硬质合金电火花加工工艺实验研究

脉 冲宽度 （ ） ｓ
用相对较大峰值 电流加工高速钢材料 ， 可获得较佳
２ ２ １ 峰值 电流 与表 面粗 糙度 的关系 ．． 的表 面粗糙 度 。 在图 ２ 、 ｄ ｅ中同样 可 以观察 到 工件 材 料 的再 凝 结现象 ， 硬质合 金与 高速钢不 同， 但 由于 其 熔 点 、
大值为 ０ ３ ， Ｐ＝ ．Ａ时， ．６ 当 ２０ 表面粗糙度 Ｒ 取得最 ａ
小值 为 ０ ３ 。对 照 式 １给 出 的 经 验 公 式 可 明显 看 ．２ 出 ， 实验 结果 反 映 出 的 变 化规 律 与 公 式 不 同。公 该 式 中表 面 粗 糙 度 应 随着 峰 值 电 流 的增 加 而 快 速 增 大 ， 实测结 果 表 明高 速钢 表 面 粗 糙 度 并 未显 著 增 但 加 ， 而 由 Ｐ＝０ ５ 反 ．Ａ到 Ｐ＝２ ０ ．Ａ时 ， 面 粗糙 度 略 表
１ Ａ时 ， 硬质合 金 材 料 获得 了最低 表 面粗 糙度 ， 高 而 速 钢材料 的表 面 粗糙 度 也 较 小 。因 此 ， 为获 得 模具
１常规 条件 下 的表 面粗糙 度经验 公式 已不再 适 ） 用， 工件 的表 面质 量 受 电蚀 产 物再 凝 结 现 象 的影 响
明显 。
高精度、 高硬度 、 高耐磨性和高耐腐蚀性 的要求ｎ 。 ］ 硬质合金因其 良好的物理力学性能和稳定的化学性 质在模具制造业 中应用 日趋广泛 ， 但其高硬度、 高耐 磨性 、 高脆性 以及较低抗拉 强度使得常规机械加工
方法 难 以正 常 进 行 ， 工 工 艺 性 很 差 ［ ］ 加 ２ 。而 电火
２ ２ 电火花 工 艺 实验 ．
ｉ ｅ —— 峰值电流 。 ｊ 从理论上分析 ， 工件材料 的性质也会对加工表 面粗糙度产生影 响。在熔点较高、 比热较大 的工件
收稿 日期 ： ０ １—１ ２１ ０—１ ７
电火 花加 工 中电规 准 的变 量及 取 值很 多 ， 据 根
式１ 可知， 所有 电规准 中对表面粗糙度与加工效率 影响最为显著的是放 电峰值 电流与脉冲宽度 ， 因此
增 大 而 明显 降低 。
貌， 直观分析高速钢和硬质合金材料的电火花加工
规 律异 常 的原 因 ， ２为两 种 材 料 在 不 同 电规 准 条 图
件 下 的扫描 电镜 照 片 。
一 ■ 一 ■ ■
ａ高速钢 （＝ ．Ａ ） Ｐ ０５ ） ｂ 高速钢（＝２０ ） Ｐ ．Ａ） ｃ高速钢（ ） 常规形貌） ｄ硬质合金（ ＝ ． Ａ ｅ ） Ｐ ０５ ） ） 硬质 合金（＝ ．Ａ Ｐ ２０ ）
对模具的制造过程而言， 首先需保证模具 的加 工精度 ， 在模具质量达到技术要求的前提下， 才能进
一
步提 高加 工效 率 。此 外 ， 由于加 工 中所 预 留 的余
花加工主要依靠放 电产生 的热能使工件材料熔化 、 气化， 而从工件基体上去除。硬度 、 进 强度 、 塑性等
机械性 能对 电加 工 过程 无 明显 影 响 ， 宜应 用该 方 适 法进 行硬 质合金 模具 的成 型加工 ＿ 。 ４ ］
廖 文 敏
（ ．河北联合大 学，河北 唐 山 ０ ３０ ；２ １ ６ ０９ ．北华航天 工业学院 教务处 ，河北 廊坊 ０ ５ ０ ） ６０ ０
摘
要 ：针 对硬 质合金模具 的加工表面精度要求 ，进行 了高速钢与硬 质合金 两种材料 的电火花加工 工艺对 照实
验 。为获得较低 的表 面粗糙度 ，选取 了较小 的电加工参数 。实验结果表 明 ，在该实 验条件下 ，电火 花加工 的表 面粗糙度不再满足常规条件下的经验公式 ，而与工件材料的再凝结特征、成分及 电蚀产物的排出条件有关 。 关键词 ：电火花加工 ；硬质合金 ；模具 中图分类号 ：Ｔ ５ Ｇ１５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ —７ ３ （０ １０ —０ １ —０ ６ ３ ９ ８ ２ １） ６ ０ ８ ３
图 ２ 工 件 表 面 形 貌
对比硬质合金与高速钢 的表面粗糙度值 ， 以 可 看 出硬质合金的表面粗糙度 明显大于高速钢 ， 这与 式 １ 所述的规律出现矛盾。因为根据理论分析当电 规准取值相同时 ， 热学常数较高的硬质合金材料的 放电加工表面粗糙度值应小于低熔点 、 低沸点的高
由 图 ２ 、 以看 出 ， ａｂ可 当采用 小 电规 准进 行 电火
１ 电火 花Ｊ － 的一 般规律 ｊｒ ｎ
量很小 ， 对于本研究 中设计的精密模具 ， 其关键部分 的双边余量仅为 ０５ ｍ。在这种情况下 ， ．ｍ 模具 的预
处理 和工艺辅 助 时 间在 制造 过 程 中 占很 大 比重 ， 电
火花加工效率的高低对模具制造周期的影响较小。
因此 ， 研究 的工 艺 实验 主 要针 对 模 具 加工 的表 面 本 粗糙度 进行 实验设 计 ， 电火 花 工艺 实 验 的条 件 如 表
材料 已经熔化 甚至气 化 ， 碳化 钨 尚未 完全熔 化 但
的情 况 。这 样 在 随 后 的 气 化 抛 出过 程 中 ， 量 未 大
熔 化 的碳 化钨 颗 粒 随气 流 排 出 。如 果 放 电 间 隙 较 小 ， 化钨 颗 粒 不 易 充 分排 出 ， 会 在 工 作 液 的 冷 碳 就
花加工时 ， 高速钢材料 的加工表面与常规情况存在
差 异 ， 再 由较 规 则 的放 电 产 生 的 凹坑 组 成 （ 图 不 如
２ 所示 ） ｃ 。在微细放 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ过程 中熔化 的工件材料 由于
一
１ — ９
２ １ 年 １ 月 ０１ ２
北华航天 工业学院学报
第 ２ 卷 １
速钢 。根据 前 面 的分 析 ， 这是 因为 两 种材 料 在 放 电
比高速 钢材料 更大 。
２ ２ ２ 脉冲 宽度 与表 面粗糙度 的关系 ．．
进 行 小 电规 准 的精 细 电火 花放 电加 工 时 ， 由于
其放电能量与放电间隙较小 ， 电蚀产物排出困难 ， 其
工件 的表 面粗糙 度与 常规条件 下 的情况具 有较 大差
异 。主要表 现为 ：
根据前面的表面峰值 电流单 因素实验 ， Ｐ＝ 在
由 图 １中可 以看 出 ， 当峰 值 电流 Ｐ≤２ 时 ， Ａ 其 对 高速 钢材 料 的加 工 表 面 粗 糙 度 的影 响较 小 ， 面 表
粗糙度 的变化曲线较为平直 ， 其测量值都在 ０ ３ ～ ．０
０ ４ 围 内 ， Ｐ＝０ ５ 时表 面粗 糙 度 Ｒ 取得 最 ．０范 在 ．Ａ ａ
应 该 主要 以放 电峰值 电流和脉 冲宽度 为变量设 计 实
作者简介 ： 廖文敏（ ９ ７ ， 师， １７ 一）工程 土家族 ， 湖北省恩施 市人 ，
研究方向 ： 模具制造 。
验， 寻求它们与表面粗糙度的关系。 采用表 ２中列出的电规准 ， 进行单 因素实验分
第 ６期
廖 文敏 ： 硬质合金电火花加工工艺实验研究
２１ 年 １ ０１ ２月
别研究峰值 电流 、 脉冲宽度对 电火花加工表 面粗糙
度 和加 工蚀 除率 的影 响规律 。
表 ２ 电 规 准 变 量 取 值
电规准
峰 值 电流 （ Ａ）
０． 、 ０、 ５、 ０ ５ １． １． ２． ０． １． ３． ６． １ ８ ８、 ６、 ２、 ４、 ２．
放 电间隙微小 、 抛出压力不足 ， 使其未能抛出而重新
凝结 、 覆盖 于被 加工 表面上 ， 减小 了凹坑深度 和 凸缘
高度 ， 从而降低 了工件 的表面粗糙 度。对 比 ａｂ两 、
图可发 现 ， 当峰 值 电流 较 大 时 ， 结 覆 盖 的作 用更 凝 强 ， 导致 了在微 细 电火花 条件 下加工 高速钢 时 ， 这 采
０ 引 言
材料上 ， 当脉冲能量不变时 ， 单个脉冲放电所形成的
电蚀坑 较小 ， 电火 花 加 工 的表 面粗 糙 度 要 比熔 点 低 的材 料好 ， 而加工 速度 也相应 下降 。
２ 电火花 工艺 实验 ２． 实验 条件 １
随着 制造业 中产 品 的精度 、 表面质 量 、 耐磨性 等 要求越 来越 严格 ， 各相 关 领 域对 模 具 的 制造 提 出 了
１ 示。 所
表 １ 电火花工艺实验条件
单个 脉 冲的能量是 对 电火花 加工表 面粗 糙度影
响最大的因素 ， 表面粗糙度与脉冲能量之间的关系，
一
般 可用 如下经 验公式 来表 示 ：
Ｒ一 ＝ ＫＲ 。 （） １
—
Ｒ一—— 实测 的表 面粗糙 度 ；
夏米尔成型机床
保持脉冲宽度 Ａ＝ ．ｐ 不变， ３２ｓ 逐渐改变峰值电
流 Ｐ 分别 取 Ｐ＝０ ５ １０ １５ ２０ 时 ， 紫铜 ， ．Ａ，．Ａ，．Ａ，．Ａ 对 和硬质合金 材料进行表 面粗糙度 实验 ， 到高 速钢 和 得 硬 质合金材 料的表 面粗糙 度 曲线 ， 如图 １ 所示 。
比热及热导率均较高 ， 内部组分（ 且 主要 为碳 化钨
第 ２ 卷第 ６ １ 期
２１年 ｌ ０１ ２月
北华航天工业学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮｏ ｔ ｈ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆＡｅ ｏ ｎ ｅ ｏ ｒ ａ ｒｈ Ｃ ｉａ Ｉ ｓｉ ｅ ｏ ｒ ｓ ａ ｏ ｕ
Ｖｏ ＿ １ ＮＯ ６ ｌ２ ．
Ｄｅ ２ １ ｅ． ０１
硬质 合金 电火花 加工工艺实验研究
峰 值 电流 Ｃ ） Ａ
却作用 下再 凝结 ， 凝 结 产 物 以粒 状形 态 出现 。 其
图 １ 峰 值 电 流 与 表 面 粗 糙 度 的关 系
与高速钢材料熔 化后 回填 电蚀 坑不 同 ， 由于粒状
凝 结 物 可 粘 附 在 工 件 表 面 任 意 位 置 ， 会 导 致 工 这 件 表 面粗 糙度 严 重 恶 化 。对 比两 种 电规 准 下 的 加 工表 面 上 硬 质 合 金 颗 粒 的粘 结 情 况 ， ｄ中 的 粘 图 结 现象 没 有 图 ｅ中严 重 。且 由 于 图 ｅ中所 采 用 的
峰值 电流较高 ， 其电蚀 坑较大 ， ｄ 图 所示表 面的粗
糙 度 比 图 ｅ中小 。
有减小。而对硬质合金 而言 ， 当峰值 电流 Ｐ在 ０ ５ ．
～
１０之 间 时 ， ． 随着 加 工 表 面 粗 糙 度 随 峰值 电流 的 通 过 扫 描 电镜 观 察 实 验 工 件 的 加 工 表 面 的形
电通道的持续 时间及峰值 电流的取值有关。可见 ， 改变脉冲宽度并不影 响单个放 电通道的持续时间，
对表 面粗糙 度 的影 响不 大 。
３ 结 语
完成后 ， 熔化 、 凝结过程出现了显著差异。高速钢表 面出现电蚀坑的回填凝结 ， 其表面粗糙度值降低 ； 而 硬质合金材料凝结时， 其形态 以小颗粒表面粘结为 主， 表面粗糙度值明显 升高。两者不同的变化趋势 导致热学常数较高的硬质合金其表面粗糙度值反而
与钴 ） 热 学 常 数 差 异 显 著 。如 碳 化 钨 的 熔 点 为 的 ２ ６ ＂ ， 点 为 ６ ０ ￣ 钴 的熔 点 为 １９ 沸 点 ８ ０１ 沸 ２ ０ ０Ｃ； ４ ５Ｃ， ｏ 为 ２７ ｏ ８ ０Ｃ。在 火 花 放 电 升 温 过 程 中 ， 必 出现 钴 势
掣
值 懈
加工的总体优化参数 ， 进行脉冲宽度单 因素实验时， 可以保持峰值电流 Ｐ １ ， ＝ Ａ 改变脉冲宽度 Ａ， 得到高
速 钢和硬 质合 金 的表 面 粗糙 度 和 蚀 除率 曲线 ， 图 如
３所示 。
２ 电蚀产物的成分、 ） 形态等因素对表面粗糙度
２ ＲＯＢＯＦＯＲＭ３１
紫铜
Ｗ１Ｃ ４ ０ ＤＭ ８ ｒＶ ＤＥＥ
Ｆ ＬＵＩ １ ０ Ｄ ０
Ｋ —— 与工具 电极 材 料 和工 件材 料 有 关 的 常
数；
因工件 材料 为 型材 ， 硬质 合 金 的规 格 为 １ ０×３
×３ ０ｍｍ 。 ３
ｔ ｅ —— 形成 一次放 电通道 的持 续时 间 ；