工程陶瓷的電火花加工技術

摘 要 本文回顧了近20年來工程陶瓷的電火花加工技術的產(chǎn)生與發(fā)展歷程，并論述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

關鍵詞 電火花加工，工程陶瓷，研究現(xiàn)狀

1引言

目前，工程陶瓷材料已獲得越來越廣泛的工程應用，但是由于傳統(tǒng)的加工方法，如超聲加工和激光加工等存在價格高、容易破壞陶瓷表面的完整性和難以加工三維立體曲面等缺點，電火花加工技術（EDM technology）以其良好的成本競爭力及優(yōu)良的加工特征，成為陶瓷材料加工的標準工藝之一。電火花加工是利用工具電極和有一定電導率的工件之間的脈沖性火花放電時的電腐蝕來蝕除多余的材料，它是一種非接觸性加工，是加工高脆、超硬陶瓷材料的理想方法。但是陶瓷的電導率較低，大多低于100Ω/mm或者300Ω/mm，國內(nèi)外學者對如何解決電火花技術，包括電火花成形加工、電火花線切割、電火花銑削、電火花磨削等加工陶瓷的問題進行了多方面的探討。

2國外加工現(xiàn)狀

1988年，W·Konig 等人研究了電導率約為100Ω/cm的工程陶瓷(Al₂O₃，TiO₂，ZrO₂，SiC，Si₃N₄，TiC)。結果發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的加工方法，電火花加工方法可達到高的去除率。與加工金屬不同，陶瓷加工過程中，在材料去除率、表面粗糙度、加工材料的物理參數(shù)之間缺乏相關性，為保證加工穩(wěn)定，陶瓷工件的組織結構必須均勻一致^[1]。

日本長岡技術科學大學Fukuzawa和豐田工業(yè)大學N·Mohri為使電火花加工絕緣陶瓷達到適用化，提出輔助電極法加工絕緣陶瓷的方法。如圖1所示，用金屬盤或者金屬網(wǎng)覆蓋于陶瓷絕緣體表面作為輔助電極，這樣電火花成形加工或者電火花線切割就能很容易進行。電導復合材料（包括工作液分解出的碳顆粒）不斷在陶瓷表面生成，從而保證了加工的持續(xù)進行^[2～4]；運用電火花線切割加工Si₃N₄絕緣陶瓷時，采用Mo、Cu、Cu-Zn三種不同的線電極材料，得出了電極材料對表面粗糙度、材料去除率、峰值電流間的關系圖。電火花線切割的電極絲張緊力低于傳統(tǒng)的張緊力時，可獲得高加工效率。在運用Mo線電極材料加工且線速度低于4mm²/min情況下，頻繁出現(xiàn)斷絲。一般取線電極張力值為加工時張力的1/4時（2.45N），可穩(wěn)定高效地加工，其它線電極材料加工時也有類似現(xiàn)象。運用電火花線切割加工4mm、70mm、100mm厚的陶瓷板，在100mm厚的陶瓷板上加工出直徑為1mm的圓柱體（如圖2），直線度和圓度分別是12μm和17μm。研究中發(fā)現(xiàn)為減少熱應力造成的加工工件彎曲量，應改變加工路徑，圖3所示的是不考慮熱應力時的加工路徑和考慮熱應力時的加工路徑。結果顯示，工件厚度為0.2mm時，改變加工路徑可使加工工件的彎曲量為原來的1/4。另外，還在50mm3的陶瓷立方體中加工出椅子形狀（如圖4），加工時間雖然長達24h，但機械加工方法無法完成該工作^[5]。

B·Lauwers，J·P·Kruth等人通過分析摻雜導電物質的ZrO₂基、Si₃N₄基和Al₂O₃基陶瓷材料表面和亞表面的顆粒，研究了材料去除機理。他們認為，除了典型的電火花去除機理，如熔化、氣化、拋離外，還有陶瓷基體材料的氧化和分解等過程，這種現(xiàn)象在電火花線切割Si₃N₄基陶瓷時尤為明顯^[6]。

Matsuo等研究了導電碳化物NbC和TiC摻雜對電火花線切割加工ZrO₂基、Al₂O₃基陶瓷的加工速度和表面粗糙度的影響，得出碳化物NbC或者TiC在陶瓷中的含量比為28%～30%時材料去除率最高的結論^[7]。

I·Puertas，C·J·Luis選擇三種應用日趨廣泛的不同的陶瓷材料B₄C、SiSiC和WC-Co，研究了導電陶瓷的電火花加工方法。通過試驗設計，研究了試驗因子峰值電流、脈沖寬度和脈沖占空比對響應因子（表面粗糙度、材料去除率、電極損耗率）的影響，并得出了多元線形回歸方程。研究發(fā)現(xiàn)，SiSiC、WC-Co陶瓷材料的表面粗糙度隨峰值電流或者脈沖占空比的增大而增大；相反，B₄C的表面粗糙度隨峰值電流或者脈沖占空比增大而減小；隨著峰值電流的增加，加工B₄C時工具電極的損耗隨之增加，而加工SiSiC、WC-Co時工具電極的損耗卻隨之減小到一極限值；加工B₄C時，電極損耗隨脈寬增加而增加，而加工SiSiC、WC-Co時，電極損耗隨脈寬的增加而減少；加工B₄C時，脈沖占空比越大，電極損耗越大，加工SiSiC、WC-Co時，情況正好相反；在三種加工材料中，材料去除率都隨峰值電流或脈沖占空比的增大而增大^[8]。

3國內(nèi)加工現(xiàn)狀

香港理工大學LEE，T.C.，ZHANG，J.H等對電火花加工陶瓷材料進行了系統(tǒng)的研究，提出了陶瓷表面光潔度的經(jīng)驗公式。他們發(fā)現(xiàn)，放電電流對陶瓷材料去除率和放電痕半徑影響較大，而脈寬對表面粗糙度SR和White layer影響較大^[9]；他們認為電火花線切割氧化物基陶瓷和非氧化物基陶瓷是可行的^[10]；運用超聲振動(USM)輔助電火花加工法，加強了電介質在放電間隙的流通，大大改善了表面質量，降低了白層的厚度；同時發(fā)現(xiàn)，電火花線切割陶瓷時，存在一極限峰值電流，當超過該值時，加工速率急劇下降^[11]。

山東工程學院王斌修對結構陶瓷的電火花蝕除機理進行了分析，將其歸納為以下過程：升華、熔化、熱剝離、整體顆粒移除、氣化和再凝固粘附相的熱剝離^[12]。利用蝕除機理對加工過程進行了預測和分析^[13]，李淑玉分析了工程陶瓷材料的電火花加工方法及工藝，得出了適合快走絲電火花線切割的高效加工工藝^[14]。傳統(tǒng)的電火花加工點源產(chǎn)生的放電波形為方波，熱能不能高度集中，因此，加工工程陶瓷時材料去除率很低，未來的趨勢是研究寬峰值電流的專用電源。山東工業(yè)大學的霍孟友通過專用脈沖電源放電能量的控制，進行了導電工程陶瓷材料的電火花放電加工試驗研究，提供了一種穩(wěn)定加工導電性工程陶瓷且能控制加工質量的電火花放電加工方法^[15]。

4結束語

本文論述了國內(nèi)外學者在電火花加工陶瓷機理上和工藝上的研究。工程陶瓷由于其卓越的力學、聲學、化學等性能而獲得越來越廣泛的應用，它的加工要求也越來越高。由于電火花加工技術可加工復雜形狀材料，且不受加工材料的硬度限制、不磨損加工材料，因此已成為陶瓷材料加工的良好方法之一。但如何利用電火花技術高效加工工程陶瓷仍需進一步研究探討。

參考文獻

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15 霍孟友.導電性工程陶瓷材料的放電加工研究[J].新技術新工藝，2000，（6）：12～14