用电火花强化机对工件进行表面毛化处理

1　概述

　　在机械、汽车、电子、轻工等领域里，有大量的模具、工件的表面需要进行毛化处理（即在工件表面形成均匀密布的有一定深度的凹坑），该技术在汽车行业较早得到应用目前市场上出售的大量家用电器、电子器件的注塑件，大都采用了各种美观、适用的花纹图案（例如皮革纹、桔皮纹等），广义上讲也是一种毛化图案归纳其表面毛化加工方法，大体上分（1）电化学，化学方法；（2）喷丸法；（3）高能束流照射法；（4）电火花放电法毛化工件

2　电火花强化机工作原理

　　电火花强化机的工作原理如图1所示，电压经变压、整流后加到电极与工件之间与电火花机床不同的是：电极不是采用伺服进给，工件也不需要埋在工作液里由于振动器的作用，使工件与电极发生频繁接触，产生放电电容可控制每次放电的能量。

图1　金属电火花强化加工原理图

3　试验条件与试验结果

　　实验工件材料采用：45钢、A3钢，不锈钢（1Cr18Ni9Ti)。
　　电极材料分别采用：硬质合金（YG8）、高速钢(W18Cr4V)、高碳钢（T8）、黄铜。
　　工件材料的原始数据见表1。毛化后的质量指标之一是看粗糙度值R_a是否均匀。本实验对每一工艺参数下的毛化表面测量三处位置的R_a值，计算出R_a值的误差，并打印出毛化表面的微观几何形状。

表1

材料尺寸(长×宽×高)/mm粗糙度Ra值/μm硬度/HV4585×70×250.4386不锈钢90×50×30.2-A3120×100×30.4-

　　实验用强化机为：江苏海陵电器厂（苏州）生产的D9910A型电火花强化机。
　　测量仪器为：哈尔滨量具刃具厂生产的2201型表面粗糙检查记录仪;吴忠微型试验仪器厂生产的HX-1型显微硬度计。
　　实验结果如表2,基体（工件）材料为45钢。

表2

　1
I=1.7～2.0A2
I=1.0A～1.2A3
I=0.8A～1.0A4
I=0.4A～0.8A硬质合金2.21.72.01.82.02.41.82.52.22.02.42.7高速钢1.82.22.22.61.82.41.51.52.02.83.02.6高碳钢1.21.41.61.21.61.82.12.01.91.71.81.8黄铜1.11.51.21.51.51.21.41.31.51.41.71.3

　　毛化表面的质量可用凹坑深度的均匀性与分布的均匀性两项指标来评价前者用R_a的“相对误差值”表示，后者可由表面轮廓显示出来。
×100%,式中?为R_a的“绝对误差值”，代表被评价表面R_a平均值与实验R_a值之差x₀为R_a的平均值。ε值可作为评价Ra的均匀程度的参考，当ε<40%时，可认为符合毛化标准由表2得知，用高碳钢电极，2档时误差最大，R_a为：1.2μm，1.6μm,1.8μm,ε_man=(合格)。　

表3记录了在不锈钢板上毛化后的检测数据。

表3　基体（工件）为不锈钢

电源档位1234R_a/μm电极材料高碳钢1.41.41.51.21.41.41.41.41.11.41.31.1高速钢2.02.21.71.81.51.91.41.61.61.41.61.2硬质合金1.01.31.21.21.41.41.41.41.41.61.61.3黄铜1.61.61.51.61.61.51.71.61.71.61.51.4

　　表4是4种电极，电源的4种档位下，毛化A3钢板后在轮廓仪上检测的R_a数据。

表4

电源档位1234R_a/μm电极材料高碳钢1.21.21.01.11.21.21.21.61.41.41.51.6高速钢2.01.81.62.21.62.01.41.21.41.31.21.4硬质合金1.20.91.01.82.01.61.41.81.41.41.51.7黄铜1.41.51.41.31.51.31.71.61.41.41.41.4

　　由以上实验数据分析，用硬质合金、高速钢材料作为电极，毛化45号钢工件时，粗糙度值R_a较大，最高时R_a=3.0μm,而其余R_a值较小各档位不同时，反映出放电电流不同，放电能量不同，一般来讲，放电能量大，R_a值大，但有时没有明显的规律，个别数据甚至相反,说明手工操作时移动速度、压力、角度有误差尽管如此，R_a的相对误差仍然在40%以内，符合质量要求从表面轮廓曲线上看，波峰、波谷变化较为平稳、均匀，尖锐点较少，非常符合毛化钢板的期望结果

4　毛化后的显微硬度测量

　　电火花强化机工作时，工具电极在振动器带动下向工件运动，当间隙接近到一定距离时，会将间隙内的空气击穿，产生火花放电，当电极继续接近工件时，会产生瞬时短路电流，使该处继续加热由于工具、工件之间有适当的压力，使熔化了的材料相互粘结、扩散，形成熔渗层，产生了材料的转移、覆盖，这是与电火花加工表面的重要区别即除了毛化功能外，还有强化功能，达到综合加工的目的。
　　由于电火花强化层的厚度较薄（估计在0.10毫米以内），所以只能用显微硬度计测量，测量结果如表5。

表5　基体材质为45号钢

电源档位1234R_a/μm电极材料高碳钢196918361969171519691508133516061335150714171191高速钢101511911069112814181191106911281191126011281191硬质合金119114171335119110691260150711281191118511621126黄铜　　　　　　96511951015965875762

　　45号钢在毛化前的维氏硬度仅为HV=386,而经毛化、强化后显微硬度有显著提高尤其当采用硬质合金电极时，HV=1300～1900,这对模具来讲可显著提高其使用寿命对于一般工件，改变了表面的机械物理特性，达到了“外硬内韧”的效果

5　结论

　　采用电火花强化机毛化工件是一种较好的工艺方法，它具有如下特点；
　　1)电极制作简单、灵活本次实验采用直径为φ3的电极棒，可根据工件要求选择不同的电极材料
　　2)操作方便，工件不需要埋入工作液，手持工具，可以毛化用普通方法难以到达的部位
　　3）投资少、成本低，适合于小面积的表面毛化
　　4)不但毛化可以达到质量要求，而且还强化了工件，具有综合加工的技术效果。
　　但从实验过程与结果看，它仍存在不足由于是手工操作，均匀性、压力的大小不易控制，在同一个地方，加工时间也难以均匀这些问题可以采用一定措施加以解决，例如将工具放在具有恒定压力的机构上，采用机动进给方式（对面积大的工件的毛化尤其重要）等，会较好解决存在的问题。
　　注：本实验得到赵福令教授的指教，谨致谢意