不銹鋼表面加工特性研究

李云光

（沈陽瀚海凌舟不銹鋼有限公司，遼寧 沈陽 110000）

制造業是是國家經濟生產中的主要產業，生產加工技術是可持續生產和支持生產技術的要素[1]。諸如不銹鋼和鈦合金等具有良好機械性能以及卓越的抗腐蝕性能的材料隨著加工技術的發展被產品化[2]。因其特性，這些材料被應用于航天與兵工等尖端領域[3]。但由于傳統過程效率低、耐受性高、處理溫度高、工具磨損輕，因此有效地改變加工流程、減少材料處理時間、提高過加工效率和改善良品率進而降低產品成本是勢在必行的[4]。為此，提出了一種處理現代復雜材料的電處理方法。電處理是一種新的電子加工技術，作為一個非傳統的加工過程，可以處理導電材料，且對于材料電阻具有較強的適應性。專家們對弱電處理進行了大量研究，相關技術也較為成熟，但為了提高加工的效率，采用強電加工具有更好的效果，對強電處理的研究也成為了當前的熱點問題。

圖1 不銹鋼表面鏡面拋光

1 研究現狀

隨著新技術衍生出很多新型高性能、高強度材料，對于這些材料采用傳統的加工技術，已經難以滿足其生產要求，相反，由于工藝的落后，還會造成良品率的下降[5]，而且加工效率較低等因素也使得其良好的性能難以體現在實際的生產加工中[6]。為了找到一種有效、高效且成本較低的加工方法，業內專家共同努力，推出了強電弧加工這種手段[7]。該種加工手段主要用于導電材料的加工，作為一種新型的特種材料加工方法，需要具備一定的壓力條件，通過電極釋放的電弧來切削以及清潔材料的表面[8]。該技術的問世有效推動了新型材料的迭代推進速度，對于材料加工行業的產業轉型升級有著深遠的影響[9]。對于難以加工的高強度、高韌性材料，采用該技術加工具有較高的效率，具有極強的產業推廣價值與實用價值。填補了國內在材料加工領域的一項技術空白。同時采用強電弧加工技術，在環境保護方面也有著較小的壓力，不僅對于大氣環境污染較小且因其相對于傳統加工手段所產生的噪聲較小，對于參與施工的人員的健康傷害較小，對于加工場所的限制也較低，更有助于進一步降低尖端材料加工的成本。

2 不銹鋼強電弧加工原理

強電弧加工技術是指在一定壓力的水、氣混合介質作用下，利用工件與工具電極之間電弧放電產生的電腐蝕現象來去除多余的金屬或非金屬導電材料，使工件達到所需的尺寸、形狀以及一定表面質量的一種電加工方法。它是一種非接觸性強電加工技術，屬于特種加工電加工技術的領域，由于其加工方式的特殊性，比較適于加工超硬、超脆、熱敏感等難加工材料。加工時，不產生切削力，所以工件不會因變形而產生各類誤差。在加工系統中，通常將待加工工件與工具電極分別與電源的正負極相連，形成放電回路。且需要保證工具與工件間隔一段距離來保障非接觸。對工件形成的切削力極小，可認為是零。待加工工件在加工過程中低速轉動形成電極與工件的相對運動。通過高達1000A級的放電電流的熱效應對于工件表面進行熔化，并通過水氣混合介質使表面殘余物質被及時的清除出工件本體，實現對工件表面的加工。

技術特點

該項加工技術具有如下優勢：

（1）對于一般機床難以加工的特種材料，該技術通過極高的能量釋放實現高效切削，對于到導電的材料該技術具有較強的普適性；

（2）由于待加工工件與工具之間沒有機械上的直接接觸，而是通過電弧進行非接觸式的連通，其機械接觸和切削力可忽略，也因而可完全不考慮工件除導電性之外的其他物理性質；

（3）工具電極可根據實際情況進行選擇，制造方便成本低；

（4）加工效率高，單位時間清除廢棄材料的量可達傳統方法的百倍以上；

（5）加工介質成本低廉，可靠性高；

（6）環境污染小。

相應的，該項加工技術具有如下的缺點：

（1）由于電弧熔融廢棄材料難以做到毫米級的控制，因此該項技術適用于半精加工；

（2）由于加工過程中電流極強，用電安全需要有強效的保障機制。

3 不銹鋼表面質量的正交試驗與分析

作為半精加工手段，強電弧加工是后面進一步的加工的前提。保障強電弧加工的加工質量可以為后面的精加工工作提升效率和質量。通過對17-4PH型不銹鋼的正交試驗有助于分析強電弧加工質量的影響因子以及各自的重要性，以進行對工藝優化多維度的分析。

3.1 表面粗糙度影響因素

諸如硬化層和裂紋等表面缺陷會不可避免的出現在強電弧加工處理后的工件表面。即使這些表面缺陷很細微，其對后續加工和工件的使用也有著較大的負面影響。由于當前的工業化生產中采用的機器設備日益精密化，對部件、零件的精密度要求也日益增高。采用不達標的部件會使得相關的零部件加速老化，甚至影響設備的性能與壽命。而在這其中，零件的老化或損壞均始于表面的劣化，不夠光潔、有缺陷的表面會使得所生產的工件由外而內的加速損壞，因此提高加工工件質量要從半精加工階段就開始著手。

工件表面質量不是一個單維度的問題，可對其造成影響的因子眾多，共同作用，復雜性較高，分析難度較大。但為了簡化該問題，可將影響因素歸結為兩個大類，分別是幾何類因素和物理類因素。

（1）幾何影響因素：這個類型的影響主要是因為加工刀具與不夠光滑的工件表面接觸時產生的運動畸變所致，工件表面會產生不平整。

（2）物理因素：這個類型的因素主要是加工工藝以及材料上的一些影響因素。

由于加工的工件通常是成分較為復雜的合金，其內部各成分的含量不夠穩定、成分分布不夠均勻或者純度不足均可引起在強電弧加工過程中的工藝執行參數的浮動，進而使得加工后的工件表面成分分布不規則，體現在宏觀上就是工件表面粗糙度上升；

精加工階段，刀具的切削速度應當根據不同材料的剛度進行適當的調整，且在合理的范圍內提高刀具的切削速度可以提高加工后工件的表面光滑度；

工件的給進量會對工件表面的粗糙度造成影響，理論上越小的給進量會使得加工精細度越高，但也不能過小，這個給進量具有一個臨界狀態，超過此臨界值后，反而使得工件的加工效果劣化。同時考慮到實際的生產效率，需要根據加工材料的成分以及工件尺寸適當調整工件的給進量。

3.2 正交試驗設計分析及方法介紹

作為統計數學方法的分支，正交試驗常用于工業生產中對工藝流程以及執行參數的優化設計。通過正交試驗，可最大程度的減少試驗時間和試錯的次數，以最小代價完成優化方案的設計工作。

正交試驗的要素共有5項，具體描述如下：

（1）試驗指標：簡稱指標，作為與試驗目的相對應的要素，是考察試驗效果的標度。具體來說，若本次試驗的目標是提高加工的效率，那么加工效率就是該試驗的試驗指標。按照指標的呈現形式可分為定性和定量兩大類。定量指標是比定性指標更加量化的指標，可通過定性指標評級轉化而來，以使得試驗的結果更加清晰化、數據化。

（2）試驗因素：即能夠影響到試驗指標的結果的要素，通常使用大寫字母表示。按照因素對于試驗指標影響的控制程度分為可控因素與不可能因素。前者是指可按照試驗的目的，人為通過修改部分參數、流程來進行可控調整的因素；后者則是只無法通過技術手段進行人工干預使結果向著期望方向發展的因素。試驗的設計中，應選擇可控因素評定因素水平，同時保持不可控因素的水平一致，降低其影響以免造成對試驗指標不可預估的影響。

（3）因素水平：不同狀態下試驗因素的量化數值，按照該因素可取值的數量，若該因素具有個可能取值，該因素可稱為水平因素。

（4）組合處理：對于諸多試驗因素逐一按不同情形進行組合，所能夠構成的全部試驗。

（5）交互作用：不同因素水平的不同試驗因素相互組合后形成對試驗指標的共同影響。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗準備

本次試驗的主要目的是通過對17-4PH型不銹鋼材料進行強電弧加工。所選定的三個可控試驗因素為放電間隙(A)、工件轉速(B)和電壓(C)對于試驗指標表面加工質量的影響，同時在試驗中保證不可控因素加工介質不發生改變，來保障其不會對試驗的指標造成明顯的影響。試驗的輸出是對各個因素影響水平的綜合評價。

4.2 確定因素水平表

強電弧加工不銹鋼17-4PH的因素水平見下圖2所示，試驗結果如圖3所示。

圖 1 17-4PH型不銹鋼表面加工因素水平表

圖2 17-4PH型不銹鋼表面加工正交試驗結果

通過對極端條件的對比分析的方法，17-4PH型不銹鋼材料在強電弧加工表面加工中三個可控因素對于試驗指標（表面加工質量）的影響程度從小到大依次是工件轉速(B)、放電間隙(A)和電源電壓(C)；按照每個可控因素的因素水平分析，最佳的方案選擇為A1、B2、C1。

5 結論

本文針對不銹鋼表面加工問題進行了系統研究，介紹了對于不銹鋼這類難加工的材料的加工技術的研究現狀，并以強電弧。

本文以不銹鋼的強電弧加工技術為切入電，系統研究了新型的不銹鋼表面加工處理技術。并通過設計正交試驗對比分析了對17-4PH型不銹鋼表面加工質量造成影響的三大可控因素：放電間隙、工件轉速、電源電壓的因素水平，對每種因素對于試驗指標的影響進行了主次區分，并通過量化的方式評估了試驗組合處理中最優化的因素水平選擇方案。