電火花表面處理技術(shù)及其在模具中的應(yīng)用

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

摘 要：簡述了模具在產(chǎn)品制造業(yè)中的重要性及存在問題，介紹了電火花表面技術(shù)的強(qiáng)化層特性及其優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)突出電火花表面處理技術(shù)在模具強(qiáng)化和損傷修復(fù)中的應(yīng)用和重要意義，并展望了電火花表面處理技術(shù)在模具業(yè)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電火花;表面處理;模具;強(qiáng)化;損傷修復(fù)

模具工業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，同時(shí)也是一個(gè)國家制造業(yè)水平的重要體現(xiàn)。但是模具在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用時(shí)難免出現(xiàn)各種問題，如模具開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的尺寸誤差過大;模具制造時(shí)人為因素產(chǎn)生的劃擦;運(yùn)行中源于外界的復(fù)雜的載荷使模具表面產(chǎn)生的變形和斷裂，甚至表面失效破壞。這不僅使模具表面精度極度下降，還會對后期產(chǎn)品質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。對于上述棘手問題，若通過廠家前來維修、模具返廠、更換新模具來解決，既浪費(fèi)時(shí)間，造成重大損失，又可能會增大生產(chǎn)成本。所以如何提高模具的質(zhì)量、可靠性和模具使用壽命是模具研制和探索中的核心技術(shù)。

為改善和解決上述問題，對模具實(shí)施一定的表面處理技術(shù)是一種行之有效的重要途徑。而電火花表面處理技術(shù)[1～2]，既能改善模具表面質(zhì)量，提高硬度和表面耐性等性能[3]，又能修復(fù)模具表面磨損破壞部位，實(shí)現(xiàn)模具的“廢物再利用”，延長模具的生命全周期，使模具能夠再次投入生產(chǎn)，減小損失，大大提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 電火花表面技術(shù)

電火花表面技術(shù)，是利用脈沖電流瞬間放電產(chǎn)生的高能量密度電能，使電極材料和工件表面材料在高溫高壓下局部熔化，在工件表面相互熔滲擴(kuò)散，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而形成的具有優(yōu)良性能的合金化層。強(qiáng)化過程大致分為：高溫高壓下熔融材料發(fā)生物理化學(xué)冶金反應(yīng);熔融區(qū)基體材料和電極材料以及液體與固體界面的相互擴(kuò)散;溫度急劇升溫和快速冷卻使熔區(qū)發(fā)生奧氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變，細(xì)化晶粒，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。

對于強(qiáng)化層，它的特性與其他表面處理工藝有所區(qū)別。電火花強(qiáng)化層的表面形貌是由很多密集的增強(qiáng)相點(diǎn)和放電凹坑組成，這種結(jié)構(gòu)有利于提高表面耐磨性。強(qiáng)化層組織大致分為三層：強(qiáng)化電極和工件材料元素及氧化物、氮化物組成的表層;內(nèi)側(cè)是由電極材料熔滲擴(kuò)散到基體后，經(jīng)瞬間高溫淬火形成的擴(kuò)散層;再往里是基體組織。可見強(qiáng)化層的形成不是簡單的材料堆積和疊加，而是由電極、工件元素以及空氣電離粒子等發(fā)生劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)而重新合金化的結(jié)果。

2 電火花表面技術(shù)在模具上的應(yīng)用

生活中輕工產(chǎn)品、家用電器已有80%以上的零部件采用模具成型，其他如機(jī)械、電機(jī)、儀表等行業(yè)也占60%以上，同時(shí)模具的發(fā)展在很大程度上也決定著后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益及新產(chǎn)品的開發(fā)，所以模具在制造業(yè)中扮演著越來越關(guān)鍵的角色。而電火花處理技術(shù)對工件表面強(qiáng)化和損傷部位的修復(fù)操作方便，且成本低、能耗小，近年來來在模具領(lǐng)域應(yīng)用甚廣。如材料為Cr12的定子雙槽模的表面強(qiáng)化，工件材料是硅鋼片，強(qiáng)化部位是刃口內(nèi)側(cè)面，強(qiáng)化后根據(jù)尺寸配合進(jìn)行后處理。強(qiáng)化結(jié)果顯示，刃磨一次的使用壽命從原始的5萬次提高到20萬次，使用壽命提高3倍左右，耐磨性明顯改善。何水云等人對全順后立柱板進(jìn)行了電火花表面強(qiáng)化和修復(fù)[4]，減少模具拉傷狀況。張蓉對模具的磨損表面也做了相關(guān)研究[5]，針對不同的模具損壞提出了相應(yīng)的修復(fù)方案，如HYK6700型汽車底梁拉模的凹模凸緣和圓角部分，通過電火花放電修復(fù)，重新投入使用，且延長了使用壽命。另外，在對Cr12MoV鋼為材料制作的冷模具的棱邊磨損和劃痕表面修復(fù)和補(bǔ)焊[6]，以及采用電火花表面技術(shù)強(qiáng)化修復(fù)后的模芯方面也獲得較好的效果。

相比于其他表面處理技術(shù)如堆焊、PVD、CVD等等，電火花表面處理技術(shù)有以下獨(dú)特之處：

（1）應(yīng)用范圍廣，可適應(yīng)于眾多導(dǎo)電材料，以及可熔融金屬和陶瓷材料。

（2）易于實(shí)現(xiàn)自動化，在表面強(qiáng)化或修補(bǔ)的同時(shí)，不會產(chǎn)生噪聲、水等污染，是一種良好的環(huán)境友好型表面處理技術(shù)。

（3）可應(yīng)用在構(gòu)造復(fù)雜、裝卸不便的零部件的表面強(qiáng)化和磨損修復(fù)，如零件的內(nèi)孔、凹槽等部位。

（4）操作簡單，對需要強(qiáng)化的部位要求不高，僅僅簡單的前處理即可。對有些表面粗糙度要求不高的情況下，甚至可以不做處理。

（5）能量輸入低，瞬間的脈沖電流能量使強(qiáng)化區(qū)域局部熔化，熱影響區(qū)及變形較小，能保持基體的內(nèi)部力學(xué)性能，故對基體的影響甚微。

（6）冷卻凝固所需時(shí)間極短。電火花放電脈沖寬度比脈沖間隔大，放電產(chǎn)生熱量迅速擴(kuò)散到工件其它位置，所以熱量不會聚集在強(qiáng)化或修復(fù)部位，實(shí)現(xiàn)冷焊。

（7）強(qiáng)化層與基體的冶金相結(jié)合度較強(qiáng)，不易脫落和皸裂，明顯優(yōu)于其它處理技術(shù)。

（8）強(qiáng)化層組織細(xì)密，厚度均勻，一致性較好。

（9）電火花放電設(shè)備攜帶便捷。這對于大型笨重工件或裝卸困難的設(shè)備實(shí)施表面強(qiáng)化或在線表面修復(fù)尤為重要。

3 模具電火花表面技術(shù)發(fā)展前景

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各種新材料、新工藝和新技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)品功能的多樣化和結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜化，這就要求結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的模具與之相適應(yīng)。在一定程度上大力推動了模具朝著高精度、壽命長、制造周期短、低成本低以及中高檔方向迅速發(fā)展，使模具具有更為優(yōu)越的使用性能和價(jià)值。

電火花表面技術(shù)是以傳統(tǒng)處理方法為根基，繼續(xù)延伸和擴(kuò)展而成一種表面技術(shù)，具有多種技術(shù)、理論和方法的交叉性與綜合性。而模具電火花表面強(qiáng)化和修復(fù)是制造業(yè)節(jié)約成本和節(jié)能降耗的有效手段，通過改善傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)或者在其基礎(chǔ)上融合各種處理技術(shù)，開拓創(chuàng)新出更適宜提高現(xiàn)代模具性能的強(qiáng)化工藝方法，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約稀有金屬材料和降低能耗的目的。對于因尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致的錯誤加工以及運(yùn)作過程中出現(xiàn)的磨蝕，采用電火花技術(shù)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救和修復(fù)，可使報(bào)廢模具獲得再生，最大限度的減少經(jīng)濟(jì)損失，為企業(yè)和社會創(chuàng)造更大效益。鑒于電火花處理技術(shù)的易操作、低能耗和小成本等優(yōu)點(diǎn)，這種技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用前景將會越來越大，應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣。

4 結(jié)語

電火花表面強(qiáng)化技術(shù)對模具制造業(yè)的發(fā)展起到不可估量的作用。一是“防患于未然”，即通過這種處理技術(shù)，提高模具表面特性，延長其使用壽命;二是“亡羊補(bǔ)牢”，也就是對因生產(chǎn)超差、運(yùn)行磨損和源于惡劣工況影響導(dǎo)致的模具破壞進(jìn)行修復(fù)，使其投入再生產(chǎn)，延長模具生命全周期，最大挖掘產(chǎn)品的使用潛能，使其創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時(shí)也是積極響應(yīng)國家“節(jié)能降耗，大力倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的完美體現(xiàn)。迫于模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高要求以及制造業(yè)的不斷壯大，電火花表面處理技術(shù)在模

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具上的應(yīng)用也將得到進(jìn)一步推廣，同時(shí)在其他眾多領(lǐng)域也勢必得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[6]胡仲翔，楊軍偉，李強(qiáng).微區(qū)脈沖點(diǎn)焊技術(shù)用于模具修復(fù)[J]. 中國表面工程，2002（01）：21.

作者簡介：潘康（1987-），男，河南商丘人，碩士，研究方向：特種加工與精密制造。