电火花加工金刚石-镍复合电极制备参数优化研究

摘 "要：研究了化学复合镀镀液的制备参数对复合电极制备的影响，阐述了金刚石微粉预处理步骤。分析了金刚石微粉的等效粒径对复合电极镀层的影响，得出最佳镀层金刚石等效粒径为10μm。进行了镀液温度变化下的复合电极制备速度关系试验，得出最佳制备温度为74～76℃。对制备的电极进行加工试验，结果表明：参数优化复合电极的电极角损耗比普通紫铜电极降低了74.74%；参数优化复合电极的电极角损耗比参数未优化复合电极降低了57.29%。

关键词：电火花加工（EDM）；复合电极；制备参数优化

中图分类号：TG661 """""""文献标志码：A

Optimization of preparation parameters for diamond nickel

composite electrodes in electrical discharge machining

WANG Wenjian 1， CHANG Hao 2， BAI Yingqian1， ZHAO Tao1， ZHOU Dong1

（1. Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， Shaanxi， China;

2. Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450000， Henan， China）

Abstract： The influence of preparation parameters of chemical composite plating solution on the preparation of composite electrodes was studied， and the pretreatment steps of diamond micro powder were explained; The influence of the equivalent particle size of diamond micro powder on the composite electrode coating was analyzed， and the optimal coating diamond equivalent particle size was determined to be 10μm; An experiment was conducted on the plating rate relationship of chemical composite plating under changes in plating solution temperature， and the optimal plating solution temperature was found to be 74-76℃; Through processing experiments on the prepared electrodes， it was found that the optimized composite electrode reduced electrode angle loss by 74.74% compared to ordinary copper electrodes; Parameter optimized composite electrodes reduced electrode angle loss by 57.29% compared to non optimized composite electrodes.

Key words： electrical discharge machining（EDM）; preparation parameters optimization;composite electrodes

0 "引 "言

由于电火花加工（EDM）具有非接触性的加工特性，用于制备金刚石-镍复合电极是解决电极损耗的有效方法之一，国内外学者在电极损耗方面做了一定的研究。TSUETANI等［1］研究了具有高导热性和低线性热膨胀系数的金刚石复合电极，但是在大放电电流条件下，电极中金刚石颗粒周围的金属被优先去除，导致金刚石颗粒暴露在电极表面，电极表面的起伏增大，放电状态变得不稳定。SANO等［2］研究了一种用于电火花加工的新型多晶金刚石（PCD）基复合电极，与传统的铜（Cu）和铜-钨（Cu-W）电极相比，加工后PCD电极明显降低了电极损耗。HWEJU等［3］提出了一种利用超声辅助放电制备纳米微粒的模型，加工后，使用扫描电子显微镜（SEM）检查镍颗粒的形状和尺寸，发现它们分布在几微米到80μm的范围内，镍颗粒呈规则的球形，粒度大小不一，此外，许多小颗粒附着在表面。PHAN等［4］通过选择指数（PSI）对镍铝电极电火花加工钛合金的工艺参数进行优化。实验结果表明，采用镍铝电极电火花加工多目标优化问题的一组优化参数，可以更好地改善工件表面加工效果。刘宇等［5］应用自行搭建的电火花加工试验台进行加工试验，以 SiCp/Al 复合材料开展了研究，分析了多参数优化条件对材料蚀除率和电极损耗的影响。尹熠等［6］采用气液二相流仿真技术对复合电极加工进行蚀除过程模拟，并进行多组正交仿真实验，优化了气泡影响下复合电极的加工参数，结果表明优化的加工参数降低了复合电极的损耗。周鑫等［7］研究了一种喷射复合材料电沉积技术，这种复合材料能够应用于电极的表面，提高电极材料的耐磨性和抗电蚀性能，有效降低材料磨损。赵俊领等［8］通过在电极表面镀覆一层强化层，进行加工试验，得出不同复合电极加工表面形貌明显不同，耐磨损性能也不一样的结论。吴江等［9］为了降低电极损耗，设计了一种新型铜-锌-铜复合电极电极，进行加工试验后得出，降低内外电极间隙能够降低电机损耗。

虽然目前存在的金刚石-镍电极在加工过程中能够增强材料去除率和在一定程度上降低电极损耗，但是也存在在加工过程中金刚石-镍镀层稳定性不好、加工面精度较低等问题，因此，进行金刚石-镍电极的制备参数优化的研究是必要的一个环节。

1 "金刚石-镍复合电极加工原理

因为金刚石稳定性好，本身不易单一镀覆在某一种材料上，所以将金刚石微粉与硫酸镍溶液混合作为复合电极的施镀材料。因为硫酸镍中的镍离子对于金属基材料具有较强的镀覆能力，能够让金刚石与金属基电极材料有更好的结合力，使得镀层质量更加稳固。如图1所示，金属镍析出以后，能够将金刚石包裹住，一起粘附在金属基电极的表面，从而成功制备复合电极。

金刚石稳定性好，金刚石碳原子的所有价电子，都形成共价键而没有自由电子，所以没有导电性，不参与电极的加工。随着电极的加工，相当于在外层套了一层保护膜，复合镀层材料在电火花加工时直接随着电蚀材料排出，金刚石-镍镀层有效降低了电火花加工电极的侧面放电和角放电，提高了电极加工精度。

2 "制备参数对电火花加工复合电极的影响

制备参数是电极制备是否成功的重要环节，在金刚石-镍复合电极制备过程中，金刚石微粉的预处理、金刚石粒径、镀液温度、后处理等参数对电极的质量起着决定性的作用。因此，分析制备参数对复合电极的影响必不可少。

2.1 "金刚石微粉预处理对金刚石-镍复合电极的影响

人造金刚石微粉制造过程中，会掺杂很多杂质，如铁触媒、金属离子、油污等。这些杂质的存在会影响化学复合镀的速度，同时会破坏镀层与金属基电极的结合度，严重时会导致金刚石-镍电极化学复合镀停镀。因此，在进行化学复合镀前必须对金刚石微粉进行预处理，能够提高复合镀层的结合力和镀层质量。

（1） 金刚石微粉具体预处理过程如下。

步骤一，称取一定质量的金刚石微粉置于经高温消毒去除杂质的烧杯中，加入去离子水进行充分搅拌，使金刚石微粉均匀地散布在溶液中。分散均匀后将金刚石微粉溶液放置在超声波清洗机中振荡分散30min。此步骤能使金刚石的结块、聚合体充分均匀地分散开，保证每一个金刚石微粉颗粒均匀分开。步骤二，将步骤一超声波振荡后的金刚石微粉溶液静置1h，使金刚石微粉充分沉淀，随后将去离子水倒出并将金刚石微粉置于0.1mol/L的氢氧化钠溶液中煮沸30min除油，静置1h。步骤三，将除油用过的氢氧化钠溶液倒出，用去离子水反复冲洗金刚石微粉后，将金刚石微粉置于10%（质量分数）盐酸中煮沸30min，反应式Na（OH）2+2HClNaCl2+2H2O。此步骤目的是中和溶液同时去除金刚石微粉中的金属杂质。步骤四，用去离子水反复冲洗金刚石微粉，等待金刚石微粉沉淀后，用pH专用工具测量上层清液的pH值，反复冲洗直到上层清液pH值为7停止，将去离子水去除，随后将金刚石微粉置于烘干机中烘干备用。

（2） 金刚石微粉的预处理制备结果分析如下。

根据（1）中的步骤对金刚石微粉分别进行超声波酸洗和碱洗，是为了去除金刚石粉末的油污及获得想要的等效粒径。但酸洗和碱洗的同时会给金刚石粉末中带入更多的氢离子、钠离子，影响化学复合镀的效果，在化学复合镀的时候会产生氢气，这样会使镀层材料容易脱落，造成复合电极制备失败。而用去离子水清洗就是为了去除这些离子对化学复合镀的影响，使金刚石能够和硫酸镍溶液混合形成更好的镀层结合力，制作的复合电极镀层不容易脱落。

根据（1）金刚石微粉预处理后，制备的复合电极应用深镜像显微镜能谱分析，可以看出表1和表2金刚石的含量明显不同，经过预处理的金刚石微粉的化学复合镀效果比未进行预处理制备出来的复合镀层金刚石的含量高出25.46%。

电极更接近理想的制备效果，从而表明金刚石微粉的预处理对金刚石-镍复合电极的质量具有决定性的影响。

2.2 "金刚石微粉的等效粒径对复合电极制备的影响

因为金刚石微粉颗粒一般不是规则的球体，而是不规则形状，比如棒状、针片状等，因此，很难用一个数值表示金刚石微粉颗粒的大小，于是引入了等效粒径这一概念来代表金刚石微粉颗粒的粒径。超声波清洗能够使这些不规则的金刚石进行相互摩擦，在一定程度上磨掉金刚石的棱角，从而得到更贴近需要的等效粒径的大小，金刚石微粉常用的粒径主要有5μm、10μm 、20μm，因为电火花加工误差不能超过0.15%，试验采用的2mm直径的金属基电极进行金刚石-镍化学复合镀，那么依此计算镀层厚度最大不能超过15μm，因为金刚石的镀覆是依靠镍金属包裹一起镀在金属基电极的表面，所以金刚石等效粒径的选择要适当，在化学复合镀施镀时间0.5h的条件下，镀层厚度如下图4所示。

由图4可以清晰的看出，选择5μm等效粒径的金刚石微粉镀层厚度较薄容易发生脱落，选择20μm等效粒径的金刚石微粉镀层厚度最大，但是这样会降低加工精度，超出了加工要求，而选择10μm等效粒径的金刚石微粉在符合电火花加工误差的条件下，镀层厚度适中，为镀层最优等效粒径。

2.3 "镀液温度对复合电极制备速度的影响

温度是影响复合电极制备的主要参数，对不同温度下进行了多组复合电极制备速度和温度的试验研究，实时记录在不同温度下制备速度，明显发现温度对镀速影响很大，当温度在70℃以下时，制备速度变化很小，当温度超过70℃时，制备速度增加迅速，但当温度上升到80℃以上时，制备速度虽然仍在增加，但是镀液性能也变得很不稳定，温度过高则会导致镀液中镍变成粉末，为保证复合电极的制备效率，如图5电极制备速度与温度关系，可以看出在温度范围为74～76℃时，复合电极的制备效率最高。

2.4 "电极后处理的温度对电极质量的影响

电极后处理的有益效果是增强了镀层结合力，强化了电极质量，能够降低电极的加工损耗。因为在化学复合镀的过程中，溶液中存在氢离子，会产生大量氢气，氢气溶于金属或镀层中，聚合为氢分子，造成内应力集中，氢脆一旦产生，就消除不了，所以需要通过脱氢过程来预防氢脆产生［10］。通过烘干处理可有效脱氢，将复合电极在180℃烘干炉中，进行除氢处理2h，随炉缓冷，使氢气在镀层中溶解度逐渐变小，直至析出。而且热处理能显著提高镀层硬度，提高镀层硬度就意味着提高镀层的结合力，镀层结合力越高镀层电极质量越好。

新的国际标准草案规定去氢处理是必要的一步“最好在镀后1h内，但不迟于3h”。国内也有相应的标准，对电镀前、后的去氢处理作了规定。电镀后去氢处理工艺广泛采用加热烘烤，常用的烘烤温度为150～300℃，保温2～24h。去氢处理常在烘箱内进行。镀镍零件的去氢处理温度为110～220℃，温度控制的高低应根椐基体材料而定。为了防止“氢脆”，镀金刚石-镍零件的去氢处理温度不能太高，通常为180～200℃，本试验为选择180℃。

3 "电火花电极加工对比试验

以紫铜电极为基体电极进行金刚石-镍复合电极制备，将制备完的参数未优化复合电极、参数优化复合电极以及普通紫铜电极进行加工对比试验，将各个电极材料裁剪成长度相同的应用电极，研究电极的损耗形状，验证参数优化后复合电极的加工效果，试验条件如表3所示。

3.1 "不同电极的侧面损耗

根据图6可以清晰的看出，普通紫铜电极的侧面损耗最大，那是因为没有保护层的原因引起的电火花侧面放电导致的；参数未优化复合电极在一定程度上降低了电极的侧面损耗，但是不是很明显；参数优化复合电极对电极的侧面损耗最低，验证了复合电极制备参数优化的有效性。

3.2 "不同电极的角损耗

根据图6的电极损耗，对电极的损耗进行详细的分析，得出表4不同电极损耗参数，根据表4可以计算出参数优化复合电极比普通紫铜电极降低了74.74%的电极角损耗；参数优化复合电极比参数未优化复合电极降低了57.29%的电极角损耗。

4 "结 "语

（1） 在进行化学复合镀前必须对金刚石微粉进行预处理，研究了金刚石微粉严格预处理的过程，提高了复合镀层的结合力和镀层的金刚石含量。

（2） 分析了金刚石微粉的粒径对复合电极制备的影响，得出最佳镀层金刚石等效粒径为10μm；通过镀液温度与制备速度的试验研究，得出最佳镀液温度74～76℃。

（3） 参数优化后制备的金刚石-镍复合电极各方面性能都有所提高，能够降低电极的侧面损；同时与普通紫铜电极相比降低了74.74%的电极角损耗，与参数未优化复合电极相比降低了57.29%的电极角损耗。

参考文献：

［1］Tsuetani S I， Yoshida K， Okada A. Fundamental Study on Electrode Performance of Diamond Composite for EDM ［J］. International Journal of Electrical Machining， 2023（28）.

［2］Sano S， Iwai M， Uematsu T， et al. Application of Polycrystalline Diamond （PCD） to EDM （1st Report）： EDM properties of diamondbased composite electrode ［J］. Journal of the Japan Society of Electrical Machining Engineers， 2008，42（100）：65-72.

［3］Hweju Z， Kopi F， AbouElHossein K.Modelling and Optimization of Electrostatic Discharge Machining Parameters Using Genetic Algorithm ［J］. Materials Science Forum， 2023：1099.

［4］Phan， Nguyen Huu， et al. “Multicriteria decision making in electrical discharge machining with nickel coated aluminium electrode for titanium alloy using preferential selection index.” Manufacturing Review 9（2022）：13.

［5］Liu Yu， Qu Jiawei， Li Xiaoming， etc Research on Material Removal Rate and Electrode Loss of SiCp/Al Composite Materials in Electric Discharge Machining ［J］. Manufacturing Technology and Machine Tool， 2022， （11）： 52-58.

［6］Yin Yi， Wu Jiang， Li Zhenyuan， et al. Study on the Influence of Bubble Distribution on Composite Electrode Loss in Electrical Discharge Machining Based on Fluent ［J］. Electrical Processing and Mold， 2023， （01）： 9-14.

［7］Zhou Xin， Wang Xiaoli， Huang Lei et al. Research progress in spray composite electrodeposition technology ［J］. Electroplating and Fine Decoration， 2024，46 （01）： 55-63.

［8］Zhao Junling， Cai Lanrong， Li Min. Experimental study on hightemperature resistance of TC4 strengthening layer reinforced with electric discharge composite electrode ［J］. Mechanical Research and Application， 2020，33 （05）： 15-17，26.

［9］Wu Jiang， Li Lin， Zhao Zhiqian， et al. Study on the Factors Influencing the Shape Loss of Composite Electrodes in Electric Discharge Milling Discharge ［J］. Electrical Processing and Mold， 2021， （S1）： 30-34，65.

［10］Gong Chen. Research on the Preparation of Magnetic Abrasives by Acidic Chemical Composite Plating Method ［D］. Dalian Jiaotong University， 2017.

基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目（编号：23JK0381）；渭南市重点研发计划项目（编号：STYKJ2022-2） ；陕西铁路工程职业技术学院中青年科技创新人才项目（编号：KJRC202208）；陕西铁路工程职业技术学院校级项目（编号：KY2020-55）。

作者简介：王文建，讲师，主要从事微细电火花加工、特种加工技术方面的研究。

（1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 "渭南 "714000；2. 郑州职业技术学院，河南 "郑州 "450000）