劉揚全，徐 斌，伍曉宇，雷建國，朱立寬，江 凱

（1. 深圳信息職業(yè)技術學院，廣東深圳 518172；2. 深圳大學，廣東省微納光機電工程技術重點實驗室，廣東深圳 518060）

塑膠齒輪（plastic gears）已廣泛應用于汽車配件、微型電機、家用電器、電子產(chǎn)品等工業(yè)領域。 塑膠齒輪的批量生產(chǎn)主要通過齒輪型腔的注塑成形獲得。 目前，電火花加工（EDM）是獲得齒輪型腔的主流技術之一。 由于EDM 通過工具電極和工件之間的放電完成材料蝕除的加工工藝[1]，非常適合加工高硬度、高強度、高脆性的金屬材料零件，已廣泛應用于航空航天、模具等領域[2-4]。 電火花加工齒輪型腔所用工具電極主要通過銑削工藝和車削工藝獲得。 具有復雜結(jié)構(gòu)特征的斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔在采用銑削加工和車削加工時，對應的工具電極存在生產(chǎn)成本高、加工周期長、工藝流程繁瑣等不足[5-6]。 激光選區(qū)燒結(jié) （selective laser sintering，SLS）是一種增材制造工藝，可實現(xiàn)設計制造的一體化，并具有制造柔性高、材料利用率高等優(yōu)點。 目前，SLS 工藝已在航空航天、精密模具等行業(yè)廣泛應用，是制造復雜結(jié)構(gòu)零部件的有效手段[7]。

以銅粉為原材料，通過SLS 工藝制備電極可有效解決目前銑削工藝制備齒輪電極的不足。 SLS 工藝通過激光燒結(jié)粉末的形式獲得零件，零件的性能與粉末的類型密切相關[8-9]。另外，對于EDM，工具電極的電導率、 材料去除率 （MRR） 和電極損耗率（TWR）是主要技術指標[10]。就此，一些學者展開了相關研究，比如Amorim 等[11]采用SLS 工藝，用純銅、青銅鎳合金、銅/青銅鎳合金和鋼合金粉末制備了電火花加工電極，并對其MRR 進行了研究；Czelusniak等[12]利用ZrB2-CuNi 粉末制備電極，并對其電火花加工性能進行了評價；Sahu 等[13]采用SLS 工藝，使用金屬基復合粉末（鋁、硅、鎂）制作電極，并將其應用于鈦的電火花加工；王婉等[14]通過將SLS 工藝與電鑄工藝相結(jié)合的方式，利用純銅粉末快速制備復雜的電火花工具電極，通過該方式獲得的工具電極具有良好的電火花加工性能。

本文通過SLS 工藝制備了齒輪銅電極，并通過熱處理工藝對齒輪銅電極的電導率進行了調(diào)控，從而有效保證齒輪銅電極的電火花加工性能，還利用該電極開展了電火花加工實驗，獲得了性能良好的齒輪電極。

1 工藝流程

本文以銅粉為原材料通過SLS 工藝制備齒輪電極，并將其應用于齒輪型腔的電火花加工，主要工藝流程見圖1。

圖1 SLS 制備工具電極及齒輪型腔的加工工藝流程

（1）第一步：根據(jù)所需齒輪型腔設計相應的工具電極（圖1a）。 以純銅粉末為原材料，通過SLS 工藝制備齒輪電極。SLS 的工藝參數(shù)如下：激光功率為200 W、掃描速度為400 mm/s、層厚為30 μm。

（2）第二步：將工具電極（圖1b）放入真空爐進行熱處理（圖1c）。熱處理可有效改善SLS 工藝缺陷的問題，從而調(diào)控工具電極的電導率并進一步提升電極的電火花加工性能。

（3）第三步：將齒輪銅電極安裝于某日本品牌的AP1L 型超精密電火花放電加工機床。以S136 模具鋼為工件，對齒輪型腔進行電火花加工。 通過機床旋轉(zhuǎn)軸和Z軸之間的聯(lián)動，完成了斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔的加工（圖1d）。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 退火溫度對工具電極電導率的影響

在SLS 工藝制備齒輪電極的過程中，激光能量的高斯分布會造成銅粉加熱不均勻和熔池冷卻不均勻。 因而，齒輪電極內(nèi)部存在大量的位錯會阻礙電子的運動，從而導致材料具有較低的電導率[15]。在電火花加工中，工具電極的電導率越大，工具電極的電火花加工損耗越小。 針對SLS 工藝所導致的位錯，本文通過熱處理工藝予以消除，從而調(diào)控齒輪電極的電導率。

將SLS 工藝制備的齒輪電極放入真空爐進行熱處理， 設置退火溫度T分別為100、300、600 ℃，保溫時間均為4 h。 對熱處理之后的齒輪電極做電導率測試，結(jié)果見圖2。 未經(jīng)熱處理的齒輪電極，其電導率為9.51 mS/m；當T=100 ℃時，齒輪電極的電導率為12.91 mS/m；隨著T增加至300 ℃，齒輪電極的電導率逐漸增加至33.8 mS/m； 隨著T增加至600 ℃，齒輪電極的電導率降低至23.07 mS/m。上述實驗結(jié)果說明，熱處理工藝可消除齒輪電極內(nèi)部的位錯，從而有利于提高齒輪電極電導率。

圖2 不同退火溫度處理后工具電極的電導率

綜上試驗結(jié)果：未經(jīng)熱處理的齒輪電極內(nèi)部存在大量的位錯，位錯密度較大。 此時，位錯相互纏繞從而形成位錯墻。 在退火溫度的影響下，位錯墻可進一步發(fā)展成亞晶。 隨著熱處理的進一步進行，亞晶界繼續(xù)吸收位錯并發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，最終形成大角度晶界（HABs）。本文對不同退火溫度的工具電極進行EBSD 測試，從而獲得工具電極再結(jié)晶晶粒、亞結(jié)構(gòu)和變形晶粒的占比，測試結(jié)果見圖3 與表1。

表1 不同退火溫度下齒輪電極的平均晶粒尺寸（D）以及再結(jié)晶晶粒（Re）、亞結(jié)構(gòu)（Su）與變形晶粒占比（De）

圖3 齒輪電極EBSD 檢測的DefRex 圖

未經(jīng)熱處理的齒輪電極的再結(jié)晶比率為7.26%（圖3a）。 隨著退火溫度由100 ℃增至300 ℃，齒輪電極的再結(jié)晶比率由11.65%增至12.41%（圖3b～圖3c）。上述試驗結(jié)果說明，退火溫度的增加促進了再結(jié)晶的發(fā)生并導致位錯密度下降。 最終，在上述因素影響下，電導率隨著退火溫度的增加而增加。

當退火溫度由300 ℃增至600 ℃， 齒輪電極的再結(jié)晶比率由12.41%降至7.39%（圖3d），平均晶粒尺寸由11.82 μm 增至12.95 μm。在上述過程中，小晶粒相互融合成大晶粒， 再結(jié)晶發(fā)生的比率降低。當退火溫度由300 ℃增至600 ℃， 變形晶粒所占比率由78.66%增至88.21%（表1）。 上述試驗結(jié)果說明， 退火溫度的持續(xù)增加導致了大晶粒的形成，同時也導致了變形晶粒的增加。 變形晶粒內(nèi)部充滿了位錯，并最終導致齒輪電極電導率的降低。

2.2 保溫時間對電導率的影響

在退火溫度的作用下，保溫時間可以保證齒輪電極內(nèi)部亞晶和大尺寸晶界的形成，并導致齒輪電極的電導率變化。 將SLS 工藝制備的齒輪電極放置于真空爐中進行熱處理，退火溫度T為300℃，保溫時間分別設置為1、2、4 h。 將熱處理之后的齒輪電極進行電導率測試，結(jié)果見圖4。 當保溫時間為1 h時，齒輪電極的電導率為30.5 mS/m；隨著保溫時間增加至2 h， 齒輪電極的電導率降至30.1 mS/m；隨著保溫時間繼續(xù)增至4 h， 齒輪電極的電導率增至33.8 mS/m。

圖4 不同保溫時間下工具電極的電導率

晶粒取向分布（GOS）是確定晶?；兊闹匾椒ā?在GOS 圖中，晶?；儑乐氐膮^(qū)域具有較高的位錯密度。 臨界GOS 值是第一個峰值的最后一個點。當晶粒的GOS 值小于臨界GOS 值時，晶粒內(nèi)部具有較小的位錯密度。 如圖5 所示，當保溫時間分別為1、2、4 h， 臨界GOS 值分別為1.85°、0.95°和1.75°。 根據(jù)試驗結(jié)果，當保溫時間分別為1、2、4 h，GOS 值小于臨界GOS 值的晶粒比例分別為79.6%、44.1%和70.9%。 因此，隨著保溫時間由1 h 逐漸增至4 h， 齒輪電極的電導率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。此外，隨著保溫時間由1 h 增至2 h，齒輪電極中晶粒的平均尺寸由10.57 μm 增至14.12 μm， 變形晶粒所占的比率則由80.93%增至91.64%（表2）。

表2 不同保溫時間下齒輪電極的平均晶粒尺寸（D）以及再結(jié)晶晶粒（Re）、亞結(jié)構(gòu)（Su）與變形晶粒占比（De）

圖5 不同保溫時間工具電極的GOS 圖及GOS 值頻率曲線

在上述過程中，小晶粒相互融合長大成為大晶粒，再結(jié)晶發(fā)生的比率降低。 隨著變形晶粒的增加，位錯密度隨之增加，并最終導致電導率下降（圖4）。當保溫時間由2 h 增至4 h，齒輪電極中晶粒的平均尺寸由14.12 μm 降至11.82 μm， 變形晶粒所占的比率則由91.64%降至78.66%（表2）。 在上述過程中，變形晶粒內(nèi)部的位錯形成亞晶并進一步發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。 亞晶的形成和動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生會吸收位錯，從而導致位錯密度下降。 因此，在上述因素的影響下，齒輪電極的電導率呈現(xiàn)增加的趨勢。

3 電火花加工應用

3.1 齒輪電極的電火花加工性能

將齒輪電極放入真空爐進行熱處理，分別設置退火溫度為100、300、600 ℃，保溫時間為1、2、4 h。再將熱處理后的9 個齒輪電極分別應用于電火花加工。 電火花加工時，設置開路電壓為120 V、峰值電流為1 A、 脈沖寬度Ton為150 μs、 脈沖間隔Toff為50 μs，S136 模具鋼為工件。 在電火花加工后，采用稱重法分別測量齒輪型腔的MRR（mm3/min）和齒輪電極的損耗率（TWR，mm3/min）。 試驗的結(jié)果見圖6 和圖7。

圖6 退火溫度和保溫時間對齒輪電極MRR 的影響

圖7 退火溫度和保溫時間對齒輪電極TWR 的影響

MRR是衡量EDM 加工效率的重要指標，MRR越大，EDM 的加工效率越高。如圖6 所示，在600 ℃退火溫度和4 h 保溫時間的作用下， 工具電極能獲得最大的MRR。 未經(jīng)熱處理的齒輪電極，在電火花加工時MRR為0.338 5 mm3/min。 在退火溫度和保溫時間作用下，MRR增加并在0.357 9 ～0.387 2 mm3/min 范圍內(nèi)變化。 未經(jīng)熱處理的齒輪電極內(nèi)部存在氣孔、微裂紋等缺陷。 這些缺陷會影響齒輪電極的電火花加工性能，從而對MRR產(chǎn)生不利影響。熱處理工藝能夠一定程度上消除氣孔、微裂紋等缺陷，從而提升工具電極的電火花加工性能。

TWR是衡量工具電極損耗的重要指標，TWR越大，工具電極的損耗越大。 損耗比（σ）是MRR與TWR的比值。σ 越大，則表示EDM 具有較高的性價比。 如圖6 所示，齒輪型腔的MRR變化不大。 為獲得更高的σ，從而保證EDM 的有效性，需要降低齒輪電極的TWR。TWR與齒輪電極的電導率息息相關。 齒輪電極的電導率越大，TWR越小。

已知退火溫度為300 ℃、保溫時間為4 h 時，齒輪電極具有最大電導率（33.8 mS/m）。 此時，如圖7所示，齒輪電極的TWR最小（0.002 4 mm3/min）。 此工況下，如圖8 所示，EDM 具有最大的σ（155.92）。在退火溫度為100 ℃、保溫時間為4 h 時，齒輪電極具有最小電導率（12.23 mS/m）。 此時，齒輪電極的TWR最大（0.006 mm3/min）。此工況下，如圖8 所示，EDM 具有最小的σ（59.23）。

圖8 退火溫度和保溫時間對齒輪電極σ 的影響

3.2 電火花加工齒輪型腔

為了驗證本文所提工藝的可行性，本文設計了斜齒輪電極和斜錐齒輪電極。 斜齒輪電極的模數(shù)為1，齒數(shù)為11，螺旋角為30°。斜錐齒輪電極的模數(shù)為0.7，齒數(shù)為13，螺旋角為30°。通過SLS 工藝制備斜齒輪電極和斜錐齒輪電極，并將其置于真空爐中進行熱處理。 退火溫度設置為300 ℃，保溫時間設置為4 h。 將開路電壓、 峰值電流、Ton、Toff分別設置為120 V、1 A、150 μs 和50 μs。隨后，將斜齒輪電極和斜錐齒輪電極應用于齒輪型腔的電火花加工。

如圖9～圖11 所示， 斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔的表面形貌和形狀精度良好。 斜錐齒輪型腔的表面粗糙度為Ra1.882 μm。斜齒輪型腔表面粗糙度為Ra1.086 μm。 上述實驗結(jié)果說明，將SLS 工藝制備的齒輪電極可用于電火花加工。

圖9 齒輪電極電火花加工獲得的齒輪型腔

圖10 斜齒輪型腔的局部放大圖及表面粗糙度

圖11 斜錐齒輪型腔的局部放大圖及其表面粗糙度

4 結(jié)論

對于斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔，銑削加工對應的工具電極存在制造柔性低、工藝流程繁瑣等問題。 針對上述問題， 本文以銅粉為原材料通過SLS工藝制備齒輪電極，并將其用于斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔的電火花加工，得到的主要結(jié)論如下：

（1） SLS 工藝制備齒輪電極存在大量位錯，從而導致齒輪電極具有較低的電導率。 熱處理工藝可消除齒輪電極的位錯，從而有效提高齒輪電極的電導率。 與保溫時間相比，退火溫度能顯著影響齒輪電極的電導率。 當退火溫度為300 ℃、保溫時間為4 h，齒輪電極具有最大的電導率（33.8 mS/m）。

（2） 熱處理工藝對MRR影響不大， 對齒輪電極的TWR影響顯著。TWR與齒輪電極的電導率息息相關。齒輪電極的電導率越大，TWR越小。當退火溫度為300 ℃、保溫時間為4 h，齒輪電極具有最大的電導率（33.8 mS/m）。 此時，齒輪電極具有最小的TWR（0.002 4 mm3/min）。

（3） 在120 V 電壓、1 A 峰值電流、150 μs 脈沖寬度和50 μs 脈沖間隔的作用下， 齒輪電極被用于電火花加工，獲得了表面形貌和形狀精度良好的斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔。 斜錐齒輪型腔的表面粗糙度為Ra1.882 μm。 斜齒輪型腔表面粗糙度為Ra1.086 μm。 與銑削獲得的齒輪電極相比，本文制備的齒輪電極，其MRR提升了31.53%，從而有效提升了齒輪型腔的電火花加工效率。