泵程序共同决定了加工效果。若不考虑EDM程序，则型腔的表面性能可反映出加工型腔的电极材料的质量。材料所含的颗粒尺寸及相应的孔径，对于其具有良好的表面光洁度非常重要。若由于电极材料的结构而无法使模具具有特定的表面光洁度，则EDM设备在运行时就永远无法达到所期望的表面光洁度。图5中列出了两种具有同样机器参数的材料的表面光洁度。其中，具有良好结构的材料拥有较光滑的表面，达到预期的加工效果也无须依赖抛光工艺。图5两种具有同样机器参数的材料的表面光洁度微观结构差的电极材料(如颗粒形状大或不规则)，会由于不同程度的磨损而使开腔表面变得不均匀。由于多型腔模具中的型腔表面光洁度应保持一致，因此这种情况对该模具变得尤为关键。若采用石墨电极材料，则应严格确保所有电极的质量一致。由于各个厂家提供的石墨牌号的耐磨损性不同，因此EDM设备有可能达不到程序设定的表面光洁度。这种情况，在用各种电极材料生产或用EDM设备制造模具时颇为常见。局限性由于表面光洁度和表面完整性影响了模具质量，因此必须了解EDM在这两个方面的局限性。尽管在当今的EDM工艺中，能采用标准技术和设备进行精密加工，然而在优化工艺方面，常规手段还是压倒了这些技术。如果不知道如何计算白层厚度、不了解电极材料对EDM工艺的影响，那么对优化工艺的尝试可能会导致优质部件性能下降甚至毁坏。(end)文章内容仅供参考()()(2008-11-6)