3J33C深窄槽电火花加工表面质量研究

李瑞，左敦稳，孙玉利,，朱力敏，谢春祥，唐思良

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016；2.上海航天控制技术研究所，上海 200233）

3J33C深窄槽电火花加工表面质量研究

李瑞1，左敦稳1，孙玉利1,2，朱力敏2，谢春祥2，唐思良2

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016；2.上海航天控制技术研究所，上海 200233）

针对3J33C深窄槽的加工难题，采用了电火花成形加工方法。通过正交试验研究了峰值电流、脉宽、脉间对窄槽表面粗糙度的影响；通过扫描电镜观察加工表面层，研究单脉冲放电能量对熔化层厚度、微裂纹的影响。结果表明：各因素对表面粗糙度影响的主次顺序依次为峰值电流、脉宽、脉间，且表面粗糙度值随着峰值电流、脉宽的增加而增大；随着单脉冲放电能量的增加，表面熔化层厚度增大，裂纹数目及宽度也随之变大。

电火花加工；表面粗糙度；残余应力；微观形貌

深窄槽由于其较大的深宽比，在实际加工中存在一定的难度。20世纪60年代初，电解加工在深孔、长键槽中开始得到应用[1]，但难以保证很高的尺寸及形状精度；而微细电火花线切割只适合加工通槽[2-3]。崔晶等[4]提出了一种自成形和扫描加工相结合的微细扁平电极制作及微细槽加工的工艺方法，加工出了深宽比＞18的阵列微细槽。

3J33C弹性合金作为马氏体时效钢的一种，广泛应用于航空、航天及军事等尖端领域[5]。目前，弹性合金零件的深窄槽结构多采用电火花成形加工，但针对其窄槽结构的电火花加工表面质量的研究还很缺乏。本文采用正交试验方法，研究了不同加工参数下3J33C弹性合金电火花加工深窄槽的表面粗糙度及微观形貌。

1 实验设备与方法

加工设备选用Agietron 2U型精密数控电火花成形机床。电极材料选用R8650等静压石墨，尺寸为8 mm×0.17 mm×3 mm。工作介质为Paraol 250火花电蚀机油。实验采用正极性加工，加工深度为2 mm，空载电压为2档。

选取峰值电流、脉宽、脉间3个因素，按L9（34）设计三因素三水平正交试验，因素水平设计见表1。

2 加工参数对槽表面粗糙度的影响

2.1 正交试验结果

试验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验结果及数据

2.2 试验结果极差分析

极差分析见表3。可看出，影响槽表面粗糙度的主次因素依次为峰值电流、脉宽、脉间，其优选组合为：峰值电流4档、脉宽11档、脉间25 μs。

表3 极差分析表

2.3 正交试验结果直观分析

由极差分析表可作出各因素对表面粗糙度的影响趋势图（图1）。可看出，表面粗糙度值随着峰值电流档位的增大而变大；脉宽档位越大，表面粗糙度值也越大。由于单个脉冲放电能量WM是由脉宽和峰值电流所决定的，即：

式中：Ut为放电间隙瞬时电压；It为瞬时放电电流；te为脉宽。

由式（1）可知，在电压一定时，放电电流和脉宽越大，则单个脉冲能量越大，所以单次放电金属蚀除量增大，放电坑深度增加，最终导致表面更粗糙。同时，增加脉冲间隔，会有足够的时间完成极间消电离及产物排出，从而提高加工精度；但脉间过大，将使加工变得不稳定，反而会使表面粗糙度恶化。

图1 各因素对表面粗糙度Ra的影响趋势

3 槽面微观形貌分析

电火花加工过程中，在火花放电产生瞬时高温和工作液快速冷却的作用下，材料表层会发生很大的变化，形成表面变质层，粗略地可将其分为熔化凝固层和热影响层。表面变质层的硬度一般比基体材料更高，但与基体结合不牢固，易剥落、磨损。同时，表面变质层形成时，受瞬时热胀冷缩作用会产生残余应力，且往往表现为残余拉应力。

下面将通过选取不同电加工参数下的槽面，研究熔化凝固层厚度及槽面裂纹的变化情况。

3.1 槽面变质层厚度分析

选取表2中试验1、5、9号3种加工参数下的样品进行检测。随着峰值电流和脉宽的依次增大，依据式（1）可知，单个脉冲放电能量会逐渐增加。

扫描电镜下各样品的熔化凝固层见图2。可看出，由于熔化凝固层是火花放电时工件材料快速熔化冷却后产生的，故与基材间有明显的曲面界线；火花放电形成的熔融层，层层叠加；随着脉冲放电能量的增加，熔化凝固层厚度逐渐增加，分别为16.2、24.9、30.7 μm，因此，选择较小的电参数，可有效降低熔化凝固层的厚度。

3.2 槽面裂纹分析

同样选取表2中试验1、5、9号3种加工参数下的样品，利用扫面电镜进行观察。从图3可看出，随着单个脉冲放电能量的增加，裂纹的数量及宽度都随之增加。这是因为当采用较大的电火花加工规准时，熔化凝固层和热影响层随之变厚，同时残余拉应力也增大，从而使裂纹的数量和大小都增加。

图2 不同电参数下的熔化凝固层厚度

图3 不同电参数下的裂纹形态

4 结论

（1）在3J33C弹性合金电火花深窄槽加工中，各加工参数对槽表面粗糙度的影响主次顺序依次为：峰值电流、脉宽、脉间，且较优的参数组合为峰值电流4档、脉宽11档、脉间25 μs。

（2）随着峰值电流、脉宽的增加，槽表面粗糙度值增大；合适的脉间值有利于降低表面粗糙度值。

（3）随着单脉冲放电能量的增加，熔化凝固层表面裂纹数目及裂纹宽度都随之增加；选择较小的电加工参数有利于减小熔化凝固层厚度和降低残余拉应力，从而改善裂纹情况。

[1]徐家文，王建业，田继安.21世纪初电解加工的发展和应用[J].电加工与模具，2008（6）：1-5.

[2]Beltrami I，Joseph C，Clavel R，et al.Micro-and nanoelectric-discharge machining[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1）：263-265.

[3]Chow H M，Yan B H，Huang F Y，et al.Study of added powder in kerosene for the micro-slit machining of titanium alloy using electro-discharge machining[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，101（1）：95-103.

[4]崔晶，李勇，熊英.一种高深宽比微细槽的电火花加工工艺[J].北京工业大学学报，2010（3）：289-293.

[5]姜越，尹钟大，朱景川，等.马氏体时效不锈钢的发展现状[J].特殊钢，2004，24（3）：1-5.

Study on Surface Quality of 3J33C Deep Narrow Slot Made by EDM

Li Rui1，Zuo Dunwen1，Sun Yuli1,2，Zhu Limin2，Xie chunxiang2，Tang Siliang2
（1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Shanghai Aerospace Control Technology Research Institute，Shanghai 200233，China）

To solve the manufacturing problem of 3J33C deep narrow slot，sink EDM was used.The influences on the surface roughness of narrow slot caused by peak current，pulse width and pulse interval were got by the orthogonal experiment.Using SEM to get the surface topography,the influences of single pulse energy on the thickness of re-melting layer and the distribution of microcracks were also studied.The results show that the order of influence on surface roughness from high to low is peak current，pulse width and pulse interval.The surface roughness increased with higher peak current and bigger pulse width.Along with the increase of pulse energy，the thickness of re-melting layer and the number and width of crack are also added.

EDM；surface roughness；residual stress；micro morphology

TG661

A

1009－279X（2014）05－0018-03

2014-05-16

李瑞，男，1991年生，硕士研究生。