梁懷南，劉志奇，陳東良，宋建麗，林乃明

(1.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2.北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100192；3.太原理工大學 新型碳材料研究所，山西 太原 030024)

電火花加工是在電介質(zhì)流體存在下，通過兩極之間產(chǎn)生的脈沖火花去除材料的加工方式[1]。電火花加工的方式有很多，其中包括電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削和電火花展成加工等，本文主要討論電火花成形(Electrical discharge molding，EDM)加工工藝，電火花成形加工是通過工具電極相對工件作進給運動而把成形電極表面的形狀尺寸復制到工件上的加工方法，其加工原理如圖1所示[2]。電火花成形加工不受其工件材料物理性能的影響。因此，可以加工各種導電材料和超硬金屬材料，其加工領域廣泛而全面[3]。電火花成形加工是一種非接觸式的加工過程，刀具和工件的線束不會妨礙加工過程，且這種加工不受機械推力、振動等影響。因此，電火花成形是一種在保證加工效率和最大限度的情況下提高材料去除率的同時保持良好表面的工藝[4]。此外，電火花成形加工還是基于電極表面數(shù)千個微放電到工件表面的加工過程，其每次微放電都會將少量金屬材料熔化，經(jīng)過多次重復放電加工至最終形狀，從而加工出具有微米級的復雜形狀[5]。

目前，在金屬材料表面上進行微模具的制造，通常是在其金屬材料表面形成各種復雜或簡單的微凹坑或微凸起形狀。大部分學者對微凹坑的制備方法研究相對較多，如光學表面加工法[6]、機械表面加工方法[7]、化學表面加工方法[8]、光刻—掩膜電解加工工藝[9]、超聲加工技術[10]等。但對于微凸起的制備方法研究相對較少，有一些加工方法能進行微凸起的制備，但都存在著各種缺點或一定的局限性。靳廣林等[11]利用脈沖激光在304不銹鋼表面上制備了微凸起陣列，研究了激光參數(shù)對微凸起形貌的影響規(guī)律，并進行了摩擦磨損試驗。結(jié)果表明，當脈沖能量大于1.5 J時，304不銹鋼表面微凸起開始消失，當脈沖個數(shù)從3到20變化時，對微凸起深度的影響最大，而輔助氣體主要影響微凸起的尺寸變化。相比普通試樣，微凸起表面摩擦因數(shù)更小，表現(xiàn)出更好的耐磨性。Hassan等[12]通過利用不同形狀和尺寸的模具沖頭，在304不銹鋼板上進行擠壓產(chǎn)生了高度為1 mm的微凸起形狀，并使用有限元方法進行工藝模擬，以研究凸出形狀和高度對起皺形成和片材強度的影響。結(jié)果表明，該技術有效地提高了鋼板強度和彎曲撓度，并降低了薄金屬板零件的失效風險。楊志偉等[13]先是利用精密電火花線切割技術在紫銅上制備了正方形、菱形和方錐形3種形狀的微凸起陣列電極，并利用電火花成形機在2Cr13鋼上制備了相對應的微凹坑形狀，得到的微凸起和微凹坑尺寸比設計尺寸略大，且表面粗糙度也略大。雖然這些方法能夠進行表面微凸起的制備，但通過電火花加工制備微凸起的方法還未見報道。

鑒于此，本文提出了一種制備壓印模具的新技術，利用電火花成形工藝在45鋼表面形成微凸起陣列，此時45鋼壓印模具表面的微凸起陣列在液壓機的作用下便可進行表面織構(gòu)的制備，其試驗過程如圖2所示。首先采用激光在石墨電極上制備出圓形微凹坑陣列，如圖2(a)所示。然后進行電火花成形加工試驗，如圖2(b)所示，在加工過程中石墨電極與45鋼處于非接觸狀態(tài)，兩者之間留有一定的間隙，石墨電極表面上最先凸起的部分進行脈沖放電。其次在煤油介質(zhì)中，脈沖放電瞬間在45鋼表面產(chǎn)生爆炸，將工件材料去除，如圖2(c)所示，如此反復的進行放電加工，便可將石墨電極表面的微凹坑反刻到45鋼表面，形成與之相對應的微凸起形狀，如圖2(d)所示，為壓印模具模型圖。因此，研究了電火花加工時的工藝參數(shù)對45鋼壓印模具表面性能的影響規(guī)律。

圖2 利用電火花成形工藝制備壓印模具的原理圖

1 試驗材料及方法

1.1 試樣制備

試驗材料采用45鋼基體，其主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為(0.42～0.50)C、(0.17～0.37)Si、(0.50～0.80)Mn、≤0.25Ni、≤0.035P、≤0.035S、≤0.25Cr，余量Fe。原45鋼毛坯為200 mm×200 mm×20 mm的塊狀料，經(jīng)HA400的數(shù)控電火花線切割機加工成尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的正方體試樣。電極材料選用石墨，是因其具有良好的力學性能、低的抗切削性、良好的耐熱性和高的脆性，有助于降低加工過程中的變形和振動，從而提高微工具電極的加工精度和效率[14]。此外，石墨材質(zhì)還具有優(yōu)異的導電性，能有效地減小電火花加工過程中由熱變形引起的尺寸誤差[15]。石墨電極的尺寸也為20 mm×20 mm×20 mm，利用X250CB型多功能銑磨鉆床在石墨電極上打出φ7 mm的盲孔，深度為10 mm，并用攻絲螺紋機攻出M8×1 mm的螺紋。45鋼和石墨電極試樣都分別用400、600、800、1000和1200號的SiC水砂紙依次打磨拋光，去除表面雜質(zhì)。

1.2 試驗方法

利用摩擦副表面織構(gòu)激光加工儀在石墨電極表面制備了9×9的圓形微凹坑陣列，其直徑分別為φ100、φ200和φ300 μm，間距都為1200 μm。激光加工工藝參數(shù)設置：加工速度為100 mm/s、激光功率為80%、激光頻率為20 kHz、加工次數(shù)為5次。采用某公司SE2型數(shù)控精密電火花成形機進行電火花成形試驗，功率為10 kW，送液泵容量為1.1 kVA，工作液選用煤油介質(zhì)。電火花成形試驗中加工工藝參數(shù)設置：脈沖寬度為13 μs，脈沖間隙為12 μs，加工電流分別為5.6、7.4、11.0和14.2 A。

采用HR-150A型洛氏顯微硬度計測量表面顯微硬度，對每個試樣測量 5 個點，求取平均值。表面粗糙度選用型號為JB-4C表面粗糙度測量儀進行測量，對每個試樣測量 5 次，求取平均值。試樣表面形貌選用型號為VHX-600E 超景深顯微鏡和掃描電鏡(JSM-6510)進行觀察。采用精度為0.01 mg的電子天平秤測量試樣電火花成形前后的質(zhì)量變化，分別計算45鋼基體的材料去除率和石墨電極的電極耗損率。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 石墨電極表面形貌

試驗中利用激光對石墨電極選取進行微凹坑的制備，圖3為石墨電極三維表面形貌。φ100、φ200、φ300 μm的圓形微凹坑的深度分別在270、180和210 μm左右。石墨電極表面均勻分布了圓形微凹坑陣列，其形貌和分布相對均勻，微凹坑周圍激光加工變形極小，且無毛刺現(xiàn)象。

圖3 石墨電極表面微凹坑的三維形貌

2.2 45鋼微凸起表面形貌

通過電火花成形工藝在45鋼基體上反刻出球冠狀微凸起陣列模具，其模具表面微凸起二維形貌如圖4 所示，在超景深顯微鏡放大50倍的情況下拍攝，其中圖4(a, b, c)分別為φ100、φ200和φ300 μm微凸起陣列二維形貌。

圖4 經(jīng)電火花成形后45鋼中微凸起二維形貌

為了對制造出的微凸起形貌有更深入地了解與分析，通過超景深顯微鏡和掃描電鏡對其單點進行拍攝與觀測。圖5、圖6和圖7分別為45鋼φ100、φ200和φ300 μm微凸起的表面形貌。其中圖5(a)、圖6(a)、圖7(a)中方框標記區(qū)域為圓形微凹坑對應的微凸起，箭頭所指部分為微凸起的測量數(shù)據(jù)，其直徑分別為φ104、φ195、φ306 μm左右，高度分別為350、300、310 μm左右。圖5(b)、圖6(b)和圖7(b)為對應的三維形貌。圖5(c,d)、圖6(c,d)和圖7(c,d)為掃描電鏡分別在50倍和200倍時對應的表面形貌，從圖5(c)、圖6(c)和圖7(c)可以清晰看到微凸起的存在，其微凸起周圍的組織顆粒分布相對均勻，從圖5(d)、圖6(d)和圖7(d)可以看出微凸起的表面很不規(guī)則且粗糙。圖6(d)中微凸起的表面相比圖5(d)組織顆粒明顯更大更粗糙。而圖7(d)與圖5(d)、圖6(d)相比，微凸起表面組織顆粒相對集中且粗糙，即加工的微凸起表面直徑越大，表面粗糙度越高。

圖5 45鋼φ100 μm微凸起的表面形貌

圖6 45鋼φ200 μm微凸起的表面形貌

圖7 45鋼φ300 μm微凸起的表面形貌

從以上對比可以看出，經(jīng)過電火花成形加工后，45鋼表面的微凸起直徑與石墨電極表面圓形微凹坑對應的直徑有較小的偏差。對于微凸起高度的偏差相對較大，這是由于在進行電火花成形加工時，加工程序選擇的深度為300 μm，在加上放電間隙在200 μm左右，最終導致微凸起的高度遠遠高于對應石墨電極圓形微凹坑的深度?？紤]到加工誤差與測量誤差的存在，利用電火花成形加工工藝可以將石墨電極表面的圓形微凹坑反刻到45鋼表面，形成相對應的圓形微凸起形貌。

2.3 顯微硬度

圖8為不同電火花加工電流下45鋼表面微凸起的顯微硬度。當電火花加工電流分別為5.6、7.4、11.0和14.2 A時，加工φ100 μm微凸起試樣對應的表面顯微硬度分別為26、28、31和33 HRC。同樣地，45鋼φ200 μm和φ300 μm微凸起對應的顯微硬度值分別為27、28、30和34 HRC，26、29、31和33 HRC。由圖8可知，未處理過的45鋼表面顯微硬度為20 HRC，經(jīng)過電火花加工處理過的試樣表面顯微硬度均得到了一定程度的提高。此外，隨著電火花加工電流的增加，表面顯微硬度也隨之增加，這是因為電流越大時，產(chǎn)生的局部溫度越高[16]。分析認為，經(jīng)電火花加工后的45鋼表面產(chǎn)生了凝固層和熱影響層的表面變化層，其中凝固層是工件表層材料在脈沖放電的瞬間高溫作用下熔化后未能拋出，在脈沖放電結(jié)束后迅速冷卻、凝固而保留下來的金屬層。由于急劇升溫和快速冷卻，該金屬層經(jīng)歷了一次奧氏體化和馬氏體的轉(zhuǎn)變，這相當于在45鋼表面層進行了快速淬火，晶粒細化，使得表面硬度提高。對于3種不同微凸起尺寸的模具試樣，經(jīng)過電火花成形處理后，試樣表面的顯微硬度均得到了一定的提高，這使得模具表面微凸起的抗壓性和使用壽命得到了很好的改善。

圖8 不同電火花加工電流下45鋼表面微凸起的顯微硬度

2.4 表面粗糙度

圖9為不同電火花加工電流下45鋼表面微凸起的表面粗糙度。對φ100 μm微凸起的試樣，當電火花加工電流分別為5.6、7.4、11.0和14.2 A時，表面粗糙度分別為6.25、7.71、8.93和11.27 μm。對φ200 μm和φ300 μm微凸起試樣，其對應的粗糙度值分別為6.37、7.93、9.15和11.90 μm，6.48、8.05、9.41和12.56 μm。由圖9可知，電火花加工前后試樣表面粗糙度變化較為明顯，未處理過的45鋼表面粗糙度為0.56 μm，經(jīng)電火花加工處理過的45鋼試樣表面粗糙度遠遠高于原始試樣，并隨著電火花加工電流的增大而增大。這是因為在電火花加工過程中，表面粗糙度是由加工表面的材料去除不當引起的，由于快速淬火導致熔融碎屑凝固，從而使得加工區(qū)提取材料不均勻[17]。當電火花加工電流增大時，脈沖能量也隨之增大，從加工區(qū)移除的材料塊就會在45鋼表面產(chǎn)生許多小凹坑，根據(jù)電火花加工參數(shù)與加工凹坑之間的關系[18]：

圖9 不同電火花加工電流下45鋼表面微凸起的表面粗糙度

(1)

式中：D為放電凹坑直徑，μm；H為放電凹坑深度，μm；H/D為0.1～0.2；Im為脈沖電流幅值；tk為放電持續(xù)時間；E為脈沖放電能量，J。根據(jù)式(1)可知，脈沖能量越大，產(chǎn)生的小凹坑越大越不均勻，使得45鋼表面粗糙度的較大。此外，模具表面粗糙度值明顯較高，最高的粗糙度值有12.56 μm，但相比于微凸起幾百微米的尺寸，模具在通過壓印制造表面織構(gòu)時，對其被壓工件表面幾乎不會有影響，試樣粗糙度在可接受范圍內(nèi)。

2.5 材料去除率和電極磨損率

在電火花加工中，除了脈沖寬度、脈沖間隙和加工電流等一些工藝參數(shù)的影響，材料去除率和電極耗損率是分別反映加工效率和加工精度的兩個重要響應。因此，本文還分析討論了加工電流對材料去除率和電極耗損率的影響。材料去除率(Material removal rate，MRR)即工件質(zhì)量變化與加工時間和材料密度的比值稱為材料去除率[19]，單位為mm3/min，如式(2)所示：

(2)

式中：Wga為工件材料加工前的質(zhì)量，g；Wgb為工件材料加工后的質(zhì)量，g；t為加工時間，min；ρ為工件密度，g/cm3。

電極耗損率(Electrode wear rate，EWR)即工具電極質(zhì)量變化與加工時間和電極密度的比值，又稱為刀具耗損率[20]，單位為mm3/min，如式(3)所示：

(3)

式中：Wda為工具電極加工前的質(zhì)量，g；Wdb為工具電極加工后的質(zhì)量，g。

圖10為45鋼MRR和石墨電極EWR的變化曲線，其中圖10(a～c)分別代表了φ100、φ200和φ300 μm微凸起和微凹坑試樣的MRR和EWR變化曲線。從圖10可以看出，當試樣微凹坑或微凸起直徑一定時，隨著加工電流的增大，MRR和EWR值也會隨之增大，對于MRR，當加工電流增大時，其電火花脈沖能量提高，工件表面的許多物質(zhì)被去除；對于EWR，隨著加工電流的增加，脈沖能量提高，放電溫度和間隙都變大，腐蝕作用大于保護作用，這將導致電極嚴重磨損。實際加工過程中發(fā)現(xiàn)當電流過低時，加工效率過低導致加工耗時過長。電流過大會導致電極損耗率過高，電極不可重復利用，且加工出試件的表面粗糙度也隨之增大。當電流為5.6 A時可滿足單件小批量生產(chǎn)要求，且加工出的試件表面質(zhì)量好。

圖10 45鋼MRR和石墨電極EWR的變化曲線

3 結(jié)論

1)利用激光制備了直徑為φ100、φ200和φ300 μm微凹坑陣列石墨電極，其深度分別在270、180和210 μm左右，并在45鋼表面進行了電火花成形復刻試驗，獲得了微凸起陣列形貌，其直徑分別為φ104、φ195、φ306 μm左右，高度分別為350、300、310 μm左右。45鋼表面的微凸起直徑與石墨電極表面微凹坑對應的直徑有較小的偏差，但高度的偏差相對較大。

2)與未處理過的45鋼相比，經(jīng)過電火花加工處理的試樣均表現(xiàn)出較高的表面顯微硬度和表面粗糙度，此外，隨著電火花加工電流的增加，其對應試樣的表面顯微硬度和表面粗糙度值也隨之增加。在電流為14.2 A時，φ200 μm微凸起試樣得到了最大顯微硬度，為34 HRC，同時，φ300 μm微凸起試樣得到了最大表面粗糙度值12.56 μm。

3)對于45鋼的MRR和石墨電極的EWR而言，當試樣微凹坑或微凸起直徑一定時，隨著加工電流的增大，MRR和EWR值也會隨之增大，會導致更多材料表面被去除，同時電極也將被嚴重腐蝕。