磁场辅助电火花线切割加工烧结钕铁硼试验研究

王 超，廉中旭，于 朋，许金凯

（长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022）

1 引言

烧结钕铁硼永磁材料是使用粉末冶金工艺加工生产，这种工艺首先将熔炼的合金制成粉末，在磁场环境下压制成压胚，随后将压胚在极不活泼的惰性气体中烧结从而达到致密化，最后可通过时效热处而提高磁体的矫顽力。

目前钕铁硼磁体在汽车产业上的应用，是钕铁硼磁性材料应用最为广泛的领域之一，汽车上使用的各类电动机中，80%是稀土永磁电动机，可以通过缩小电机使汽车整体降低质量。而在电机领域钕铁硼永磁体优异的性能也发挥重要的作用，工业电机的通用设备耗电量高，但如果在通用设备中使用钕铁硼永磁无铁电机则可提高其运行效率，节约电能。

而其优良的性能，磁体的体积和质量均可大幅度降低，保证输出功率恒定[1]。

然而由于钕铁硼永磁材料具有硬度高、脆性大、且本身所带的磁性的特性，当用传统车削，铣削等加工方法其加工效率低，质量差。国内外针对加工该材料开展了不同的试验研究，其中文献[2]以表面粗糙度和熔渣量做为衡量指标利用激光切割加工烧结钕铁硼磁性材料，并进行试验，最终得出了在激光加工烧结钕铁硼过程中，脉冲宽度、频率和电流等不同电参数的影响。文献[3]在电火花线切割对烧结钕铁硼永磁材料进行加工的同时，分别利用车削、铣削等传统加工方法进行对照实验，结果发现相对于车削和铣削等传统加工方式，电火花线切割加工烧结钕铁硼永磁材料效率更高，工件质量更好。文献[7]则研究了电火花线切割加工的工艺参数对烧结钕铁硼材料的材料去除率的影响规律。文献[9]则利用常压浇注与高压喷液两种供液方式对烧结钕铁硼（NdFeB）永磁材料进行了电火花线切割加工对比试验。试验研究发现高压喷液方式较常压浇注方式切割效率提高35.46%，丝损降低18.75%。文献[4]则在电火花线切割加工的方式下，利用磁场辅助的方法来改善其加工性能，试验结果显示当添加磁场辅助时被加工材料的材料去除率、表面精度等均有效地提高了。文献[10-11]团队用磁场辅助的方式，研究了电火花线切割加工非磁性材料和磁性材料的过程，研究结果发现利用磁场辅助的方式可以使放电通道的形状发生改变，并且可以使粒子的运动轨迹延长，从而改善加工性能。综上，国内外学者通过研究得出相对于传统加工方式，电火花线切割加工烧结钕铁硼永磁材料具有高效率，质量好等特点。推断出了在磁场辅助下，电火花线切割加工的加工性能可得到显著改善，但利用磁场辅助的方法是否能改善电火花线切割加工烧结钕铁硼材料的效率和表面质量研究尚且不足，所以提出运用电火花线切割加工方式，结合外界磁场辅助对烧结钕铁硼永磁材料进行加工试验研究。

2 实验条件

2.1 实验设备

实验所采用的主要加工设备为HA400U型中走丝数控线切割机床，钼丝直径为0.25mm、工作液为比例1：40的JR3A乳化液，磁场辅助装置。

2.2 加工示意图

实验采用旋转磁场装置，假设其加工过程中为匀强磁场，则加工示意图，如图1所示。

图1 电火花线切割加工工件过程示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Processing Process

2.3 实验材料

实验材料为烧结钕铁硼材料，其主要成分为稀土钕（Nd）元素、稀土镨（Pr）元素、铁（Fe）元素和少量硼（B）元素[4]。

用于加工实验的烧结钕铁硼首先按统一的电加工参数（脉冲宽度为16μs，峰值电流为3 档位，脉冲间隔比为8 档位，电压为100V）。

通过电火花线切割预先加工成（40×10×12）mm 的长方体板材可以方便加工并且形成一致的加工基准面，

3 正交实验

HA400U型中走丝数控线切割机床可调电参数多，不同加工参数对表面粗糙度、材料去除率等工艺指标的影响不同，实验可采用正交实验设计的方法，是研究多水平多因素的实验设计方法，通过正交实验可以达到利用较少的实验次数而得到实验参数对表面粗糙度、材料去除率等衡量指标的影响[6-7]。此处选取电火花线切割加工中的脉冲宽度，脉冲间隔比，峰值电流三个重要电参数，其中脉冲间隔比为脉冲间隙与脉冲宽度之比，峰值电流（1～4）档位，单脉冲峰值电流约为0.8 乘以2 的档数乘以脉冲宽度，即Ipeak≈0.8*2I_max-1*Pul_on设计三水平三因素试验。实验因素水平及实验结果见表1，其余参数包括丝速2档，电压100（V）。

为对比磁场辅助加工的效果，除正交实验的9组实验外，为了对比磁场辅助加工后是否有不同的效果，添加辅助磁场后，又进行了9组有磁场辅助加工的对照实验。峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隔比按正交实验表中相同的实验参数进行电火花线切割加工实验。工件在加工前利用超声振动清洗仪进行清洗，以避免工件表面杂质影响加工效率，而在加工后也要进行清洗，避免影响后续的测量及观测。每组参数切割尺寸为（10×18×2）mm的工件，并且记录时间，以便计算材料去除率，并且采用型号为LD120的表面粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度，工艺指标中材料去除率按单位时间内加工的工件面积计算，计算公式，如式（1）所示。

MRR=s/t（1）

式中：s—加工面积，单位为mm2；t—加工时间，单位为s；MRR—材料去除率，单位为mm2/s。

4 实验结果与分析

4.1 主要电参数对表面粗糙度及材料去除率的影响结果分析

测量未加磁场辅助的加工工件表面粗糙度并计算其材料去除率，记录结果，如表1所示。

表1 无磁场辅助电火花线切割烧结钕铁硼正交试验结果Tab.1 Orthogonal Experimental Results of NdFeB without Magnetic Field Assisted of WEDM

对表1数据结果进行计算分析[6]得出，如表2、表3所示。从表2可以得出KA1＜KA3＜KA2，所以由极差分析可以判断A因素中的优水平为A1，同理可以确定B、C因素的优水平分别为B1，C2，所以各个因素的最优水平组合为A2B3C1，即当脉冲宽度为16μs，脉冲间隔比为8，峰值电流为2档位时，表面粗糙度最小。另通过极差值R的大小，可以判断各因素对表面粗糙度的影响顺序，所以根据RB＞RA＞RC，可以得出脉冲间隔对粗糙度影响最大。

表2 表面粗糙度实验结果分析Tab.2 Analysis of Surface Roughness Results

表3 材料去除率实验结果分析Tab.3 Analysis of the Removal Rate of the Material Results

从表3 可以得出KA1＜KA2＜KA3，所以由极差分析可以断定A因素的优水平为A1，同理可以确定B、C因素的优水平分别为B1，C3，所以各个因素的最优水平组合为A1B1C3，即当脉冲宽度为16μs，脉冲间隔比为8，峰值电流为3 档位时，材料去除率最优。另通过极差值R的大小，可以判断各因素对表面粗糙度的影响顺序，所以根据RB＞RA＞RC，可以得出脉冲间隔比各因素对材料去除率影响最大。

4.2 磁场辅助对表面粗糙度（Ra）及材料去除率（MRR）影响结果分析

根究正交实验设计数据进行实验，并且其他条件不变，添加磁场辅助做另一组实验，按照前文公式计算材料去除率并且测量样件表面粗糙度，记录结果，如表4所示。

表4 磁场辅助电火花线切割烧结钕铁硼正交试验验及无磁场辅助对照试验结果Tab.4 Field-Assisted WEDM Cutting Machining of NdFeB Orthogonal Experiment and Results without Magnetic Field

利用表4数据生成折线图，以便更加直观的对有无磁场时粗糙度与材料去除率的区别，如图2、图3所示。

图3 有无磁场辅助时Ra结果对比图Fig.3 Comparison of Ra Results with or without Magnetic Field Assistance

图2 是有无磁场辅助时的9 组实验材料去除率MRR 的结果。从图中可以观察出，在其余电参数相同的加工条件下，有磁场辅助时加工的材料去除率MRR 相对于无磁场辅助加工时，均有明显幅度增加。

通过材料去除率MRR的对比结果，在电火花线切割加工过程中，磁场辅助可以显著的提高电火花线切割加工烧结钕铁硼的材料去除率。

图3 是有无磁场辅助时的9 组实验表面粗糙度Ra的结果。从图中可以观察出，在其余电参数相同的加工条件下，添加磁场辅助后被加工的工件表面粗糙度Ra相较于无磁场辅助时工件表面粗糙度均有所减小。表面粗糙度Ra的对比结果同样说明，加工过程中，磁场辅助可以显著提高电火花线切割加烧结钕铁硼的表面质量。

4.3 磁场辅助对表面微观形貌及总能谱影响分析

使用型号为EV0 MA25的扫描电子显微镜对工件表面微观形貌进行观察，并且做能谱分析，结果，如图4、图5所示。

图4 不同表面的SEM对比图Fig.4 Comparison of SEM Images of Different Surfaces

图4是第1组和第8组参数加工的工件通过扫描电子显微镜得到的工件表面SEM图。从图中对比可看出，图4（a）中的工件表面的电蚀坑尺寸要比图4（c）的工件大得多，而且在高温下熔融的金属再结晶蚀除颗粒大部分附着在工件表面上、未加磁场辅助加工时工件表面产生的气孔比加磁场辅助时加工工件的大且多。

这说明，在连续脉冲放电加工过程中，外界磁场辅助可以使电火花放电通道内的电子更加集中且分布更均匀，并且可以利用磁场吸附作用来磁场避免气化的蚀除物碎片再次液化结晶附着在工件表面，从而影响工件表面质量，所以在磁场辅助下加工后的工件表面更均匀，加工后表面质量更好。

图4（b）、图4（d）是图4（a），图4（c）中两组工件放大3000 倍的表面SEM图。

对比图4（b）、图4（d）可以发现，相同加工条件下，有磁场辅助加工时工件表面的裂纹比物磁场辅助加工的少，而且裂纹长度要比无磁场辅助的短。

图5为不同加工条件下工件表面总能谱图：从图5（a）可以看出，未加磁场辅助利用电火花线切割加工后的烧结钕铁硼中Fe与Nd的占比分别为46.2%和31.4%，由于Fe的熔点较高于Nd的熔点，所以经过加工放电高温熔化后的Fe更易重新凝固形成重铸层，影响加工表面质量，而图5（b）中加磁场辅助加工的工件表面Fe与Nd的占比分比为34.9%和29.4%，可以看出较未加磁场辅助时Fe占比明显下降，证明更多熔融的Fe通过磁场吸附而排除，从而使加工表面粗糙度等有明显改善。

图5 不同条件下工件面总能谱图Fig.5 Total Energy Spectrum of the Workpiece Surface Under Different Conditions

5 结论

（1）通过对正交实验结果分析，得出电火花线切割主要电参数对被加工工件的表面粗糙度的最优组合为脉冲间隔比8，脉冲宽度16μs，峰值电流2档位，影响最大的为脉冲间隔比。而对被加工工件的材料去除率的最优组合为脉冲间隔比8，脉冲宽度16μs，峰值电流为3档位，影响最大因素为脉冲间隔。

（2）通过对有无磁场辅助时，工件表面粗糙度和材料去除率的变化，可以看出在磁场辅助下工件表面粗糙度及材料去除率得到明显改善。

（3）通过扫描电子显微镜观测有无磁场辅助时的工件表面，可以发现未加磁场辅助工件表面的颗粒、电蚀坑尺寸和气孔要比加磁场辅助加工的工件大得多，并且工件表面的裂纹较少，这说明在相同加工条件下有磁场辅助时加工后表面质量更好。

（4）通过有无磁场辅助加工的零件表面能谱分析可以发现，其中Nd与Fe的元素占比发现明显变化，其中在磁场辅助下更多熔融的Fe元素通过磁场吸附而排除，从而使加工表面粗糙度等有明显改善。