EDM加工对模具表面完整性的影响

作者:本网编辑 文章来源:MM现代制造 点击数:473 发布时间:2010-07-05

 

 


图1  受热影响的子层面和二次沉积层

 

EDM加工工艺中,了解模腔各层面受热影响后的变化情况,将有助于客户了解EDM加工对模具表面完整性产生的影响。

保护模腔表面的完整性是EDM加工最关键的问题之一。模腔表面光洁度的完整性取决于EDM加工工艺中模腔各层面受热影响后的变化情况,其中包括电极与工件之间控制电荷的传输情况。在放电加工过程中,施加于工件上的电流将会使工件的金属熔化和汽化,在模腔上形成热变层。为了了解EDM加工对模具表面完整性产生的影响,必须要首先了解模腔各层面受热影响后的变化情况。EDM加工的电荷不但对工件金属的表面产生影响,而且对表面以下的各层面均有影响。

各层面的热变情况

受EDM加工工艺影响的各层面是指金属受热以后的变化区域。图1所示为金属受热以后的变化区域,这里由两层受热影响的材料组成:重铸层或白色层,以及热影响区。

白色层是指已经加热到熔点状态的金属层,但还不足以被排斥而熔入到缝隙之中,达到可以被介质液体冲刷走的程度。实际上,EDM加工工艺已经改变了这个金属层的金相结构和特点,因为在介质液体的冲刷过程中,会使这个即将熔化的金属层迅速冷却,然后在模腔上凝固,形成新的金属结构层。

这层金属包括一些性能优越的粒子,在被介质液体从缝隙中冲刷以前,就开始凝固,并再次沉积到模具表面之上。白色层与碳元素紧密地渗透结合在一起,使其金相结构发生变化,性能完全与基质材料不同。在EDM加工工艺中,当电极的碳氢化合物和介质液体分解以后,就会产生大量的碳元素;当材料处于熔融的状态下,碳元素就开始渗透到白色层之中。

 


图2  EDM加工前的基质材料成分分析,以及EDM加工后的白色层成分分析

 

图2所示为EDM加工前的基质材料成分分析,以及EDM加工后的白色层成分分析。从图中可以看出,EDM加工以后的碳元素成分要比EDM加工前基质材料中的碳元素成分高得多。

白色层底下是热影响区。这个区域的白色层受碳元素的影响极小,只达到热处理的效果,没有达到金属的熔点温度。在这一点上,热影响区仍保留母金属材料的金相结构,因为其吸收的温度还不足以达到改变结构的程度。在热影响区之下仍属于母材,这个区域未受到EDM加工工艺的影响。

 


图3  在白色层中形成的微小裂缝截面图

 

微小裂缝

模具制造商主要关心的问题是模具中出现的微小裂缝的数量。如图3所示,在白色层中,微小裂缝占据了绝对统治地位。如果这层厚度太厚,或者不通过更精密的EDM加工或抛光将其除去,那么在某些应用领域,这类微小的裂缝将会造成零件的过早损坏。而且这些裂缝的存在也会降低材料的抗腐蚀性能和耐疲劳性能。因此,在评价EDM加工技术的性能时,表面的完整性是一个首要的考虑因素,EDM加工的主要目标必须建立在这样的一个条件基础之上:即必须防止发生这种情况。

由EDM加工产生的微小裂缝是因为EDM加工周期中热应力所造成的。裂缝的深度有一部分可以通过EDM工艺控制,毫无疑问,当电火花密度增加时,白色层的深度也随之增加。这同样会使模腔中出现的裂缝数量和大小增加。显然,受EDM工艺影响的表面完整性也可以用今天的EDM电源技术进行控制。影响表面完整性的特殊参数包括电压、电流、时间和暂载率。这些参数是可以操作控制的,从而使粗加工、半精加工和精加工各阶段的效率和表面完整性的控制达到最佳。

由于EDM加工形成的白色层和产生的微小裂缝,因此可以说,白色层的深度与电火花能量的密度有着密切的关系。当电火花能量降低时,正如我们所看到的那样,从粗加工条件转换成精加工条件,白色层的深度也降低到合适而足够的深度,从而裂缝也随之减少。

 


图4  在EDM加工工艺中,电流和时间对表面光洁度的影响

 

工件的特性

电火花密度并不是影响表面完整性的惟一决定性因素。工件金属的导热率也是一个关键因素。与低导热率材料相比较,高导热率金属形成的白色层较小,微小裂缝也较少。

造成上述现象的原因是:较高导热率的材料表面能够散发较大的热能。在这种情况下,由于其具有较高的导热率和可延特性,铜合金材料受热影响的层面较薄,所产生的裂缝也比较少。与此相反,导热率较低的材料,如工具钢。其受热影响的层面较厚,所产生的裂缝也比较多,因为当材料中的热量散发到周围的区域前,电火花密度停留在火花区的时间较长。

烧蚀碳化物会产生另一个问题,因为这种材料很脆,比其他材料呈现出更高的热脆裂特性。有些人认为这种材料具有较高的导热性;然而,碳化物是由碳化钨或碳化硅颗粒与钴粘结剂粘结制成。正是因为这种粘结剂具有很高的导热率,因此这个区域极大地受到EDM工艺的影响,从而代替了碳化物本身。电火花的能量使得这种粘结剂分解,将碳化物的颗粒释放到缝隙之中。

表面光洁度及其完整性

表面光洁度与表面完整性是衡量模腔质量的两个不同因素,但这两项指标在模具的特性中都起着重要的作用。机床的参数对模腔子层面的完整性有很大的影响,它们对表面光洁度也同样有很大影响。图4所示为EDM加工工艺中,电流和时间对表面光洁度的影响。

所使用的电极材料类型则是另一个因素。就模腔次表面的完整性而言,电极的类型对其影响极小。对电极材料产生重要作用的是模腔表面本身的光洁度。模腔的表面光洁度是一个有机会降低生产成本和缩短交货时间的区域,而同时又能够提供优质的模具产品。采用精密EDM机床精加工的模具可以直接使用,而需要抛光或蚀刻加工的模具必然会因为执行这些加工操作而增加生产成本。精密EDM机床的精加工是通过采用高频EDM程序及低电流和短运行时间达到的。电极材料的质量与EDM程序需共同合作才能达到预期的结果。如果从这个方程式中取出EDM程序,那么模腔的表面将反映出模腔精加工过程中使用的电极材料的质量。

材料的粒度大小与其相应的孔径大小对材料能否产生精密的光洁度水平起着一个关键的作用。如果电极材料的结构不能产生特殊的表面光洁度效果,那么EDM机床将会继续运行,直到达到预期的表面光洁度为止。图5所示为同一加工参数条件下,两种不同材料所获得的表面光洁度。结构细密的材料,经EDM加工后的表面光洁度比较光滑,如要达到预期的表面光洁度效果,只需要做少量的抛光工作即可。

显微结构较差的电极材料,如粒度较大或粒度形状不规则的材料,其磨损程度将非常不均匀,也会造成模腔表面的不均匀。在多型腔模具中对这种情况的要求特别严格,因为所有型腔都需要有一致的表面光洁度。当使用石墨电极材料时,应特别注意,要保证所有电极的质量一致。因为来自不同厂商的石墨等级,会造成不同程度的磨损,因此EDM加工机床达不到特定编程的表面光洁度水平也是可能的。当模具的生产采用不同类型的电极材料或不同机床制造的时候,往往可以看到上述这种情况。

 

图5  在同样加工参数条件下的两种不同材料的表面光洁度

 

了解极限

表面光洁度和表面完整性是影响模具质量的两个主要方面,因此了解这些区域的极限是绝对必要的。虽然今天的EDM机床可利用机床本身自有的标准技术生产极精密的表面光洁度,但通常的做法是超越这些技术,以便使工艺达到最佳水平。

不了解如何计算白色层的深度,或者不知道电极材料会对EDM加工工艺产生怎样的影响,那么想要优化这个工艺,实际上可能会导致性能下降,或无法生产出优质的零件。

在即将出现的问题中,我们将要探讨如何计算热影响区的深度及如何优化EDM加工工艺,以便在不影响质量的条件下获得最高的生产效率