不锈钢表面加工特性研究

李云光

（沈阳瀚海凌舟不锈钢有限公司，辽宁 沈阳 110000）

制造业是是国家经济生产中的主要产业，生产加工技术是可持续生产和支持生产技术的要素[1]。诸如不锈钢和钛合金等具有良好机械性能以及卓越的抗腐蚀性能的材料随着加工技术的发展被产品化[2]。因其特性，这些材料被应用于航天与兵工等尖端领域[3]。但由于传统过程效率低、耐受性高、处理温度高、工具磨损轻，因此有效地改变加工流程、减少材料处理时间、提高过加工效率和改善良品率进而降低产品成本是势在必行的[4]。为此，提出了一种处理现代复杂材料的电处理方法。电处理是一种新的电子加工技术，作为一个非传统的加工过程，可以处理导电材料，且对于材料电阻具有较强的适应性。专家们对弱电处理进行了大量研究，相关技术也较为成熟，但为了提高加工的效率，采用强电加工具有更好的效果，对强电处理的研究也成为了当前的热点问题。

图1 不锈钢表面镜面抛光

1 研究现状

随着新技术衍生出很多新型高性能、高强度材料，对于这些材料采用传统的加工技术，已经难以满足其生产要求，相反，由于工艺的落后，还会造成良品率的下降[5]，而且加工效率较低等因素也使得其良好的性能难以体现在实际的生产加工中[6]。为了找到一种有效、高效且成本较低的加工方法，业内专家共同努力，推出了强电弧加工这种手段[7]。该种加工手段主要用于导电材料的加工，作为一种新型的特种材料加工方法，需要具备一定的压力条件，通过电极释放的电弧来切削以及清洁材料的表面[8]。该技术的问世有效推动了新型材料的迭代推进速度，对于材料加工行业的产业转型升级有着深远的影响[9]。对于难以加工的高强度、高韧性材料，采用该技术加工具有较高的效率，具有极强的产业推广价值与实用价值。填补了国内在材料加工领域的一项技术空白。同时采用强电弧加工技术，在环境保护方面也有着较小的压力，不仅对于大气环境污染较小且因其相对于传统加工手段所产生的噪声较小，对于参与施工的人员的健康伤害较小，对于加工场所的限制也较低，更有助于进一步降低尖端材料加工的成本。

2 不锈钢强电弧加工原理

强电弧加工技术是指在一定压力的水、气混合介质作用下，利用工件与工具电极之间电弧放电产生的电腐蚀现象来去除多余的金属或非金属导电材料，使工件达到所需的尺寸、形状以及一定表面质量的一种电加工方法。它是一种非接触性强电加工技术，属于特种加工电加工技术的领域，由于其加工方式的特殊性，比较适于加工超硬、超脆、热敏感等难加工材料。加工时，不产生切削力，所以工件不会因变形而产生各类误差。在加工系统中，通常将待加工工件与工具电极分别与电源的正负极相连，形成放电回路。且需要保证工具与工件间隔一段距离来保障非接触。对工件形成的切削力极小，可认为是零。待加工工件在加工过程中低速转动形成电极与工件的相对运动。通过高达1000A级的放电电流的热效应对于工件表面进行熔化，并通过水气混合介质使表面残余物质被及时的清除出工件本体，实现对工件表面的加工。

技术特点

该项加工技术具有如下优势：

（1）对于一般机床难以加工的特种材料，该技术通过极高的能量释放实现高效切削，对于到导电的材料该技术具有较强的普适性；

（2）由于待加工工件与工具之间没有机械上的直接接触，而是通过电弧进行非接触式的连通，其机械接触和切削力可忽略，也因而可完全不考虑工件除导电性之外的其他物理性质；

（3）工具电极可根据实际情况进行选择，制造方便成本低；

（4）加工效率高，单位时间清除废弃材料的量可达传统方法的百倍以上；

（5）加工介质成本低廉，可靠性高；

（6）环境污染小。

相应的，该项加工技术具有如下的缺点：

（1）由于电弧熔融废弃材料难以做到毫米级的控制，因此该项技术适用于半精加工；

（2）由于加工过程中电流极强，用电安全需要有强效的保障机制。

3 不锈钢表面质量的正交试验与分析

作为半精加工手段，强电弧加工是后面进一步的加工的前提。保障强电弧加工的加工质量可以为后面的精加工工作提升效率和质量。通过对17-4PH型不锈钢的正交试验有助于分析强电弧加工质量的影响因子以及各自的重要性，以进行对工艺优化多维度的分析。

3.1 表面粗糙度影响因素

诸如硬化层和裂纹等表面缺陷会不可避免的出现在强电弧加工处理后的工件表面。即使这些表面缺陷很细微，其对后续加工和工件的使用也有着较大的负面影响。由于当前的工业化生产中采用的机器设备日益精密化，对部件、零件的精密度要求也日益增高。采用不达标的部件会使得相关的零部件加速老化，甚至影响设备的性能与寿命。而在这其中，零件的老化或损坏均始于表面的劣化，不够光洁、有缺陷的表面会使得所生产的工件由外而内的加速损坏，因此提高加工工件质量要从半精加工阶段就开始着手。

工件表面质量不是一个单维度的问题，可对其造成影响的因子众多，共同作用，复杂性较高，分析难度较大。但为了简化该问题，可将影响因素归结为两个大类，分别是几何类因素和物理类因素。

（1）几何影响因素：这个类型的影响主要是因为加工刀具与不够光滑的工件表面接触时产生的运动畸变所致，工件表面会产生不平整。

（2）物理因素：这个类型的因素主要是加工工艺以及材料上的一些影响因素。

由于加工的工件通常是成分较为复杂的合金，其内部各成分的含量不够稳定、成分分布不够均匀或者纯度不足均可引起在强电弧加工过程中的工艺执行参数的浮动，进而使得加工后的工件表面成分分布不规则，体现在宏观上就是工件表面粗糙度上升；

精加工阶段，刀具的切削速度应当根据不同材料的刚度进行适当的调整，且在合理的范围内提高刀具的切削速度可以提高加工后工件的表面光滑度；

工件的给进量会对工件表面的粗糙度造成影响，理论上越小的给进量会使得加工精细度越高，但也不能过小，这个给进量具有一个临界状态，超过此临界值后，反而使得工件的加工效果劣化。同时考虑到实际的生产效率，需要根据加工材料的成分以及工件尺寸适当调整工件的给进量。

3.2 正交试验设计分析及方法介绍

作为统计数学方法的分支，正交试验常用于工业生产中对工艺流程以及执行参数的优化设计。通过正交试验，可最大程度的减少试验时间和试错的次数，以最小代价完成优化方案的设计工作。

正交试验的要素共有5项，具体描述如下：

（1）试验指标：简称指标，作为与试验目的相对应的要素，是考察试验效果的标度。具体来说，若本次试验的目标是提高加工的效率，那么加工效率就是该试验的试验指标。按照指标的呈现形式可分为定性和定量两大类。定量指标是比定性指标更加量化的指标，可通过定性指标评级转化而来，以使得试验的结果更加清晰化、数据化。

（2）试验因素：即能够影响到试验指标的结果的要素，通常使用大写字母表示。按照因素对于试验指标影响的控制程度分为可控因素与不可能因素。前者是指可按照试验的目的，人为通过修改部分参数、流程来进行可控调整的因素；后者则是只无法通过技术手段进行人工干预使结果向着期望方向发展的因素。试验的设计中，应选择可控因素评定因素水平，同时保持不可控因素的水平一致，降低其影响以免造成对试验指标不可预估的影响。

（3）因素水平：不同状态下试验因素的量化数值，按照该因素可取值的数量，若该因素具有个可能取值，该因素可称为水平因素。

（4）组合处理：对于诸多试验因素逐一按不同情形进行组合，所能够构成的全部试验。

（5）交互作用：不同因素水平的不同试验因素相互组合后形成对试验指标的共同影响。

4 试验及结果分析

4.1 试验准备

本次试验的主要目的是通过对17-4PH型不锈钢材料进行强电弧加工。所选定的三个可控试验因素为放电间隙(A)、工件转速(B)和电压(C)对于试验指标表面加工质量的影响，同时在试验中保证不可控因素加工介质不发生改变，来保障其不会对试验的指标造成明显的影响。试验的输出是对各个因素影响水平的综合评价。

4.2 确定因素水平表

强电弧加工不锈钢17-4PH的因素水平见下图2所示，试验结果如图3所示。

图 1 17-4PH型不锈钢表面加工因素水平表

图2 17-4PH型不锈钢表面加工正交试验结果

通过对极端条件的对比分析的方法，17-4PH型不锈钢材料在强电弧加工表面加工中三个可控因素对于试验指标（表面加工质量）的影响程度从小到大依次是工件转速(B)、放电间隙(A)和电源电压(C)；按照每个可控因素的因素水平分析，最佳的方案选择为A1、B2、C1。

5 结论

本文针对不锈钢表面加工问题进行了系统研究，介绍了对于不锈钢这类难加工的材料的加工技术的研究现状，并以强电弧。

本文以不锈钢的强电弧加工技术为切入电，系统研究了新型的不锈钢表面加工处理技术。并通过设计正交试验对比分析了对17-4PH型不锈钢表面加工质量造成影响的三大可控因素：放电间隙、工件转速、电源电压的因素水平，对每种因素对于试验指标的影响进行了主次区分，并通过量化的方式评估了试验组合处理中最优化的因素水平选择方案。