微細(xì)電火花線切割與超精磨削加工表面摩擦性能比較

崔海 ，郭黎濱，張彬，陸喜文

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱，150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001)

隨著微機(jī)電系統(tǒng)的深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，微細(xì)電火花線切割加工技術(shù)(MWEDM)越來越受到人們的重視[1]。MWEDM以其較高的加工精度、加工效率和性價(jià)比用來加工微小復(fù)雜的三維零件，已經(jīng)成為微細(xì)加工領(lǐng)域重要的加工方法[2]。零件表面的微觀形貌在很大程度上影響著零件的摩擦磨損性能。由于MWEDM表面是由電極絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中與工件之間的微能量(小于35 μJ)隨機(jī)放電形成的，其形成機(jī)理與切削加工方法差別較大，所以，其微觀形貌特征有其固有的特點(diǎn)。潤(rùn)滑是降低摩擦副的摩擦阻力并減少材料磨損的主要措施[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)MWEDM的研究主要集中在加工設(shè)備的研制和工藝參數(shù)的優(yōu)化方面，對(duì)MWEDM加工表面所特有的微觀形貌研究較少，尤其是針對(duì)MWEDM 表面質(zhì)量和摩擦性能的應(yīng)用基礎(chǔ)研究尚未全面開展。因此，掌握 MWEDM 表面的摩擦磨損特性對(duì)提高零件的使用壽命和可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。本文作者結(jié)合 MWEDM 表面的微觀形貌特征，對(duì) MWEDM 表面在潤(rùn)滑條件下進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究，以探索 MWEDM 表面形貌與摩擦磨損行為之間的關(guān)系，并與超精磨削加工表面的摩擦磨損性能進(jìn)行比較，進(jìn)一步推動(dòng)MWEDM技術(shù)的研究和應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試件材料為 W18Cr4V高速工具鋼，材料經(jīng)熱處理后洛氏硬度為 63。選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT100 型微細(xì)電火花線切割機(jī)床加工，油基工作液，電極絲為直徑30 μm的鎢絲，走絲系統(tǒng)為往復(fù)雙向走絲，電源采用 RC脈沖電源。試件的長(zhǎng)×寬×厚為1 mm×1 mm×1.5 mm。由于MWEDM表面的微觀三維形貌與加工過程中的放電脈沖能量有關(guān)。因此，選擇6種不同的放電脈沖能量，比較其加工表面的摩擦磨損性能，如表1所示。

表1 微細(xì)電火花加工放電脈沖能量方案Table 1 Discharge pulse energy program of MWEDM

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)

采用自行研制的摩擦試驗(yàn)機(jī)和配套的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，上試件為微細(xì)1～6號(hào)試件和材料及熱處理狀態(tài)相同超精磨削加工試件(表面粗糙度Ra=0.4)，摩擦副下試件為超精磨削加工(Ra=0.2)試件。摩擦試驗(yàn)機(jī)利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)下試件在精密直線滑軌上與固定在夾緊塊上靜止的上試件做往復(fù)滑動(dòng)，試件之間為面接觸，往復(fù)行程為80 mm。試驗(yàn)機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

潤(rùn)滑油選擇黏度適中且氧化安定性、化學(xué)穩(wěn)定性和光安定性能出色的縫紉機(jī)油，運(yùn)動(dòng)黏度(50 ℃時(shí))為6～10 m2/s，密度為 0.85 g/cm3。

圖1 摩擦試驗(yàn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of friction tester

測(cè)試軟件系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)智能顯示儀表讀數(shù)、當(dāng)前摩擦力和摩擦因數(shù)等，并動(dòng)態(tài)顯示摩擦因數(shù)變化曲線。實(shí)驗(yàn)可以通過調(diào)速電機(jī)和加載砝碼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 0～200 r/min和微載荷0～1 N的調(diào)節(jié)。最終檢測(cè)采用美國(guó)ADE公司的 MicroXAM 型非接觸式表面形貌分析儀測(cè)量其三維表面形貌磨損體積，以磨痕深度來表征其磨損量；用JSM?6480型掃描電鏡和Dimension型原子力顯微鏡觀察磨痕的表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面形貌特征

MWEDM 的機(jī)理就是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能蝕除金屬。在高溫熔融和急劇冷卻作用下，加工表面的微觀形貌特征表現(xiàn)為無數(shù)個(gè)隨機(jī)分布的、圓滑的電蝕微凸峰和凹坑(如圖2(a)所示)，且大小較為均勻，沒有明顯的紋理方向，表現(xiàn)為各向同性。而超精磨削加工表面由于存在明顯的磨削刀痕(如圖 2(b)所示)，表面紋理方向明顯并呈周期性變化，波紋度也較大，呈各向異性[4]。二者微觀結(jié)構(gòu)存在很大不同。

圖2 掃描電鏡下加工表面形貌Fig.2 SEM morphologies of surfaces

2.2 表面支撐與液體滯留性能

在表面粗糙度測(cè)量中，支承面積率tp是用于表征表面微觀形狀特性的主要評(píng)定參數(shù)，可反映被測(cè)表面的表面性能。

根據(jù) MWEDM 表面形貌特性，原子力顯微鏡取樣面積為80 μm×80 μm，每個(gè)取樣面積內(nèi)至少包含3個(gè)峰或坑特征，選擇至少5個(gè)取樣，考慮表面峰的因素同時(shí)也為計(jì)算方便，把評(píng)定面積也確定為80 μm×80 μm，即掃描區(qū)域作為評(píng)定面積。

式中：tp為表面支撐面積率，SH為某截面高度H處的實(shí)體材料面積。計(jì)算不同水平截距下所對(duì)應(yīng)的tp，得到不同加工方法表面支撐面積率曲線，如圖3所示。

支承面積曲線分為峰頂區(qū)、核心區(qū)和谷底區(qū)3個(gè)區(qū)域[5?6]。由圖3可見：MWEDM表面支承面積曲線兩端變化率較小，中間部分(5%～80%)隨高度變化很快；超精磨削加工表面的支承面積曲線整體表現(xiàn)為隨高度均勻變化的趨勢(shì)。MWEDM表面支承面積曲線線性區(qū)斜率比超精磨削加工表面的支承面積曲線斜率都大，中心區(qū)高度越小，說明中心區(qū)支承率增長(zhǎng)越快，在同一高度水平上支承面積大，相同條件下MWEDM表面支承性越好，在工作壽命期內(nèi)的磨損越小。

圖3 不同加工表面的支承面積率曲線圖Fig.3 Bearing area curves of different machined surfaces

在峰頂區(qū)，MWEDM表面支承面積隨高度變化較慢，這是由于初始階段只有少數(shù)凸峰進(jìn)入接觸狀態(tài)，當(dāng)所有凸峰都進(jìn)入接觸狀態(tài)后，MWEDM表面支承面積隨著高度穩(wěn)定變化；對(duì)于超精磨削加工表面，在峰頂線附近的表面支承率比 MWEDM 表面的高，但隨著峰頂線下降，支承率增大的速度較慢。而在穩(wěn)定接觸區(qū)，與超精磨削加工表面相比，MWEDM表面支承面積對(duì)高度變化很敏感，變化同樣的高度其支承面積變化最大，且核心區(qū)容積和谷底區(qū)容積均較大，儲(chǔ)油能力強(qiáng)，表明 MWEDM 表面比超精磨削加工表面支承性、液體滯留性和耐磨性均優(yōu)。

2.3 MWEDM表面在潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能

2.3.1 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦性能

選擇微細(xì)3號(hào)為上試件，與其對(duì)比實(shí)驗(yàn)的上試件為同種材料、熱處理狀態(tài)與表面粗糙度Ra基本相同的超精磨削試件。2類試件分別與同一種摩擦配副在相同條件下進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)常溫潤(rùn)滑試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速分別為30，60，90，120和150 r/min，法向載荷為0.2 N。

潤(rùn)滑條件下 MWEDM 表面與超精磨削加工表面的摩擦因數(shù)與轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖4可見：

(1) 2種表面的摩擦因數(shù)都隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。此時(shí)，潤(rùn)滑狀態(tài)處于邊界潤(rùn)滑向流體潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變，當(dāng)載荷低于引起粘著磨損的臨界值時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，產(chǎn)生流體潤(rùn)滑膜，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小。

(2) MWEDM表面的摩擦因數(shù)比超精磨削加工表面的低8%～15%，尤其是在轉(zhuǎn)速較高時(shí)降幅較大。按照流體潤(rùn)滑理論，由于高速運(yùn)動(dòng)的液體在兩表面間的壓力隨間隙變小而液體壓力增高的現(xiàn)象稱為泵效應(yīng)[7]。磨削表面如圖 2(b)所示，是條條橫向貫通的磨粒劃痕，因而高壓油容易泄出，使泵效應(yīng)減弱。而MWEDM表面則不同，潤(rùn)滑油被擠壓到凹坑中形成高壓，并受到凹坑壁的阻攔不易泄出，因而油壓升高快，泵效應(yīng)顯著。MWEDM表面與磨削表面相比，在較低轉(zhuǎn)速下就可以形成油膜，在同樣轉(zhuǎn)速下，所形成的油膜壓力高、油膜亦較厚， 更有利于保護(hù)零件工作表面而避免磨損。

圖4 摩擦因數(shù)μ隨轉(zhuǎn)速n的變化曲線Fig.4 Relationship between friction coefficient and rotational speed

(3) 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min后磨削加工表面的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加反而增大，而 MWEDM 表面的摩擦因數(shù)變化不大。這是由于隨著超精磨削加工表面與摩擦副表面之間相對(duì)滑動(dòng)速度升高，在摩擦熱的影響下，潤(rùn)滑油被稀釋，承載能力下降，致使?jié)櫥湍ぴ獾狡茐?，接觸峰點(diǎn)出現(xiàn)邊界摩擦，導(dǎo)致摩擦因數(shù)突增，而MWEDM表面的摩擦因數(shù)受溫升影響不顯著。

對(duì)于不同電參數(shù)加工的 MWEDM 試件，摩擦因數(shù)之間的比較以及與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可見：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖放電能量最小的微細(xì)1號(hào)試件，雖然其表面最光滑，但摩擦因數(shù)卻不是最小。由于放電能量的增加，溫度梯度增大，熱影響層的深度增加，放電點(diǎn)的表面溫度升高，即放電通道中有更多的帶電粒子以極高的速度轟擊工件表面，使放電凹坑變深，因此，放電能量越大則加工表面就越粗糙[8]。隨著凹坑深度的增加，凹坑的形狀變化較大，合適的放電能量可以得到更規(guī)則的凹坑形貌[9]，從而影響動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜的形成、厚度以及壓力分布。

圖5 不同電參數(shù)加工的試件摩擦因數(shù)μ與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系Fig.5 Relationship between friction coefficient and rotational speed of specimens under different electric parameters

通過有限元分析，獲得一定參數(shù)下油膜動(dòng)壓力的的壓力場(chǎng)分布狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 MWEDM表面單個(gè)微坑內(nèi)的油膜壓力場(chǎng)Fig.6 Oil film pressure field for single micro-pit on micro-WEDM surface

MWEDM表面形貌固有特征，導(dǎo)致復(fù)制形狀于油膜壓力分布圖上的壓力上下波動(dòng)，這種形狀復(fù)制使得粗糙表面的最大油膜壓力比理想光滑表面的最大油膜壓力大得多。而且表面粗糙度愈小，實(shí)際接觸面積也愈大，由于表面分子吸引力有效地發(fā)生作用，從而使得摩擦因數(shù)增大，因此，粗糙表面與光滑表面之間有1個(gè)使摩擦因數(shù)為最小的表面粗糙度[10]。MWEDM表面在潤(rùn)滑狀態(tài)下，根據(jù)不同的相對(duì)滑動(dòng)速度，選用適宜的加工電參數(shù)，可獲得較低的摩擦因數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中微細(xì)2號(hào)件相對(duì)表現(xiàn)為佳，μ最低，下降幅度在0.02之間，變化波動(dòng)小，穩(wěn)定性好。

2.3.2 不同載荷下的摩擦性能

選擇微細(xì)3號(hào)試件為上試件，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的上試件與前面所述實(shí)驗(yàn)的試件相同。電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速為90 r/min，法向載荷分別為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 N。

摩擦因數(shù)同載荷之間的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 摩擦因數(shù)μ隨載荷P的變化曲線Fig.7 Relationship between friction coefficient and loads

從圖7可見：首先2種加工表面的摩擦因數(shù)都隨載荷的增加而增大。這是因?yàn)椋弘S著載荷的增大，油膜承受的壓力增大，油膜變薄，促進(jìn)摩擦方式由液體摩擦向固體摩擦轉(zhuǎn)移，摩擦因數(shù)增加。其次，MWEDM表面的摩擦因數(shù)比磨削加工表面的摩擦因數(shù)小 10%～14%。在潤(rùn)滑情況下，兩粗糙表面發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，MWEDM表面上的凹坑就像許多微型水庫(kù)，不僅可以滯留潤(rùn)滑油，而且可以為工作壁面提供潤(rùn)滑油，為貧油區(qū)補(bǔ)充潤(rùn)滑油，富油時(shí)就像很多滾珠軸承，起到產(chǎn)生良好流體動(dòng)壓力的效果[11?13]。當(dāng)法向載荷增大時(shí)，MWEDM表面沒有明顯的紋理方向，以及放電微凹坑具有各向同性的特點(diǎn)，當(dāng)在擠壓的摩擦副間滴入潤(rùn)滑油時(shí), 底部的潤(rùn)滑油得到保持，頂部的潤(rùn)滑油只能沿著凹坑周圍的硬凸起流動(dòng)；且微凹坑的三維形貌易于形成楔形收斂的間隙，從而利于在摩擦副表面之間形成動(dòng)壓油膜，在油膜中建立的與外加載荷相平衡的壓力可將對(duì)磨表面近乎完全隔開，減少配副表面的直接接觸，有效地減小MWEDM表面的摩擦，降低磨損。當(dāng)載荷較低時(shí) MWEDM 表面的摩擦因數(shù)與超精磨削加工表面的摩擦因數(shù)差距較小，隨著載荷的增大兩者的差距也變大，而 MWEDM 表面摩擦因數(shù)基本不受影響，變化幅度為0.006，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。這是因?yàn)?MWEDM 表面在微載荷加載實(shí)驗(yàn)條件下，油膜未遭到破壞，潤(rùn)滑狀態(tài)穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的支承特性和儲(chǔ)油特性。

對(duì)于不同電參數(shù)加工的試件，摩擦因數(shù)之間的比較以及與載荷變化的關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同加工電參數(shù)的試件摩擦因數(shù)μ與載荷P的關(guān)系Fig.8 Relationship between friction coefficient and loads of specimens under different electric parameters

由圖8可見：摩擦配副表面之間存在潤(rùn)滑油時(shí)，摩擦因數(shù)隨載荷的增加而增大。雖然脈沖放電能量最小的微細(xì)1號(hào)試件的表面粗糙度低，摩擦因數(shù)卻不是最小，而脈沖放電能量最大的微細(xì)6號(hào)試件的摩擦因數(shù)最大。隨著載荷的增加，微細(xì)4號(hào)件摩擦因數(shù)變化最小，相對(duì)穩(wěn)定。這說明由于 MWEDM 過程中采用的加工電參數(shù)的不同，導(dǎo)致加工表面微觀形貌的主要組成部分微凹坑的數(shù)量、直徑和深度的變化，從而使?jié)櫥湍さ某休d能力有所不同。因此，在潤(rùn)滑狀態(tài)下，根據(jù)不同的法向載荷，采用適當(dāng)?shù)募庸る妳?shù)，可以使 MWEDM 獲得具有較低的摩擦因數(shù)、摩擦及潤(rùn)滑性能最佳的表面，降低配副的磨損，延長(zhǎng)使用壽命。

3 結(jié)論

(1) 基于MWEDM表面特性，其表面支承面積率從 0快速增加到5%，核心區(qū)容積和谷底區(qū)容積都較大，因此相同條件下，MWEDM表面的支承特性和液體滯留性均比超精磨削加工表面為優(yōu)。

(2) 在不同轉(zhuǎn)速情況下，2種表面的摩擦因數(shù)都隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，MWEDM表面摩擦因數(shù)比超精磨削加工表面的低8%～15%，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，超精磨削加工表面的摩擦因數(shù)出現(xiàn)上升拐點(diǎn)，而MWEDM表面摩擦因數(shù)無明顯變化。

(3) 在不同載荷情況下，2種加工表面的摩擦因數(shù)都隨載荷的增大而增大，MWEDM表面的摩擦因數(shù)比超精磨削加工表面的摩擦因數(shù)小10%～14%，且隨著載荷的增加兩者的摩擦因數(shù)差逐步加大。但是，MWEDM表面摩擦因數(shù)基本保持不變，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

(4) 不同電參數(shù)加工的MWEDM表面在不同轉(zhuǎn)速和不同載荷的潤(rùn)滑摩擦下，均處于邊界和流體潤(rùn)滑狀態(tài)，且摩擦因數(shù)穩(wěn)定；合理選擇 MWEDM 電參數(shù)既能提高加工效率，獲得所需的加工表面，又能降低摩擦因數(shù)，使其保持良好的摩擦磨損性能。

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