電火花加工表面質(zhì)量的變化及機(jī)理

電火花加工表面質(zhì)量的變化及機(jī)理

表面質(zhì)量也稱為表面完整性，是描述加工表面層中可能發(fā)生的各種變化及其對表面工作性能的指標(biāo)。它由加工表面微觀幾何特征和表面層物理性能變化組成。表面微觀幾何特征包括表面粗糙度、表面微觀形貌等技術(shù)指標(biāo),屬于外部加工效應(yīng);表面層物理性能變化包括表面層內(nèi)的殘余應(yīng)力、加工硬化、金相組織結(jié)構(gòu)及成分變化等技術(shù)指標(biāo),屬于內(nèi)部加工效應(yīng)。零件的表面質(zhì)量不僅對其本身使用性能(如裝配質(zhì)量、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性等)具有很大影響,也對整臺機(jī)器的可靠性、使用壽命等有重大的影響。在電火花加工過程中,零件表面在熱力、電動力、磁力、流體動力等綜合作用下,其表面微觀幾何特征和表面層物理性能均發(fā)生了變化,這些變化反映為表面粗糙度、表面變質(zhì)層的形成和表面機(jī)械性能的變化。在電火花加工過程中,如加工參數(shù)選擇不當(dāng),零件表面質(zhì)量就差,零件的使用性能和壽命就低。因此,研究電火花加工表面質(zhì)量的變化及變化機(jī)理,充分認(rèn)識加工過程中零件表面層的形成機(jī)理和表面層的性質(zhì),研究加工參數(shù)對表面層的影響,能最大程度地減小或消除不利影響,使加工的零件滿足設(shè)計(jì)和使用要求。由于新的測試設(shè)備的使用和測試技術(shù)手段的發(fā)展,人們對電火花加工表面質(zhì)量的研究不斷深入,已發(fā)展到亞表面層結(jié)構(gòu)。目前,研究的熱點(diǎn)主要集中以下3個(gè)方面。1殘余拉應(yīng)力是延長零件使用壽命的基本材料零件表面殘余應(yīng)力是影響零件疲勞強(qiáng)度的重要因素。一般而言,零件加工表面的殘余壓應(yīng)力的存在,會相應(yīng)提高零件疲勞強(qiáng)度,延長零件使用壽命;而零件加工表面的殘余拉應(yīng)力則會降低零件的疲勞強(qiáng)度,縮短零件使用壽命。另外,表面層內(nèi)的殘余拉應(yīng)力也是裂紋和微裂紋產(chǎn)生的根源,它的分布及擴(kuò)展趨勢也是裂紋和微裂紋的分布及擴(kuò)展趨勢。正因殘余應(yīng)力對零件的使用性能的影響較大,許多學(xué)者對電火花加工表面殘余應(yīng)力的形成機(jī)理、分布及擴(kuò)展趨勢進(jìn)行了深入的研究。1.1殘余應(yīng)力引起的熱應(yīng)力作用對電火花加工表面殘余應(yīng)力形成的機(jī)理,目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識,主要有兩種解釋:(1)溫度梯度理論:認(rèn)為電火花加工實(shí)質(zhì)上是劇烈的熱過程,在熱過程中產(chǎn)生大量的熱量,并通過熱傳導(dǎo)為主的方式擴(kuò)散到加工表面不同深度的部位,使加工表面變質(zhì)層的不同深度處的溫度不一致,即產(chǎn)生了溫度梯度。溫度梯度的出現(xiàn),引起了熱應(yīng)力。殘余熱應(yīng)力在加工結(jié)束后就轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻孀冑|(zhì)層內(nèi)的殘余應(yīng)力。(2)相變理論:認(rèn)為在電火花加工過程中,由于冷卻速度的不同造成了變質(zhì)層內(nèi)產(chǎn)生不同的金相組織,不同的金相組織產(chǎn)生的相變不一致,不一致的相變引起了不同的塑性變形,從而導(dǎo)致了表面變質(zhì)層內(nèi)殘余應(yīng)力的出現(xiàn)。Bülen等指出:殘余應(yīng)力實(shí)質(zhì)上是在無外界負(fù)載、材料內(nèi)外部溫度一致的情況下,材料內(nèi)部自身產(chǎn)生的平衡應(yīng)力。當(dāng)材料內(nèi)外部溫度不一致時(shí),原有的平衡狀態(tài)被破壞,同時(shí)會產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)。電火花加工表面殘余應(yīng)力的形成也是由于內(nèi)外部溫度的變化而引起的金屬相組織熱脹冷縮造成的。文獻(xiàn)給出了金屬在塑性變形不一致時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機(jī)理。金屬在塑性變形時(shí),每部分的變形是不均勻的。當(dāng)外力除去后,變形度大的部分會阻礙相鄰或其下的變形度小的部分的彈性變形的完全恢復(fù)?；蛘哒f,變形度大的部分有優(yōu)先恢復(fù)原狀的能力,這樣就會阻止其他塑性變形部分(變形度小的部分)的彈性恢復(fù)能力。在電火花加工過程中,表面層熔融金屬迅速凝固并冷卻,由于其冷卻速度最快,收縮變形大,而其下的金屬組織的冷卻速度較慢,收縮變形小,這就使表面層的金屬具有優(yōu)先恢復(fù)其原狀的能力,即表面層的金屬受到拉應(yīng)力的作用,而其下的金屬的塑性恢復(fù)則受到表層金屬拉應(yīng)力的制約,表現(xiàn)為壓應(yīng)力,阻止了它自身的塑性恢復(fù)。這樣也就形成了新的殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)。而Vinod等研究表明:電火花加工時(shí),零件表面存在相當(dāng)大的溫度梯度,這種溫度梯度會相應(yīng)產(chǎn)生熱應(yīng)力。在電火花加工結(jié)束后,零件表面殘余熱應(yīng)力相應(yīng)轉(zhuǎn)化為殘余應(yīng)力,殘余熱應(yīng)力的大小也就決定了殘余應(yīng)力的大小。在溫度下降快的位置會產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力,而在溫度下降較慢的位置會產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。這樣也會在零件內(nèi)部形成新的殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)。GCusanelli等認(rèn)為:馬氏體不銹鋼W300的表面層中馬氏體相體積比奧氏體相體積大,馬氏體相收縮變形比奧氏體相收縮變形小,這樣就會在殘余奧氏體中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,而在馬氏體中會產(chǎn)生相應(yīng)的殘余壓應(yīng)力。1.2殘余應(yīng)力在熱影響層與再鑄層間的分布隨熱光譜分布的變化文獻(xiàn)指出:電火花加工表面出現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力一般存在在鑄層(也稱白層)中,殘余應(yīng)力的分布與所選加工參數(shù)、工件材料及其內(nèi)部組織有關(guān)。J.C.Reblo等研究了馬氏體鋼在不同的加工電流與脈寬的工藝參數(shù)下,殘余應(yīng)力在加工表面的分布及擴(kuò)展趨勢,得到了圖1所示的殘余應(yīng)力分布變化曲線。由圖1可知,殘余應(yīng)力在工件材料基體處最小(基本為零),并沿著熱影響層向再鑄層擴(kuò)展,在熱影響層與再鑄層交界處殘余應(yīng)力最大,然后慢慢減小至再鑄層外表面。這主要是因?yàn)楫?dāng)殘余應(yīng)力超過材料本身的斷裂強(qiáng)度后,會引起裂紋。而裂紋的產(chǎn)生實(shí)際上是應(yīng)力釋放的過程,這樣就會使再鑄層的殘余應(yīng)力減小。這也說明了殘余應(yīng)力出現(xiàn)的位置就是電火花加工引起熱裂紋的起源位置。同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也被G.Cusanelli等的研究所證實(shí)。G.Cusanelli等的研究結(jié)果表明,在熱影響層與再鑄層交界處的冷卻速度大約為108K/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于再鑄層最外表面處的冷卻速度(106K/s)。這也證實(shí)了在馬氏體不銹鋼中,電火花加工表面變質(zhì)層中的再鑄層與熱影響層處的收縮變形大,容易產(chǎn)生最大殘余應(yīng)力。Bülen等研究了奧氏體不銹鋼在不同的加工電流與脈寬的工藝參數(shù)下,殘余應(yīng)力在加工表面的分布及擴(kuò)展趨勢,得到了圖2所示的殘余應(yīng)力分布變化曲線。從圖2可看出,最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)的位置和加工參數(shù)的選擇有很大關(guān)系,合適的加工參數(shù)可使最大殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在再鑄層的最外表面而不是再鑄層內(nèi)部。最大殘余拉應(yīng)力達(dá)到了再鑄層中材料的拉伸強(qiáng)度后,就會引起微觀裂紋,微觀裂紋的產(chǎn)生,是殘余應(yīng)力釋放的過程,這樣,殘余應(yīng)力就會沿著熱影響層的方向減小,到達(dá)熱影響層時(shí),其值減小到零甚至變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。2金相組織的結(jié)構(gòu)研究表明,在電火花加工中,無論是采用精加工規(guī)準(zhǔn)還是粗加工規(guī)準(zhǔn),在加工表面變質(zhì)層中都會出現(xiàn)再鑄層,且由于先進(jìn)檢驗(yàn)設(shè)備(如掃描電鏡(SEM)、電子顯微鏡、X射線光譜分析儀、透射電鏡(TEM)等)的使用,人們對表面變質(zhì)層的研究已達(dá)到亞微米級,即深入到亞表面層結(jié)構(gòu),人們發(fā)現(xiàn)再鑄層中的亞層(子層)的金屬相組織結(jié)構(gòu)、相構(gòu)成及成分也會隨加工條件的變化而變化。GCusanelli等對馬氏體不銹鋼W300在不同的工藝參數(shù)下得到的亞表面變質(zhì)層進(jìn)行了研究,并利用電子顯微鏡、掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、X射線光譜分析儀分別對亞表面層中的相組織結(jié)構(gòu)、構(gòu)成及成分作了相應(yīng)的觀察和分析。圖3是用電子顯微鏡觀察到的電火花加工馬氏體不銹鋼W300的金相顯微鏡照片。從圖中可看出,在亞微米級上,再鑄層由一系列子層(亞層)組成,這些亞層(子層)的金相組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為柱狀、針狀和樹枝狀。他們認(rèn)為:亞層金相組織結(jié)構(gòu)形狀往往與冷卻速度有關(guān)。亞層金相組織結(jié)構(gòu)形狀的差異也表明了冷卻速度梯度的存在,且柱狀結(jié)構(gòu)尺寸直接與冷卻速度有關(guān),冷卻速度越快,亞層金相組織柱狀結(jié)構(gòu)尺寸越小。從圖3可看出,再鑄層與熱影響層界面處的亞層金相組織柱狀結(jié)構(gòu)尺寸比再鑄層最外表面處的亞層金相組織柱狀結(jié)構(gòu)尺寸小得多,這表明了再鑄層與熱影響層界面處的冷卻速度比再鑄層最外表面處的冷卻速度快得多,且通過對人工控制快速冷卻的金相組織的結(jié)構(gòu)尺寸大小與電火花加工得到的金相組織的結(jié)構(gòu)尺寸大小的比較分析,GCusanelli認(rèn)為再鑄層與熱影響層界面處的冷卻速度大約為108K/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于再鑄層最外表面處的冷卻速度(106K/s)。采用精加工規(guī)準(zhǔn)時(shí),再鑄層厚度僅為3μm左右,且其亞層金相組織結(jié)構(gòu)為柱狀;采用粗加工規(guī)準(zhǔn)時(shí),再鑄層厚度約為20～40μm,且其亞層金相組織結(jié)構(gòu)為柱狀、樹枝狀和針狀。圖4是用透射電鏡(TEM)觀察到的電火花加工馬氏體不銹鋼W300的金相顯微鏡照片。從圖中可看出,電火花加工后的表面變質(zhì)層相組織構(gòu)成發(fā)生了變化。熱影響層主要由板條狀回火馬氏體組成,其厚度隨加工參數(shù)的變化而變化。一般來講,當(dāng)加工電流一定時(shí),熱影響區(qū)的厚度會隨脈寬增大而加厚,熱影響區(qū)的厚度隨電流變化的規(guī)律不明顯。在再鑄層與熱影響層交界處主要是厚度約為500nm～5μm的柱狀結(jié)構(gòu)的殘余奧氏體,在殘余奧氏體中滲透了針狀的馬氏體,針狀馬氏體和板條狀馬氏體是熱影響區(qū)經(jīng)歷了不同的回火溫度而形成的不同結(jié)構(gòu)形狀的金相組織。再鑄層的最上面亞層則是由多種相組成,它們分別是ε相碳化物(a)、殘余奧氏體(b)、板條狀馬氏體(c)、鐵素體(d)(圖5),這些相成分也通過X射線光譜分析儀的分析得到了證實(shí)。再鑄層中這些相都處于亞穩(wěn)定狀態(tài),它們在再鑄層中的位置和比率會隨加工參數(shù)的改變而改變。3加工工藝參數(shù)對表面再鑄層平均厚度的影響由于電火花加工表面再鑄層里存在殘余拉應(yīng)力、微裂紋等缺陷,因此工件一般都需進(jìn)行后續(xù)的拋光,以獲得高質(zhì)量的工作表面。這樣,確定電火花加工表面再鑄層的平均厚度對選擇拋光工藝參數(shù)顯得相當(dāng)重要,進(jìn)而言之,利用加工參數(shù)來控制再鑄層的厚度就顯得相當(dāng)必要。因此,許多學(xué)者對電火花加工表面加工形貌、再鑄層平均厚度和加工參數(shù)三者之間的相互關(guān)系也進(jìn)行了研究。3.1石墨電極加工對鑄層平均厚度的影響早期的研究者對再鑄層平均厚度與電火花加工參數(shù)(如脈寬、電流、電極材料)之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究。他們認(rèn)為:再鑄層平均厚度會隨單個(gè)放電脈沖能量的增加而加大;在相同的放電加工規(guī)準(zhǔn)的條件下,使用銅電極加工時(shí)產(chǎn)生的再鑄層平均厚度要比使用石墨電極加工時(shí)產(chǎn)生的再鑄層平均厚度要大;再鑄層平均厚度隨脈沖放電時(shí)間的增加呈拋物線變化。然而,早期的研究只是定性地給出電火花加工參數(shù)對再鑄層平均厚度的影響,并沒有定量地給出加工參數(shù)對再鑄層平均厚度之間的關(guān)系式。H.Ramasawmy等經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,并經(jīng)非線性回歸分析,在文獻(xiàn)中給出了再鑄層平均厚度與電火花加工參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式:AWLT=148.5×I0.4×t0.26式中:AWLT為再鑄層平均厚度,μm;I為脈沖峰值電流,A;t為脈寬時(shí)間,μs。上面的經(jīng)驗(yàn)公式也表明:再鑄層平均厚度主要取決于峰值電流與脈寬,這主要是因?yàn)殡S著脈沖電流的增大與脈寬時(shí)間的延長,單個(gè)脈沖放電能量增大而使再鑄層平均厚度加大。3.2微觀表面形狀與加工參數(shù)之間的關(guān)系(1)加工參數(shù)與表面粗糙度ra的關(guān)系2D微觀表面形貌主要指電火花瞬時(shí)放電在加工表面上形成的凹坑,并以2D表面粗糙度Ra作為衡量2D微觀表面形貌的主要技術(shù)參數(shù)。Mamalis在文獻(xiàn)中給出了表面粗糙度Ra與加工參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式:合金鋼Ra=0.875×I0.356×t0.245亞共析鋼Ra=1.455×I0.267×t0.187式中:Ra為表面粗糙度,μm;I為脈沖峰值電流,A;t為脈寬時(shí)間,μs。但是,2D表面粗糙度參數(shù)本身并不穩(wěn)定,受外界因素影響較大,不能完整地反映電火花加工表面的真實(shí)情況,因此會給確定再鑄層的厚度帶來較大的誤差。(2)表面輪廓高度3D微觀表面形貌完整地代表了電火花加工表面層和亞表面層的真實(shí)形貌。H.Ramasawmy等在文獻(xiàn)中定義了3D微觀表面形貌參數(shù)Sa(表面輪廓高度算術(shù)平均值)、S5z(表面輪廓高度10點(diǎn)平均值)、Vvc(表面中心區(qū)域中空體積)、Sds(單位面積內(nèi)表面輪廓最高點(diǎn)個(gè)數(shù))。并通過大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù),進(jìn)行了非線性回歸分析,給出了3D微觀表面形貌參數(shù)與加工參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式(表1)。表1中,I為脈沖峰值電流,A;t為脈寬時(shí)間,μs。他們指出:3D微觀表面形貌參數(shù)值的大小主要取決于峰值電流和脈寬時(shí)間。這一點(diǎn)也被大量的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。3.33表面形貌參數(shù)的影響因素H.Ramasawmy等通過大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù),進(jìn)行了非線性回歸分析,給出了3D微觀表面形貌參數(shù)與再鑄層平均厚度的經(jīng)驗(yàn)公式(表2)。表2中,3D微觀表面形貌參數(shù)Sa、S5z的單位為μm;Sds的單位為mm-2;Vvc的單位為μm3·mm-2;AWLT(再鑄層平均厚度)單位為μm。通過對F值和回歸相關(guān)系數(shù)的分析,他們認(rèn)為:在3D微觀表面形貌參數(shù)與再鑄層平均厚度的經(jīng)驗(yàn)公式中,只有經(jīng)驗(yàn)公式AWLT=5014.8/(Sds)0.96是評價(jià)3D微觀表面形貌參數(shù)與再鑄層平均厚度之間關(guān)系的最合適的經(jīng)驗(yàn)公式。這主要是因?yàn)楸砻嫖⒂^形貌參數(shù)Sds和再鑄層平均厚度都與電火花加工電流及脈沖放電時(shí)間有著差不多的數(shù)量級關(guān)系,而脈寬時(shí)間、脈沖峰值電流對AWLT和其他3D微觀表面形貌參數(shù)的影響不在同一個(gè)數(shù)量級上。這樣,人們就可通過測量3D微觀表面形貌參數(shù)Sds來預(yù)測再鑄層的平均厚度。4工藝表面層冷卻機(jī)理通過對電火花加工表面質(zhì)量研究現(xiàn)狀及內(nèi)容的介紹可看出,電火花加工表面質(zhì)量研究還需不斷完善,有許多問題