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1、硬质合金材料去除机制 硬质合金材料去除机制 摘要摘要：气体介质电火花加工技术是一新型的电火花加工技术，超声振动气体介质 电火花加工技术就是在其基础上发展起来的一新技术。本文简要介绍了超声振动 气体介质电火花加工原理，通过观察硬质合金等硬脆材料加工表面，分析了加 工表面裂纹的形成、扩展机理，并对加工硬质合金等硬脆材料的蚀除机理进行了 研究。关键词关键词：超声振动，气体介质，电火花1.前言前言 气体介质电火花加工技术最早由日本东京农工大学国枝正典教授于1977 年 提出，打破了传统的“绝缘性的工作液是电火花加工过程中不可缺少的介质”的 观点。当前，电火花加工总的发展趋势是无污染、绿色电火花加工技术
2、，气体介 质电火花加工摒弃了工作液介质，是一新的绿色电火花加工技术。图 2UEDM 车床气体结构与工具电极超声波振动（1）脉冲功率（2）床身（3）超声波发生器（4）压缩机（5）启闭（6）超 声换能器（7）工具电极（8）工作台 超声振动气体介质电火花加工技术是在气体介质电火花加工技术上发展 起来的一新的复合加工技术。其加工原理如图1 所示：加工过程采用薄壁管状工 具电极，电极内孔通以高压气体介质，工具电极做旋转运动的同时，工件或者工 具电极在超声变幅杆的作用下进行超声频振动。脉冲放电产生的瞬时高温使工件 电极表面材料局部熔化、气化。高压气体介质能够去除并排出熔融的工件材料，同时起到冷却放电间隙以
3、及恢复极间的绝缘状态的作用。超声振动可以改善间隙 放电状态、放电通道状态，减少短路和拉弧等现象的发生。本文以加工硬质合金和NdFeB材料为例，简述了加工表面微观裂纹的形成机 制以及裂纹扩展的原因，并分析了气体介质电火花加工硬脆材料蚀除机理。2、实验条件实验条件 相关的实验设备，旨在研究技术气体 UEDM。该设备是专门设计气体 UEDM，（1）放电功率：输出电压范围是从100V到300V，最大输出电流为40A。（2）气体介质：高压空气，由普通空气压缩机产生，最高输出压力为0.5Pa。（3）超声波的振动频率：20kHz。（4）超声振动的振幅：12um。讨论实验结果表明，超声振动时，材料去除率（MR
4、R的）可以大大增加表1YT15硬质合金的成分、物理性质、化学性质、密度（g/cm3）、硬度（HRA）和 导热系数（W/MK）。图3 气体和超声振动辅助气体中电火花加工中的传统电火花加工的材料去除率 比较3、结果与讨论结果与讨论 图2硬质合金加工表面微观照片 图2为超声振动气体介质电火花加工硬质合金加工表面SEM照片。和传统电 火花加工相似气体介质电火花加工表面密布着大量突起和凹坑，突起和凹坑之间 呈现流动形状。这种形貌的形成是与电火花加工表面的形成过程相关的。放电过 程的瞬时高温使表面金属熔化，一部分熔融金属在超声振动、气流的共同作用下 抛离电极表面，留下一个个放电而形成的小凹坑，高压气流以及
5、超声振动使凹坑 凸边平滑，形成光滑圆角，呈现流动形状。电火花加工表面就是由这样的无数放 电凹坑的叠加形成的。图 3 硬质合金截面加工 UEDM 气体 图3为超声振动气体介质电火花加工硬质合金加工表面SEM照片。我们可以 看出，加工重铸层薄，且分布有许多气孔。这是加工过程中气体介质溶于熔融液 滴后重新凝固的结果。图 4 硬质合金截面上的微裂纹加工气体由 UEDM超声振动气体介质电火花复合加工硬脆材料表面不可避免地存在显微裂 纹，如图5所示。加工表面SEM照片显示，显微裂纹以脆性开裂为特征，表面裂纹 呈辐射状或者网状；剖面裂纹有横向和纵向两种情况，有的裂纹深入到了基体材 料。剖面横向裂纹的存在能够
6、阻止纵向裂纹向基体扩展，如图4所示。脉冲放电结束后，放电通道便停止加热工件表面，加热区工件表面温度约以 十万到一亿k|s的速度冷却。在连续脉冲的作用下，电火花加工表面受到放电时 的骤冷骤热作用，在温度梯度的作用下，加工表面便形成了热应力分布。当放电 区域表层冷却到一定程度时，局部区域的塑性变形便残留在电蚀区域表层内，形 成了表层内的残余应力分布。如果温度场引起的热应力达到材料的屈服极限，在 材料的局部区域产生塑性变形，塑性区主要承受残余拉应力，如图所示。在表面附近，由于裂纹多发和裂纹尖端应力集中所造成的扩展，会产生应力松弛，导致表面最外层某一深度上形成具有某一应力峰值的应力分布。图 5 熔滴的
7、强度模型 排量之间的液滴和超声波振动节点可以表示为公式（2）超声振动辅助气体介 质电火花加工：速度方程和加速度方程，可以计算由下列公式：因此，一定的熔滴的最大加速度表现为 下降的最大惯性力 一个单脉冲量，可以计算出公式（7）和剖面模型如图 7。因此，可以计算出最 大惯性力其中f 是频率的超声振动，一个是超声波振动幅度，D 是直径和H 是深度。液 滴的表面张力可忽视由公式（张等，1996）。（8）其中M是的金属密度，TM是金属的熔点，C1是密度调整系数和C2是熔点调 整系数。很明显，在超声波振动引起的惯性力的作用下可以很容易得到溶化液。此外，电火花加工工件的表面上，可导致巨大的温度散热过程。大温
8、度梯度 ENTS 结果 大不均匀，可导致很高的热应力，于是导致工件材料的热膨胀。热应力和裂纹发 生超出了材料的张力强度。从图中可以看出。表面和截面上有许多裂纹。可分为 两类：横向裂缝和纵向裂缝，。此外，大多数水平裂缝定期相交于垂直裂缝。据悉，一些垂直裂缝通过重铸时在表面加工表面层上运行。在超声振动的材 料上通过横向和纵向裂缝导致分离。4.结论结论 超声振动辅助气体介质电火花加工技术具有工具电极简单，易于实现铣削加 工等特点。能够对硬质合金材料进行有效的加工，但加工表面也存在显微裂纹。裂纹的形成主要是由于电火花加工瞬态热冲击导致材料表面承受时变的应力，当 应力超过材料的屈服极限时所形成的，并且裂
9、纹容易扩展。加工表面裂纹直接影 响工件的机械性能，在生产中应选择合适的脉冲参数，尽量减少和避免加工表面 裂纹的产生。参参考文献考文献【1】Gasas,B.,Torres,Y.,Llanes,L.,2006.Fracture and fatigue behvior ofelectricaldischarge machined cemented carbides.International Journal ofRefractoryMetals&HardMaterials24,162167.【2】Ho,K.H.,Newman,S.T.,2003.State of the art electrical
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