工具钢在放电加工过程中的加工表面完整性损伤研究试验

　　作者： 西班牙欧纳机床股份公司 王克明

　　毕尔巴鄂大学机械工程系 J.A. Sanchez 博士

　　表面完整性概念的提出

　　零件加工后的表面纹理和表面层冶金质量，又称表面层质量。主要包括粗糙度、波纹度、刀纹方向、宏观裂纹、皱折和撕裂等；表面层冶金质量主要包括显微结构变化、再结晶、晶间腐蚀、显微裂纹、塑性变形，残余应力、合金贫化等。受加工影响而在零件表面下一定深度处产生的受扰材料层称表面层。表面层的深度通常为百分之几毫米，在特殊的加工条件下深度可达0.3毫米左右。

　　飞行器事故和故障的分析表明，疲劳破坏大都起源于工作应力高、 形状复杂、 工作条件恶劣的飞行器零件表面或接近表面的部位。这个问题起先并未为人们所认识。设计和修理人员只是单纯地选择高强度的材料或增加零件的断面面积。这样既提高了成本又增加了重量，还不能根本防止事故的发生。重要受力零件大都用高强度或高温材料（包括各种高温合金、钛合金、高强度合金钢等）制成，在高温、高速条件下承受反复载荷和腐蚀介质的侵蚀时，表面层的质量严重影响这类零件的可靠性和使用寿命。

　　对常见的表面层质量问题的研究表明飞机起落架零件在磨削加工时的烧伤；镍基铸造合金发动机涡轮叶片榫头磨削裂纹；切削加工后表面层的残余拉应力所造成的零件畸变和疲劳强度的降低，含氯离子的切削液对钛合金抗应力磨蚀能力的减弱；加工过程中由于对氢、氧等元素的化学吸收引起的脆性；在电火花加工或激光加工中由于表面的再铸层引起疲劳强度的降低等都是造成对工件表面完整性损伤的原因。

　　为此，对工件表面加工过程中避免损伤的金属学，机械特性及机械测试之间的内在联系作出更进一步的了解就显得十分必要。这就是表面完整性的研究的起源。进一步的表面完整性的研究不但探究有关上述因素在制造过程中工件表层的变化及相互间的关联，同时还研究其对材料特性以及在特定工作条件下工件的表面层的行为的影响。研究成果的应用使得对制造过程造成的可能结果加以预测和控制，最终得到人们期望的表面完整性。

　　表面完整性的研究试验

　　表面完整性需要研究和控制表面形貌和表面金相组织。这两个因素影响加工表面和亚表面质量，对要承受较大的动载荷及静载荷条件下的结构件的影响极为显著。例如，当动载荷成为最重要的设计要素之一时，大多数情况下材料的疲劳强度成为最大的制约。而多数疲劳断裂都发生在表层或近表层。研究表明应力腐蚀就是造成此类表面失效的表现之一。

　　对表面完整性的改善有下述三种途径：

　　□ 机械性改性：减少硬度的不均匀性，避免裂纹产生以及减少残余应力；

　　□ 化学改性：避免包括腐蚀以及污染性腐蚀的产生；

　　□ 金相组织改性：包括减少白亮层，夹杂层以及金相组织的奇变。

　　理论上所有的去除材料的过程都会造成对表面完整性的破坏。可能大家熟知的加工过程能造成对表面完整性破坏的有过度硬磨而造成的裂纹；电加工过程中产生的白亮层近来受到高度的关注。

　　很显然，电加工过程中剧烈的热量造成金属的再溶及附着于基层的，称之为再溶层，或俗称白亮层，是造成问题的关键。此再溶层与原始的基层材料相比，其金相组织及特性已经有很大的不同。经过电加工后的表面截面显可以清楚地区分出白亮层，回火层以及再回火层和原始材料基层。

　　研究白亮层的手段众多，但遗憾的是收集的数据大都不完善。因此，本文就此课题来进行相关的试验，并给出结论。

　　衡量表面完整性的方法如下：

　　□ 测量表面粗糙度；

　　□ 10倍放大肉眼观察；

　　□ 1000倍显微观察；

　　□ 显微硬度测量。

　　其他的测量方法包括：

　　□ 液体渗透法；

　　□ 残余应力测量；

　　□ 疲劳试验。

　　线切割表面完整性的实例试验

　　试验在ONA  AF25 电火花慢走丝线切割机床上进行，使用的材料为：

　　1. F - 5211 (Sverker 21)

　　2. F - 5318 (Orvar Supreme)

　　试验的加工方法为：

　　1. 1次切断（粗切）；

　　2. 1次切断（粗切）+ 1次精切；

　　3. 1次切断（粗切）+ 1次精切。

　　试验方法设计成正交试验，以确认特定加工参数下白亮层的生成状况。参数来自ONA  AF35内置的专家系统BES。

　　ONA AF25 电火花慢走丝线切割机床简介：

　　l XY 轴行程：  400 x 300 mm

　　l Z  轴行程： 250 mm

　　l UV 轴行程： 120 x 120 mm

　　l 定位精度： 0.001 mm

　　l 最大切割锥度： 30O / 87 mm

　　l 走丝机构： 自动穿丝， 封闭式钻石导嘴

　　l CNC： 5轴联动，可控6轴

　　l 表面粗糙度： 0.2μm

　　l 切割速度： 360～450 mm2 / mm， 对应线径为0.3～0.33mm

　　l 过滤器： 可配ONA专利产品-免维护、免耗材更换的矿物质过滤系统

　　l 特殊选件： B轴，可加工不可展曲面

　　l 带超微精细加工单元，及反电解加工单元，有效去除表面白亮层，大幅改善表面完整性

　　放电参数对表面完整性的影响

　　实验分为12种参数组合，每种组合有3个试件。试验的第一阶段为发现每个放电参数对表面层质的负面贡献。第二阶段为其对表面完整性改善的贡献。试验得出72组数据，观察结果如下：

　　□ 放电电流密度：P = 9-13

　　□ 间歇时间：tp = 4-10

　　□ 电压：V = 110, 恒压

　　□ 试验使用的铜丝为：Bercocut Spezial（CuZn37），直径D = 0.25mm.

　　□ 第一阶段的白亮层测量手段为显微观察及显微硬度测量。

　　观察结果一：在P = 11, tp = 6, V = 110 时， 材料Sverker21 的典型结果为厚度达到15μm的非连续白亮层，伴随微观裂纹。

　　观察结果二：在P = 13, tp = 10, V = 110 时， 材料Sverker21 的典型结果为厚度达到7～8μm的连续白亮层。

　　观察结果三：在P = 12, tp = 6, V = 110 时， 材料Orvar 的典型结果为厚度达到7μm的连续白亮层。

　　观察结果四：在P = 13, tp = 9, V = 110 时， 材料Orvar 的典型结果为厚度达到4μm的连续白亮层。

　　 试验过程中还发现个别的Sverker21 材料试件上最大白亮层厚度达30～35μm。 当P= 11, tp = 4, V = 110时， 还发现在白亮层上有微观裂纹。

　　 试验中没有发现材料的基体有裂纹的出现，也没有发现在回火层或在回火层出现裂纹。

　　精切过程对白亮层的影响

　　应用同样的方法，对切割表面进行精加工切割（掠过式），其结果显示，每次切割可以有效去除50% 的白亮层。但当白亮层厚度达到2～3μm时，精加工次数对其影响甚微。而电解的清洁度导致不同的二次放电，对白亮层的厚度影响较大。

　　疲劳试验

　　试验在单次加工（粗加工）及多次加工（粗加工+n次精加工）的试件上进行。结果表明，没有进行精加工的试件基本上都能发现材料的基体出现疲劳裂纹，而经过精加工的，疲劳裂纹没有出现。

　　试验总结及应用实例

　　试验的结果表明，影响表面完整性的第一放电参数为间歇时间（tp）。而精加工能有效消除白亮层。同时，电解的清洁度是在二次精加工中影响白亮层的关键。但是，这两个因素的任何不合理应用都会严重影响生产效率。 应用ONA  AF25 配备的CNC带放电专家系统（BES）以及EASYCUT脉冲电源带超细加工单元及反电解加工单元则能很好的解决此矛盾。 ONA  AF25 配备矿物质免维护过滤系统时，能长期恒定保持电解液的清洁度达到1μm的效果能避免二次放电，不但能有效改善白亮层的厚度，更能有效的提高加工速度。在100%的保护表面完整性的同时，使得切割速度达到450mm2/min。电子行业典型的连续冲裁模。其工作条件为：

　　□ 20工位；

　　□ 2000冲程/min；

　　□ “0”间隙；

　　□ 0.75mm不锈钢/或镀镍材料；

　　在采用ONA 线切割之前，其模具寿命在4000～5000万次。而应用ONA的慢走丝线切割机，在BES系统及反电解加工单元，矿物质过滤系统的配合下，经过1次粗切，及3次精切，刃口表面粗糙度达到Ra0.4μm。线切割后不需任何再次刃磨而直接使用，一方面减少了加工的周期，更重要的是避免了硬磨造成的刃口白亮层的再次产生。 对比试验的模具寿命可以有效提高到8000万次仍然正常工作。（注：本文为欧纳公司授权国际模协秘书长罗百辉发布）