保護(hù)模具型腔表面的完整性，是EDM工藝的一個(gè)重要方面。型腔表面光潔度的完整性，取決于EDM工藝中形成的熱蝕層，這其中包括了電極與工件之間發(fā)生的電火花轉(zhuǎn)移。而在這一轉(zhuǎn)移過(guò)程中，施加于工件上的電流會(huì)使金屬熔化和汽化，并在型腔內(nèi)形成熱蝕層。若要了解EDM對(duì)表面完整性的影響，必須首先了解型腔內(nèi)產(chǎn)生的不同熱蝕層。EDM影響的不僅是金屬的工作面，而且也包括其下層。
熱蝕層
受到EDM工藝影響的層面，被稱為金屬蝕變區(qū)。圖1所示的金屬蝕變區(qū)由兩個(gè)受到熱蝕的原料層構(gòu)成：再鑄層(或稱白層)和熱影響區(qū)。
圖1 各個(gè)熱影響層和再沉積層(該圖片由 Poco 石墨提供)
白層是由于表面雖被加熱至熔融狀態(tài)，但溫度并不足以使熔融物進(jìn)入沖模間隙并被沖洗掉而形成的。EDM工藝會(huì)改變這一層面的金相組織和其特性，這是因?yàn)樵搶邮窃跊_洗過(guò)程中，由無(wú)法去除的熔融金屬在絕緣液中迅速冷卻并在型腔中重新固化而形成的。
該層所包含的一些可去除的顆粒，卻在被沖洗出沖模間隙之前固化并重新沉積于表面。由于白層含有大量碳，因此其結(jié)構(gòu)明顯不同于基料。這一富碳層是由于EDM工藝中，電極和絕緣液中含有的烴類發(fā)生降解而形成的，并在材料處于熔融狀態(tài)時(shí)滲入白層。
圖2所示為采取EDM工藝前后，對(duì)基料的降解情況進(jìn)行的元素分析。它表明，實(shí)施EDM之后的碳含量明顯大于實(shí)施之前。
圖2采取EDM工藝前后，對(duì)基料的降解情況進(jìn)行的元素分析
白層以下為熱影響區(qū)。該層由于經(jīng)過(guò)熱處理，因此富含碳的白層對(duì)其影響甚微。但由于熱影響區(qū)未達(dá)到熔融溫度，不足以改變材料結(jié)構(gòu)，因此保留了母料中的金相組織。而熱影響區(qū)以下的原材料層不受EDM 工藝的影響。
微裂紋
模具中產(chǎn)生的大量微裂紋，一直是模具生產(chǎn)商非常關(guān)注的問(wèn)題。如圖3所示，白層中產(chǎn)生的微裂紋清晰可見(jiàn)。如果該層變得太厚，或未采用EDM精加工或拋光工藝將其去除，微裂紋就會(huì)在一些用途中導(dǎo)致部件過(guò)早損壞。此外，這些微裂紋也會(huì)降低材料的耐腐蝕和耐疲勞性能。所以，表面完整性應(yīng)成為評(píng)價(jià)EDM技術(shù)特性的首要因素，而該技術(shù)的主要目標(biāo)也是要建立可以克服該問(wèn)題的工藝條件。
圖3 橫截面上所看到的白層中的微裂紋
在EDM工藝周期中由于時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，導(dǎo)致了微裂紋的形成。其深度一定程度上取決于EDM程序的控制，而電火花強(qiáng)度的增大無(wú)疑會(huì)使白層變厚，并使型腔中的微裂紋數(shù)量增多、尺寸變大。很明顯，受EDM工藝影響的表面完整性如今可通過(guò)控制EDM的供電而予以控制。影響表面完整性的特定參數(shù)包括電壓、電流強(qiáng)度、時(shí)間效應(yīng)和占空比。通過(guò)控制這些參數(shù)，可以優(yōu)化工藝效率，并控制粗加工、半精加工和精加工階段的表面完整性。
由于EDM放電過(guò)程產(chǎn)生了白層和微裂紋，因此可以保守地認(rèn)為其厚度取決于電火花的能量強(qiáng)度。當(dāng)電火花能量減小時(shí)，我們就會(huì)看到在粗加工到精加工的工藝條件變化過(guò)程中，白層深度和微裂紋數(shù)量都逐漸減少了。
工件的特性
影響模具表面完整性，不僅包括電火花強(qiáng)度，而且也包括被加工金屬的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬，產(chǎn)生的白層通常比導(dǎo)熱系數(shù)低的要薄，而且微裂紋也少。
這一現(xiàn)象是由于高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬表面的能量耗散所致。據(jù)此，我們可以認(rèn)為銅合金的高導(dǎo)熱系數(shù)和韌性，會(huì)使熱影響區(qū)減小，產(chǎn)生的微裂紋減少。相反，在采用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料(如工具鋼)時(shí)，由于在原料將能量釋放到周圍區(qū)域之前，火花區(qū)的電火花強(qiáng)度仍將保持較長(zhǎng)時(shí)間，因此會(huì)產(chǎn)生較厚的熱影響層和較多的微裂紋。
燃燒的碳化物會(huì)帶來(lái)另一問(wèn)題，即模具材料會(huì)變得異常脆弱，且熱裂解程度高于其它材料。有些人認(rèn)為該材料的電導(dǎo)率高，但是含有碳化鎢或碳化硅顆粒的碳化物需要用鈷粘結(jié)劑進(jìn)行粘劑。正是這種具有高電導(dǎo)率的鈷粘結(jié)劑，成為EDM工藝的影響區(qū)域，而非碳化物本身。電火花產(chǎn)生的能量，會(huì)使粘結(jié)劑裂開，從而使碳化物顆粒掉入沖模間隙。
表面光潔度和完整性
作為表現(xiàn)型腔質(zhì)量的兩個(gè)不同因素，表面光潔度和表面完整性都是模具所具有的重要特性。影響型腔內(nèi)各個(gè)層面的機(jī)器參數(shù)，也同樣影響著表面光潔度。圖4 表明了EDM工藝中，電流強(qiáng)度和時(shí)間效應(yīng)對(duì)表面光潔度的影響。
圖4 EDM工藝中，電流強(qiáng)度和時(shí)間效應(yīng)對(duì)表面光潔度的影響
使用的電極材料是另一項(xiàng)影響因素。電極材料對(duì)型腔內(nèi)各層面的表面完整性影響很小，但卻對(duì)型腔表面的光潔度起著重要作用。通過(guò)改善型腔的表面光潔度，可以降低生產(chǎn)成本、交貨時(shí)間，并提供優(yōu)質(zhì)模具。經(jīng)過(guò)EDM精加工的模具，可以直接在儲(chǔ)罐外使用;而其它模具由于需要拋光或刻蝕，因而產(chǎn)生附加成本。采用高頻EDM程序，可以在電流強(qiáng)度低和時(shí)間效應(yīng)短的情況下進(jìn)行精加工。電極材料的質(zhì)量與EDM程序共同決定了加工效果。若不考慮EDM程序，則型腔的表面性能可反映出加工型腔的電極材料的質(zhì)量。
材料所含的顆粒尺寸及相應(yīng)的孔徑，對(duì)于其具有良好的表面光潔度非常重要。若由于電極材料的結(jié)構(gòu)而無(wú)法使模具具有特定的表面光潔度，則EDM設(shè)備在運(yùn)行時(shí)就永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到所期望的表面光潔度。
圖5中列出了兩種具有同樣機(jī)器參數(shù)的材料的表面光潔度。其中，具有良好結(jié)構(gòu)的材料擁有較光滑的表面，達(dá)到預(yù)期的加工效果也無(wú)須依賴拋光工藝。
圖5 兩種具有同樣機(jī)器參數(shù)的材料的表面光潔度
微觀結(jié)構(gòu)差的電極材料(如顆粒形狀大或不規(guī)則)，會(huì)由于不同程度的磨損而使開腔表面變得不均勻。由于多型腔模具中的型腔表面光潔度應(yīng)保持一致，因此這種情況對(duì)該模具變得尤為關(guān)鍵。若采用石墨電極材料，則應(yīng)嚴(yán)格確保所有電極的質(zhì)量一致。由于各個(gè)廠家提供的石墨牌號(hào)的耐磨損性不同，因此EDM設(shè)備有可能達(dá)不到程序設(shè)定的表面光潔度。這種情況，在用各種電極材料生產(chǎn)或用EDM設(shè)備制造模具時(shí)頗為常見(jiàn)。
局限性
由于表面光潔度和表面完整性影響了模具質(zhì)量，因此必須了解EDM在這兩個(gè)方面的局限性。盡管在當(dāng)今的EDM工藝中，能采用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行精密加工，然而在優(yōu)化工藝方面，常規(guī)手段還是壓倒了這些技術(shù)。
如果不知道如何計(jì)算白層厚度、不了解電極材料對(duì)EDM工藝的影響，那么對(duì)優(yōu)化工藝的嘗試可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)部件性能下降甚至毀壞。
