周继烈 凌 湛 徐建中
(浙江大学机械与能源学院，浙江杭州310027)
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摘要：从动态热冲击的角度，分析了热应力对硬质合金等硬质材料在电火花加工时产生裂纹的影响，提出了减少和避免裂纹产生的方法。 关键词：硬质合金；电火花加工；裂纹
硬质合金在电火花加工时易产生裂纹，从而影响其更广泛的工程应用。在电火花加工能量的作用下，材料表面产生了非均匀的时变温度场，从而产生很大的热应力，且这种热应力具有较强的热冲击性质[1]。在此条件下，材料表面裂纹产生、扩展的机理和方式有许多特点。对于硬脆材料，加工时呈现出裂纹敏感性。本文以动态热冲击的角度来分析硬质合金等硬脆材料热作用下裂纹的特性，并提出减少和避免裂纹产生的方法。
1 裂纹的概貌
硬质合金电火花加工试验所显示的表面裂纹状况如图1所示。图1a 是放电凹坑内裂纹，大多呈径向；图1
b 为凹坑周围的圆周裂纹；图1c 和1d 为纵剖面方向即深度方向的裂纹，其中图1c 为较典型的纵向裂纹，图1d 为半圆状裂纹。从图中可看到，裂纹的方向具有随机性。从图1c 可看到，其裂纹已进入了基体。从图1b 和图1d 可看到，其裂纹形状与
温度场的理论等温线有很好的相似性。
i e =19.3A t i =150 s 工件:YG8 电极:Cu W (a)坑内径向裂纹
i e =19.3A t i =720 s
工件:YT 14 电极:Cr (b)
坑内圆周裂纹
i e =19.3A t i =720 s 工件:YT 14 电极:Cu W (c)深度方向纵裂纹
i e =19.3A t i =1500 s
工件:YG8 电极:Cr (d)深度方向半圆状裂纹
图1 电火花加工后的裂纹(极性:-,u e =18V )
收稿日期:2003-06-17
19 设计 研究
!电加工与模具∀2003年第6期
2 裂纹的产生
裂纹的产生是局部应力超过该部位材料的强度极限所致，如前所述，电火花加工时，加工表面骤热骤冷，材料胀缩不均，可造成很大的热应力，一旦热应力超过强度极限，表面便产生裂纹。电火花加工作用后产生的热应力在空间域和时间域的变化很大，近表面处的热应力作拉、压性质的交替变换，局部的热应力值可达到很大，且具有热冲击性质。一定区域内的热应力超过材料的相应强度极限，势必造成材料的局部破坏，产生裂纹，相当参数的试验也证明了裂纹的存在。
根据热应力模型，进入材料的热量大小与应力峰值成正比，而此热量大小在其他条件相同的情况下与输入的电脉冲能量有直接关系，输入功率越大，材料吸收的热量就越多。因此功率越大，应力越大，也就越易产生裂纹。图2所示是功率与裂纹产生关系的试验结果。从图2a到图2c，可看到加工功率逐渐减少，显示的裂纹也逐渐减少，直至观察不到裂纹。
温度场中某一点热应力的大小与该点的温度梯度有关，温度梯度越大，热应力也就越大。电火花加工作用下材料近表面处的温度 深度变化曲线很陡，即温度梯度大，产生的热应力就大。这与脉冲加工作用点局部输入的功率密度较高和能量吸收深度较小有关。导热率较小的材料，就可能在作用表面形成更大的温度梯度。
鉴于脉冲放电作用下热应力的时变性，有必要研究、分析热冲击对材料产生裂纹的影响。在放电脉冲作用点附近，应力(温度)随时间的变化量d /d t (d T/d t)很大。考虑到热冲击对应力破坏作用的放大效应以及硬脆材料承受冲击的能力较弱，有理由认为热冲击在硬脆材料的能束加工中对裂纹的产生起着很大的作用。图1c中所示的进入基体的裂纹的现象，也显示了热冲击所起的作用及它的存在。
从上述对裂纹产生因素的分析可看到，能量大小仅仅是影响因素之一，加载的方式、速度以及材料的性质和初始条件也都影响着裂纹的产生。因此, #产生裂纹的临界能量∃的概念是有条件的，只在其他所有条件都相同的情况下成立。
3 裂纹的扩展
3.1 裂纹的深度
如认为拉应力或压应力是材料断裂的
主要原
(a)i e=59.7
A
(b)i e=35.1
A
(c)i e=19.3A
工件:YG8，电极:Cu,t i=150 s,u e=18V
图2 放电功率对裂纹的影响
因，那么可根据材料的断裂强度，在相应的应力图上确定出裂纹的大致深度，如图3所示。若主要考虑硬脆材料，例如硬质合金，则因其脆性较大，应沿用最大主应力破坏准则，选用沿深度方向的拉应力图
作为下面分析的起点。
图3 裂纹深度的确定
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!电加工与模具∀2003年第6期 设计研究
假设产生破坏的临界应力为 j ，那么实际应力 % j 的最深点的深度H ，即为加工表面产生的裂纹深度(这里没有考虑冲击，没有考虑材料失去延展性使裂纹加长的那部分)。假设后续脉冲作用产生的应力分布与前相同，只是随加工深度变化，此分布在Z 方向有一个偏移值 Z(图3)，若不考虑应力集中和动态扩展，那么当 Z >0时，裂纹深度为H + Z，而 Z <0时裂纹深度仍为H 。
3.2 影响裂纹深度的几个因素
从试验结果可看到，裂纹深度H & H 。这是因为:∋从照片上可看到，裂纹尾部较尖，因而会产生很大的应力集中，使该部位应力得到强化，裂纹将扩展一段距离，即使尾部的应力 很小，也可能使裂纹扩展;(由于硬质合金的脆性，在裂纹深度较浅时，近表面处的拉、压交替应力对裂纹的影响较大，使裂纹扩展加快;)近表面处急热急冷引起的热冲击使裂纹增长。这就是硬质合金在电火花加工时表面裂纹会超过热影响区而深入基体的原因。图4表示了裂纹进入基体的状况。图4a 是凹坑表面的形貌，图4b
嘌呤霉素筛选浓度
是凹坑纵剖面的形貌。
i e =59.7A t i =1500 s 工件:YT14 电极:Cu W (a)
凹坑表面的形貌
i e =59.7A t i =150 s 工件:YT 14 电极:Cr (b)凹坑纵剖面的形貌
图4 裂纹进入基体的状况(极性：负,u e =18V )
从上所述可看到，在电火花加工中硬质合金裂纹是以脆性开裂为特征的，这正是硬质合金等硬脆材料在其加工表面易产生裂纹、裂纹长而区别于其他普通金属材料的一个特性。
实际的裂纹扩展过程比理论分析要复杂得多。其中包含了一系列的应力松弛、裂纹愈合过程和材料缺陷对裂纹的影响。这些都是裂纹产生随机性的原因。当裂纹扩展到一定程度后，裂纹尖端扩展增长的速度大于加工深度增长的速度，尖端部位与应力作用区离得较远，热冲击产生的热应力影响也减小，因而尖端对应力的强化作用减弱，裂纹扩展速度减慢，裂纹逐渐趋于平衡状态。这一平衡状态是准静态的，随加工深度变化而变化，它所对应的裂纹深度则与材料的性能和加工的参数有关。另外，较深处的压应力对裂纹扩展会起阻碍作用。
关于材料缺陷对裂纹的影响，可从两个方面分析：一是材料固有的缺陷，另一是加工时高温下的钴的蒸发[2]。由于缺陷的存在造成了局部应力集中，强度减弱，而强度是受最弱的一个缺陷控制的，因而裂纹的扩展方向与缺陷的分布一样具有随机性。缺陷的存在，不仅能改变裂纹的扩展方向，而且能改变扩展深度。在缺陷处很易诱发裂纹，从实验结果可明显看到，裂纹的源头处常常有小空洞存在，在裂纹所经路线中也往往有小孔洞存在。图5显示了缺陷
对裂纹扩展的影响。
i e =59.7A t i =1500 s 工件:YG20C 电极:Cu
热轧酸洗图5 缺陷对裂纹扩展的影响(极性：负,u e =18V )
对于一些烧结时压力不足的硬质合金产品，电火花加工时产生裂纹的可能性与程度大大增加，因此选用时应引起注意；若无法避免，则应在加工时采取减少裂纹的措施。
4 结论
从上述分析表明，电火花加工时工件表面承受着冷热骤变带来的剧烈温度变化。这种变化具有速
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设计 研究
!电加工与模具∀2003年第6期
电火花线切割机的抗电磁干扰设计
王连英1 王 秀2 刘建春1
(1江西现代职业技术学院，江西南昌330029;2蓝天职业技术学院，江西南昌330029)
摘要：从电磁干扰信号的产生、耦合的途径出发，介绍了数控电火花线切割机抗电磁干扰设计的几种常用的思想和方法。
关键词：电火花线切割机；电磁干扰；设计
电火花线切割机由于自身的结构、工作原理和工作环境，其抗电磁干扰设计是至关重要的。本文拟从机床自身及工作环境电磁干扰信号的产生和耦合的途径出发，讨论抗电磁干扰设计的原则和常用的方
法。
1 电磁干扰信号的产生
当不希望的电压和电流信号影响电器设备的正常运行时，称这种信号为电磁干扰信号。电火花线切割机组成和工作环境示意图如图1所示。其电磁干扰信号可能来自机床系统内部，也可能来自机床系统外部，主要表现在如下几个方面:
(1)脉冲电源
电火花线切割机是依据火花放电的电蚀原理来收稿日期:2003-07-20实现切割加工的，脉冲电源通常采用矩形脉冲波的形式，其电压高、电流大、频率高、谐波丰富，是系统
内部的一个很强的宽带电磁干扰源。
图1 数控电火花线切割机组成和工作环境示意图
(2)机床电器
目前多数高速走丝电火花线切割机采用开关信
度快、幅值大的特点，使加工显现了强烈的瞬态热冲击过程的特征。因此，裂纹状况与材料表面吸收的功率密度、温度梯度即应力、应力的时变性质及材料性质等因素有关。要减少或避免裂纹的产生，就要针对这些因素，采用相应的方法。从根本上说，所有降低应力幅值及其时变性即热冲击的方法都是有效的，尤其是针对脆性材料加工的时候。由此出发，减少和避免裂纹产生的方法大致有:
(1)选择合适的功率参数。试验表明，在加工中一旦产生了裂纹并超过某一临界尺寸，在热冲击的作用下较易扩展，即使后续改用小功率参数，要将裂纹减小到无影响的程度，就十分困难了。文献[3]表明材料的强度对较大尺寸的裂纹较敏感，而微小裂纹则影响不大。
(2)充分利用温度场的叠加效应[1]。叠加效应能降低热应力的大小及其冲击性质，从而降低破坏作用。这也就是要求在选择加工参数时，在相同输入能量的条件下，选择窄脉宽脉冲进行加工。
(3)降低应力集中程度。应力集中是裂纹产生和加剧的重要影响因素。产生应力集中的主要原因一是材料的缺陷如位错、偏析和气孔等；二是组织的不均匀，性能差异较大引起界面上的应力集中，差异越大，应力集中的程度就越大。
参考文献:
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粉末冶金轴承
[4] 竹内洋一郎.热应力.北京：科学出版社,1982
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!电加工与模具∀2003年第6期 设计研究
MAIN TOPICS,ABSTRACTS&KEY WORDS
384孔板
New developing field of manufacturing science and technology: organism m anufacturing
On the First National Symposium on Organism M anufac turing Zhang Renji,et al.(1) Abstract:By regarding or ganism manufactur e as a new r ealm of manufacturing science&technology,w e r ecord the survey of the F irst National Sy mposium on Org anism M anufac turing.O rganism manufacture has ex tensive applied for eg round at mimetic manufacture,rehabilitation,r eg eneration medicine and other bio engineering.Sufficient attention needs to be paid in it.W hat is especially w orthy of pointing out is that the scien tists in our countr y are devot ing t hemselves in t he for eland of t echnolog y in the whole world at present.
Key words:org anism manufacture;RP;droplet spraying and deposition
New development of three dimensional laser bending
L iu Shunhong,et al.(5) Abstract:In this paper the new r esearches and the future development of three dimensio nal laser bending are presented. T he influences of laser scan strategies on the forming during the process of bending are discussed.And also the rules of t he var ia tion of the path in the scan str ategies used to form the typical parts are analyzed as w ell as the influential factor of the tube bending and its forming rules.At last the key factors and the future pr ospects of the laser bending used in the industr ial appli cation are given.
Key words:laser for ming;laser bending;mechanisms
The balanceable inter electrode gap in higher frequency group pulse electrochemical m achining T ang Xinglun,et al.(17) Abstract:T he mathematical model of balanceable inter electrode gap in higher frequency gr oup pulse electrochemical machining is pr esented.Based on the model,the relationships between the balanceable inter electrode gap and the electrode v oltage,the feeding velocity of cat hode and the pulse frequency of supply pow er are di scussed.Simulation and exper iment show:the balanceable inter electrode gap linear ly increases with t he increase of the voltag e,nonlinear ly decreases w ith t he in crease of t he feeding velocity;there is strict linear relationship between the balanceable inter electrode gap and the pulse fre quency.In addition,it is also show n that the o riginal inter elec trode g ap has no influence on the balanceable inter electrode g ap.T hes
e conclusions provide significant guidance to optimize t he electrochemical machining processing.
Key words:pulse electrochemical machining;balanceable;inter electrode gap
Research on technology of generating glyph of C hinese charac ters in WEDM Wang Donghui,et al.(13) Abstract:T he w ire cutting of Chinese char acters has the pro mi sing market potentials.In this paper,t he generation of Chinese character glyphs is studied.T he int ersections of glyphs are eliminated throug h relev ant editing.W ith the method,the operation on the CA D models and the generatio n of w ire cutt ing paths are simplified.
Key words:Chinese character;glyph of characters;sets operation of loops
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Zhou Jilie,et al.(19) Abstract:T he affects of thermal stress on cracks dur ing EDM of sintered carbides were analyzed in the v iew point of dy namic and hot shock.And the technolog ical met hods of avoid ing or reducing the cracks were intr oduced.
Key words:sintered carbide;EDM;crack
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Key words:WEDM machine tools;the interfer ence by electromagnetic w ave;desig n
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帕斯卡裂桶实验
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