王 超，廉中旭，于 朋，許金凱

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

1 引言

燒結(jié)釹鐵硼永磁材料是使用粉末冶金工藝加工生產(chǎn)，這種工藝首先將熔煉的合金制成粉末，在磁場環(huán)境下壓制成壓胚，隨后將壓胚在極不活潑的惰性氣體中燒結(jié)從而達(dá)到致密化，最后可通過時(shí)效熱處而提高磁體的矯頑力。

目前釹鐵硼磁體在汽車產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，是釹鐵硼磁性材料應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一，汽車上使用的各類電動(dòng)機(jī)中，80%是稀土永磁電動(dòng)機(jī)，可以通過縮小電機(jī)使汽車整體降低質(zhì)量。而在電機(jī)領(lǐng)域釹鐵硼永磁體優(yōu)異的性能也發(fā)揮重要的作用，工業(yè)電機(jī)的通用設(shè)備耗電量高，但如果在通用設(shè)備中使用釹鐵硼永磁無鐵電機(jī)則可提高其運(yùn)行效率，節(jié)約電能。

而其優(yōu)良的性能，磁體的體積和質(zhì)量均可大幅度降低，保證輸出功率恒定[1]。

然而由于釹鐵硼永磁材料具有硬度高、脆性大、且本身所帶的磁性的特性，當(dāng)用傳統(tǒng)車削，銑削等加工方法其加工效率低，質(zhì)量差。國內(nèi)外針對(duì)加工該材料開展了不同的試驗(yàn)研究，其中文獻(xiàn)[2]以表面粗糙度和熔渣量做為衡量指標(biāo)利用激光切割加工燒結(jié)釹鐵硼磁性材料，并進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出了在激光加工燒結(jié)釹鐵硼過程中，脈沖寬度、頻率和電流等不同電參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[3]在電火花線切割對(duì)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料進(jìn)行加工的同時(shí)，分別利用車削、銑削等傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)于車削和銑削等傳統(tǒng)加工方式，電火花線切割加工燒結(jié)釹鐵硼永磁材料效率更高，工件質(zhì)量更好。文獻(xiàn)[7]則研究了電火花線切割加工的工藝參數(shù)對(duì)燒結(jié)釹鐵硼材料的材料去除率的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9]則利用常壓澆注與高壓噴液兩種供液方式對(duì)燒結(jié)釹鐵硼（NdFeB）永磁材料進(jìn)行了電火花線切割加工對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)高壓噴液方式較常壓澆注方式切割效率提高35.46%，絲損降低18.75%。文獻(xiàn)[4]則在電火花線切割加工的方式下，利用磁場輔助的方法來改善其加工性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)添加磁場輔助時(shí)被加工材料的材料去除率、表面精度等均有效地提高了。文獻(xiàn)[10-11]團(tuán)隊(duì)用磁場輔助的方式，研究了電火花線切割加工非磁性材料和磁性材料的過程，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用磁場輔助的方式可以使放電通道的形狀發(fā)生改變，并且可以使粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡延長，從而改善加工性能。綜上，國內(nèi)外學(xué)者通過研究得出相對(duì)于傳統(tǒng)加工方式，電火花線切割加工燒結(jié)釹鐵硼永磁材料具有高效率，質(zhì)量好等特點(diǎn)。推斷出了在磁場輔助下，電火花線切割加工的加工性能可得到顯著改善，但利用磁場輔助的方法是否能改善電火花線切割加工燒結(jié)釹鐵硼材料的效率和表面質(zhì)量研究尚且不足，所以提出運(yùn)用電火花線切割加工方式，結(jié)合外界磁場輔助對(duì)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料進(jìn)行加工試驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所采用的主要加工設(shè)備為HA400U型中走絲數(shù)控線切割機(jī)床，鉬絲直徑為0.25mm、工作液為比例1：40的JR3A乳化液，磁場輔助裝置。

2.2 加工示意圖

實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)磁場裝置，假設(shè)其加工過程中為勻強(qiáng)磁場，則加工示意圖，如圖1所示。

圖1 電火花線切割加工工件過程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Processing Process

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為燒結(jié)釹鐵硼材料，其主要成分為稀土釹（Nd）元素、稀土鐠（Pr）元素、鐵（Fe）元素和少量硼（B）元素[4]。

用于加工實(shí)驗(yàn)的燒結(jié)釹鐵硼首先按統(tǒng)一的電加工參數(shù)（脈沖寬度為16μs，峰值電流為3 檔位，脈沖間隔比為8 檔位，電壓為100V）。

通過電火花線切割預(yù)先加工成（40×10×12）mm 的長方體板材可以方便加工并且形成一致的加工基準(zhǔn)面，

3 正交實(shí)驗(yàn)

HA400U型中走絲數(shù)控線切割機(jī)床可調(diào)電參數(shù)多，不同加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度、材料去除率等工藝指標(biāo)的影響不同，實(shí)驗(yàn)可采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，是研究多水平多因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過正交實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到利用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)而得到實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)表面粗糙度、材料去除率等衡量指標(biāo)的影響[6-7]。此處選取電火花線切割加工中的脈沖寬度，脈沖間隔比，峰值電流三個(gè)重要電參數(shù)，其中脈沖間隔比為脈沖間隙與脈沖寬度之比，峰值電流（1～4）檔位，單脈沖峰值電流約為0.8 乘以2 的檔數(shù)乘以脈沖寬度，即Ipeak≈0.8*2I_max-1*Pul_on設(shè)計(jì)三水平三因素試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，其余參數(shù)包括絲速2檔，電壓100（V）。

為對(duì)比磁場輔助加工的效果，除正交實(shí)驗(yàn)的9組實(shí)驗(yàn)外，為了對(duì)比磁場輔助加工后是否有不同的效果，添加輔助磁場后，又進(jìn)行了9組有磁場輔助加工的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔比按正交實(shí)驗(yàn)表中相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行電火花線切割加工實(shí)驗(yàn)。工件在加工前利用超聲振動(dòng)清洗儀進(jìn)行清洗，以避免工件表面雜質(zhì)影響加工效率，而在加工后也要進(jìn)行清洗，避免影響后續(xù)的測量及觀測。每組參數(shù)切割尺寸為（10×18×2）mm的工件，并且記錄時(shí)間，以便計(jì)算材料去除率，并且采用型號(hào)為LD120的表面粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度，工藝指標(biāo)中材料去除率按單位時(shí)間內(nèi)加工的工件面積計(jì)算，計(jì)算公式，如式（1）所示。

MRR=s/t（1）

式中：s—加工面積，單位為mm2；t—加工時(shí)間，單位為s；MRR—材料去除率，單位為mm2/s。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 主要電參數(shù)對(duì)表面粗糙度及材料去除率的影響結(jié)果分析

測量未加磁場輔助的加工工件表面粗糙度并計(jì)算其材料去除率，記錄結(jié)果，如表1所示。

表1 無磁場輔助電火花線切割燒結(jié)釹鐵硼正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Orthogonal Experimental Results of NdFeB without Magnetic Field Assisted of WEDM

對(duì)表1數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析[6]得出，如表2、表3所示。從表2可以得出KA1＜KA3＜KA2，所以由極差分析可以判斷A因素中的優(yōu)水平為A1，同理可以確定B、C因素的優(yōu)水平分別為B1，C2，所以各個(gè)因素的最優(yōu)水平組合為A2B3C1，即當(dāng)脈沖寬度為16μs，脈沖間隔比為8，峰值電流為2檔位時(shí)，表面粗糙度最小。另通過極差值R的大小，可以判斷各因素對(duì)表面粗糙度的影響順序，所以根據(jù)RB＞RA＞RC，可以得出脈沖間隔對(duì)粗糙度影響最大。

表2 表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab.2 Analysis of Surface Roughness Results

表3 材料去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Analysis of the Removal Rate of the Material Results

從表3 可以得出KA1＜KA2＜KA3，所以由極差分析可以斷定A因素的優(yōu)水平為A1，同理可以確定B、C因素的優(yōu)水平分別為B1，C3，所以各個(gè)因素的最優(yōu)水平組合為A1B1C3，即當(dāng)脈沖寬度為16μs，脈沖間隔比為8，峰值電流為3 檔位時(shí)，材料去除率最優(yōu)。另通過極差值R的大小，可以判斷各因素對(duì)表面粗糙度的影響順序，所以根據(jù)RB＞RA＞RC，可以得出脈沖間隔比各因素對(duì)材料去除率影響最大。

4.2 磁場輔助對(duì)表面粗糙度（Ra）及材料去除率（MRR）影響結(jié)果分析

根究正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且其他條件不變，添加磁場輔助做另一組實(shí)驗(yàn)，按照前文公式計(jì)算材料去除率并且測量樣件表面粗糙度，記錄結(jié)果，如表4所示。

表4 磁場輔助電火花線切割燒結(jié)釹鐵硼正交試驗(yàn)驗(yàn)及無磁場輔助對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Field-Assisted WEDM Cutting Machining of NdFeB Orthogonal Experiment and Results without Magnetic Field

利用表4數(shù)據(jù)生成折線圖，以便更加直觀的對(duì)有無磁場時(shí)粗糙度與材料去除率的區(qū)別，如圖2、圖3所示。

圖3 有無磁場輔助時(shí)Ra結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of Ra Results with or without Magnetic Field Assistance

圖2 是有無磁場輔助時(shí)的9 組實(shí)驗(yàn)材料去除率MRR 的結(jié)果。從圖中可以觀察出，在其余電參數(shù)相同的加工條件下，有磁場輔助時(shí)加工的材料去除率MRR 相對(duì)于無磁場輔助加工時(shí)，均有明顯幅度增加。

通過材料去除率MRR的對(duì)比結(jié)果，在電火花線切割加工過程中，磁場輔助可以顯著的提高電火花線切割加工燒結(jié)釹鐵硼的材料去除率。

圖3 是有無磁場輔助時(shí)的9 組實(shí)驗(yàn)表面粗糙度Ra的結(jié)果。從圖中可以觀察出，在其余電參數(shù)相同的加工條件下，添加磁場輔助后被加工的工件表面粗糙度Ra相較于無磁場輔助時(shí)工件表面粗糙度均有所減小。表面粗糙度Ra的對(duì)比結(jié)果同樣說明，加工過程中，磁場輔助可以顯著提高電火花線切割加燒結(jié)釹鐵硼的表面質(zhì)量。

4.3 磁場輔助對(duì)表面微觀形貌及總能譜影響分析

使用型號(hào)為EV0 MA25的掃描電子顯微鏡對(duì)工件表面微觀形貌進(jìn)行觀察，并且做能譜分析，結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖4 不同表面的SEM對(duì)比圖Fig.4 Comparison of SEM Images of Different Surfaces

圖4是第1組和第8組參數(shù)加工的工件通過掃描電子顯微鏡得到的工件表面SEM圖。從圖中對(duì)比可看出，圖4（a）中的工件表面的電蝕坑尺寸要比圖4（c）的工件大得多，而且在高溫下熔融的金屬再結(jié)晶蝕除顆粒大部分附著在工件表面上、未加磁場輔助加工時(shí)工件表面產(chǎn)生的氣孔比加磁場輔助時(shí)加工工件的大且多。

這說明，在連續(xù)脈沖放電加工過程中，外界磁場輔助可以使電火花放電通道內(nèi)的電子更加集中且分布更均勻，并且可以利用磁場吸附作用來磁場避免氣化的蝕除物碎片再次液化結(jié)晶附著在工件表面，從而影響工件表面質(zhì)量，所以在磁場輔助下加工后的工件表面更均勻，加工后表面質(zhì)量更好。

圖4（b）、圖4（d）是圖4（a），圖4（c）中兩組工件放大3000 倍的表面SEM圖。

對(duì)比圖4（b）、圖4（d）可以發(fā)現(xiàn)，相同加工條件下，有磁場輔助加工時(shí)工件表面的裂紋比物磁場輔助加工的少，而且裂紋長度要比無磁場輔助的短。

圖5為不同加工條件下工件表面總能譜圖：從圖5（a）可以看出，未加磁場輔助利用電火花線切割加工后的燒結(jié)釹鐵硼中Fe與Nd的占比分別為46.2%和31.4%，由于Fe的熔點(diǎn)較高于Nd的熔點(diǎn)，所以經(jīng)過加工放電高溫熔化后的Fe更易重新凝固形成重鑄層，影響加工表面質(zhì)量，而圖5（b）中加磁場輔助加工的工件表面Fe與Nd的占比分比為34.9%和29.4%，可以看出較未加磁場輔助時(shí)Fe占比明顯下降，證明更多熔融的Fe通過磁場吸附而排除，從而使加工表面粗糙度等有明顯改善。

圖5 不同條件下工件面總能譜圖Fig.5 Total Energy Spectrum of the Workpiece Surface Under Different Conditions

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出電火花線切割主要電參數(shù)對(duì)被加工工件的表面粗糙度的最優(yōu)組合為脈沖間隔比8，脈沖寬度16μs，峰值電流2檔位，影響最大的為脈沖間隔比。而對(duì)被加工工件的材料去除率的最優(yōu)組合為脈沖間隔比8，脈沖寬度16μs，峰值電流為3檔位，影響最大因素為脈沖間隔。

（2）通過對(duì)有無磁場輔助時(shí)，工件表面粗糙度和材料去除率的變化，可以看出在磁場輔助下工件表面粗糙度及材料去除率得到明顯改善。

（3）通過掃描電子顯微鏡觀測有無磁場輔助時(shí)的工件表面，可以發(fā)現(xiàn)未加磁場輔助工件表面的顆粒、電蝕坑尺寸和氣孔要比加磁場輔助加工的工件大得多，并且工件表面的裂紋較少，這說明在相同加工條件下有磁場輔助時(shí)加工后表面質(zhì)量更好。

（4）通過有無磁場輔助加工的零件表面能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，其中Nd與Fe的元素占比發(fā)現(xiàn)明顯變化，其中在磁場輔助下更多熔融的Fe元素通過磁場吸附而排除，從而使加工表面粗糙度等有明顯改善。