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      電火花表面處理技術(shù)在模具上的應(yīng)用

      2010-02-13 16:33:27胡榮獎方志剛
      裝備制造技術(shù) 2010年4期
      關(guān)鍵詞:電火花臺州磨損

      徐 東,胡榮獎,方志剛

      (臺州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,浙江臺州318000)

      模具工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,具有極為重要的作用,被稱為“工業(yè)之母”。眾所周知,模具在使用中會被磨損。比如,冷沖模具在磨損之后刃口變鈍,模具配合間隙擴(kuò)大,導(dǎo)致沖件毛刺增加而必須卸模進(jìn)行刃磨。一副模具的刃磨次數(shù)是有限的,兩次刃磨之間的沖件數(shù)量越多,說明模具的使用壽命越長,所以要求模具具有高的耐磨性能。

      1 模具表面處理的重要性

      為了延長模具的壽命,使模具不至于過早失效,必須使模具(尤其是型腔面)具有高硬度、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞和抗高溫氧化性能。除了正確選用模具材料、保證加工精度和表面粗糙度之外,對模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理,也是至關(guān)重要的。對模具真正承受磨損作用的特定部位,進(jìn)行表面強(qiáng)化,正所謂“用勁用在點(diǎn)子上”,可以大幅度延長和提高模具的使用壽命。根據(jù)有關(guān)資料介紹,從影響模具失效因素分析,獲知熱處理因素(表面處理因素)占52%。因此,表面強(qiáng)化技術(shù),是充分發(fā)揮模具潛力、提高其使用性能的一條行之有效的途徑,也是國內(nèi)外模具技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。在美、日等國家,表面強(qiáng)化技術(shù)已廣泛被用于提高塑料模具鋼表面的抗磨、抗蝕性,從而顯著提高了模具使用壽命,拓寬了模具鋼的應(yīng)用范圍。

      模具在長期的服役過程中,還不可避免地會產(chǎn)生失效。模具的失效主要表現(xiàn)在尺寸、形狀和功能等方面,失效形式主要有表面磨損、斷裂和變形。模具的失效,不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量,而且增加生產(chǎn)成本,頻繁更換模具,更會導(dǎo)致產(chǎn)量下降,給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面,由于模具種類多,標(biāo)準(zhǔn)件少,制造周期長,加工費(fèi)用高(尤其是精密復(fù)雜模具或大型模具制造加工費(fèi)高達(dá)數(shù)十萬元乃至數(shù)百萬元),企業(yè)常因塑料模具的失效而減產(chǎn)或停產(chǎn)。因此,采用先進(jìn)表面處理技術(shù),對失效的模具進(jìn)行快速、精密修復(fù)來大幅度延長、提高模具的使用壽命,而無需更換整套模具,只須對模具及關(guān)鍵金屬零部件表面磨損局部區(qū)域進(jìn)行修復(fù),并在修復(fù)過程中把模具表面真正實(shí)際承受磨損的表面“換成”特殊高耐磨材料,就可“變廢為寶”。不僅使模具得到修復(fù),而且由于修復(fù)后的新模具表面“刃口部位”使用了特殊高耐磨材料,修復(fù)后模具的使用壽命還將較原來的大幅提高,顯然具有重要價值。

      2 模具表面強(qiáng)化及修復(fù)的主要技術(shù)

      表面強(qiáng)化處理技術(shù),除傳統(tǒng)的熱處理外,還有電鍍、滲碳、離子注入和電子束輻照等。但是這些表面處理技術(shù),用于模具表面強(qiáng)化,均存在一些不足。如涂層由于太薄,而不能承受載荷;電鍍涂層則由于粘附力太差,而容易產(chǎn)生剝落;離子注入和電子束尚需要真空和備等。

      2.1 傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)本身的缺陷

      模具修復(fù)的主要技術(shù)有:熱噴涂、電刷鍍、表面堆焊等,這些技術(shù)都曾成功地修復(fù)了大量模具,給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

      但是隨著模具向小型、精密、多樣化和大型、復(fù)雜、精密的方向發(fā)展,傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)由于技術(shù)本身的缺陷,已不太適合于模具的精密修復(fù)。其不足主要體現(xiàn)在:

      (1)不易實(shí)現(xiàn)自動化,工作效率低;

      (2)熱量輸入大,模具的熱影響區(qū)大,易變形,甚至開裂、剝落;

      (3)涂層稀釋率大,降低了涂層的性能;

      (4)基體和涂層材料非冶金結(jié)合,使用壽命短;

      (5)不適于精密地修復(fù)小型塑料模具、局部受損模具以及精密度要求高的塑料模具。

      2.2 激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢

      激光熔覆技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的高新技術(shù),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于金屬材料的表面強(qiáng)化,其具有以下一系列優(yōu)點(diǎn):

      (1)激光光斑直徑小,可以調(diào)整到微米級,實(shí)現(xiàn)精確定位;

      (2)熔覆層成分具有可設(shè)計性;

      (3)由于激光快速加熱和冷卻過程,激光熔覆層組織均勻致密,微觀缺陷少;

      (4)由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程,激光熔覆對基材的熱影響小,引起的變形?。?/p>

      (5)激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制,易實(shí)現(xiàn)選區(qū)甚至微區(qū)熔覆修復(fù);

      (6)熔覆層的稀釋率小,可精確控制;

      (7)無接觸型處理,能實(shí)現(xiàn)自動化和柔性加工。

      正是因?yàn)榧す馊鄹簿哂猩鲜黾夹g(shù)上的優(yōu)勢,為其應(yīng)用于模具的表面強(qiáng)化和精密修復(fù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

      3 模具表面電火花處理技術(shù)

      電火花表面強(qiáng)化,則是直接利用具有高能量密度的電能,對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理,通過火花放電作用,將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬工件表層,形成合金化表面強(qiáng)化層,從而使工件的物理、化學(xué)、機(jī)械性能得到改善。電火花強(qiáng)化的原理是:當(dāng)電極棒在工件表面轉(zhuǎn)動,某些部位間隙很小時,使主機(jī)放電回路形成通路。在它們相互接觸的微小區(qū)域瞬時流過放電電流,電流密度可達(dá)到105~106A/cm2,而放電時間僅10-6~10-5s。由于放電能量在時間上和空間上的高度集中,在放電微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了約8 000~25 000℃的高溫,使該區(qū)域的局部材料熔化、氣化或等離子體化,電極棒材料高速過渡到工件表面,并擴(kuò)散進(jìn)入工件表層,形成冶金型牢固結(jié)合的沉積層。

      電火花強(qiáng)化技術(shù),能有效地改善工件的表面性能,如硬度、耐磨性、抗腐蝕性能等,被廣泛應(yīng)用于模具、刃具的強(qiáng)化以及零件微量磨損的修復(fù)上。電火花表面強(qiáng)化工藝,可使強(qiáng)化后的表面尺寸略有增厚,利用這一特點(diǎn),可對使用磨損后的模具進(jìn)行微量修復(fù)(平面修復(fù)厚度約為0.02 mm),從而可延長模具的使用壽命。

      同激光表面處理一樣,電火花表面處理具有功率密度高、熱影響區(qū)小、工件變形小,而且處理后不需要修磨,或只需精磨的優(yōu)點(diǎn)。對激光和電火花表面處理時,材料的受熱過程的分析研究表明,兩者具有相似的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型和類似的溫度梯度,二者的能量交換、傳遞的特性、兩者處理后的金相組織與表面硬度分布情況也是相似的。但是,由于電火花加工設(shè)備比激光設(shè)備便宜得多,所以它更有可能成為一種經(jīng)濟(jì)簡便的新型表面熱處理方法,適合于大批量、大面積的表面處理。

      此外,與其它常用表面處理工藝如熱噴涂、堆焊、PVD、CVD等相比,電火花表面處理的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在:

      (1)電火花強(qiáng)化不需要特殊復(fù)雜的處理裝置和設(shè)施,工藝設(shè)備比較簡單,投資少,攜帶方便,操作簡便,易于推廣;

      (2)對零件表面施行局部強(qiáng)化,對于一般幾何形狀如平面或曲面均可進(jìn)行;

      (3)強(qiáng)化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高;

      (4)電極材料可以自由選擇,材料來源廣,且消耗量少;

      (5)強(qiáng)化層厚度和表面粗糙度與電氣參數(shù)以及強(qiáng)化時間等操作因數(shù)有關(guān),可調(diào)節(jié);

      (6)強(qiáng)化處理的表面將有微量增厚,可以用于零件的微量修復(fù);

      (7)強(qiáng)化可在室溫條件下進(jìn)行,且強(qiáng)化后的加工余量少,減少修復(fù)時間;

      (8)不會產(chǎn)生有毒難聞氣體和液體,噪音小,無環(huán)境污染;

      (9)可現(xiàn)場施工,不用拆卸被修復(fù)件,節(jié)省時間;

      (10)強(qiáng)化修復(fù)的成本與更換部件成本相比極低。

      總之,電火花表面處理技術(shù)具有簡易高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),很有實(shí)用價值,是一種很有發(fā)展前景的表面處理技術(shù),在軍工及其他部門已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用,在諸多報道中,使用電火花表面處理技術(shù)成功修復(fù)過導(dǎo)軌、曲軸、齒輪、箱體、缸體、泵體、閥體、法蘭、閘門、流筒、軋輥、活塞、液壓缸等機(jī)械零部件。

      4 模具表面電火花處理技術(shù)在臺州的發(fā)展前景

      電火花表面處理技術(shù),本身是一個相對發(fā)展比較成熟的技術(shù),在機(jī)械、鋼鐵、電力等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛,但是在模具表面強(qiáng)化及修復(fù)上應(yīng)用還不十分廣泛。臺州是著名的“模具之鄉(xiāng)”,模具制造業(yè)是臺州的支柱產(chǎn)業(yè),當(dāng)前的模具表面強(qiáng)化及模具修復(fù)技術(shù)還比較滯后,模具強(qiáng)化的主要手段基本上還是傳統(tǒng)的整體熱處理,模具修復(fù)一般采用表面堆焊。隨著模具行業(yè)的發(fā)展,模具向中、高檔發(fā)展是必然的趨勢,模具的壽命問題凸顯其重要性,對模具進(jìn)行表面強(qiáng)化及失效修復(fù)是發(fā)展的必然趨勢。因此,在臺州存在著的模具表面強(qiáng)化及修復(fù)的潛在技術(shù)需求和市場前景,模具表面電火花強(qiáng)化及修復(fù)技術(shù),將是一種特別適合在臺州發(fā)展、能夠服務(wù)于臺州模具產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)技術(shù)。尤其是當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)危機(jī),對臺州制造業(yè)的影響很大,模具企業(yè)更需要“苦練內(nèi)功”,通過經(jīng)濟(jì)危機(jī)的“倒逼機(jī)制”降低生產(chǎn)成本,加快企業(yè)技術(shù)進(jìn)步,加快轉(zhuǎn)型升級,模具表面電火花強(qiáng)化及修復(fù)技術(shù)作為一種低廉及高效的技術(shù),凸顯其發(fā)展前景。這就要求我們一定要立足本地加快發(fā)展,將這一技術(shù)消化吸收,發(fā)展壯大,推廣成熟,開發(fā)出成套的高水平、專業(yè)化的模具表面電火花加工技術(shù),為臺州模具制造企業(yè)提供“便利店”式的技術(shù)服務(wù),為推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

      5 結(jié)束語

      無論是對于在役模具延長使用壽命還是失效模具的修復(fù)再制造,表面強(qiáng)化處理都是至關(guān)重要的。電火花表面處理具有功率密度高、熱影響區(qū)小、引起工件變形小,更重要的是電火花表面處理技術(shù)具有簡易高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等重要特點(diǎn),極具實(shí)用價值,是一項(xiàng)非常適合在臺州這個以模具制造業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)的“模具之鄉(xiāng)”、對先進(jìn)表面處理技術(shù)有著潛在技術(shù)需求和市場前景的地方發(fā)展和壯大的表面處理技術(shù)。

      [1]狄 平,朱世根,顧偉生,等.電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].東南大學(xué)學(xué)報,2001,27(2):110-112.

      [2]洪永昌.電火花表面強(qiáng)化層的組織和性能[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報,2004,14(2);18-20.

      [3]陳長軍,王東生,郭文淵,王茂才.電火花表面強(qiáng)化處理研究進(jìn)展[J].航空維修與工程,2003,11(4):36-37.

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