絕緣陶瓷材料電火花線切割加工研究

丁陽喜 廖芳蓉 鄔 哲

(華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013)

絕緣工程陶瓷具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是推進21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)進步的主導(dǎo)材料之一［1－2］。然而其非導(dǎo)電性、高硬脆性給加工帶來了極大的困難，限制了它的進一步應(yīng)用［3－5］。研究高精度、高效率、低成本的絕緣工程陶瓷材料的加工方法就成為陶瓷產(chǎn)業(yè)一個需要迫切解決的問題。

電火花線切割加工作為一種加工高硬度材料和加工復(fù)雜形狀零件的方法，近20年在陶瓷材料的成形加工應(yīng)用研究上發(fā)展很快，尤其是近幾年來，人們沖破了長期以來認(rèn)為電火花加工只能加工導(dǎo)電性材料的傳統(tǒng)束縛，采用輔助電極法，使絕緣性材料的電火花加工成為可能［6－8］。本文對電火花線切割加工過程中，放電參數(shù)對絕緣陶瓷材料加工速度及加工表面質(zhì)量的影響進行研究，為絕緣陶瓷材料電火花線切割加工提供理論和工藝指導(dǎo)。

1 加工原理

在加工絕緣陶瓷材料之前，需在材料表面制備一層導(dǎo)電的輔助電極，并浸沒在含有碳元素的油類工作液中進行，加工工件接正極，絕緣陶瓷材料電火花線切割加工原理如圖1所示。加工開始階段，首先實現(xiàn)輔助電極(工件)和鉬絲(負(fù)極)的放電加工，放電加工時產(chǎn)生的大量熱能會使工作液受熱分解，生成游離的碳。在電場的作用下，游離的碳迅速吸附在正極(工件)加工表面，形成維持放電加工的一層導(dǎo)電碳黑膜，為下一次放電加工提供條件，如此循環(huán)，使電火花線切割放電加工可以持續(xù)不斷地進行。

2 實驗設(shè)備

以泰安生建電加工機床廠生產(chǎn)的DK7740型數(shù)控線切割機床作為實驗用加工機，機床的高壓選用110 V，低壓為95 V，被加工材料為絕緣陶瓷材料Si3Al3O3N5，其表面通過涂覆導(dǎo)電膏作為輔助電極，鉬絲直徑0.18 mm，加工工作液為煤油，采用浸泡式加工。

3 實驗結(jié)果及分析

實驗采取單因素法，重點考察脈沖寬度、峰值電流、脈寬系數(shù)在加工絕緣陶瓷時對加工速度和工件表面質(zhì)量的影響。

3.1 脈沖寬度的影響

采用峰值電流為8 A，脈間脈寬比為Ti=3，脈沖寬度分別為 16 μs、32 μs、48 μs、64 μs進行加工實驗。圖2、圖3分別為脈沖寬度對加工速度、加工表面粗糙度的影響情況。由圖2可知，加工速度隨脈沖寬度的增加而增加，成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)脈沖寬度為實驗最大的Ton=64 μs時，加工速度達(dá)到最大。這是因為脈寬越小，單位時間里釋放的能量也就越小，蝕除速度越慢。隨著脈沖寬度的增大，單位時間內(nèi)釋放的能量也越大，放電過程中使煤油液工作中碳元素的析出速度加快，容易形成導(dǎo)電膜，從而更容易形成有效放電，提高加工速度。當(dāng)脈沖寬度超過48 μs時，加工時電弧放電現(xiàn)象也隨之增多，加工變得不穩(wěn)定。由圖3可知，陶瓷材料加工面的表面粗糙度值隨著脈沖寬度的增加而增大。這是因為，脈沖寬度的增大意味著單個脈沖的放電能量W增大。由于材料的熱學(xué)性能是一定的，則單個脈沖的蝕除量也增加，微觀上使放電蝕坑變大，從而使加工面的表面粗糙度值增大。

圖4為脈間脈寬比Ti=3，峰值電流Imax=8 A，脈沖寬度16 μs、32 μs加工后陶瓷工件表面的電子掃描結(jié)果。由圖可知兩者的表面質(zhì)量有著明顯差異，脈沖寬度Ton=16 μs的表面明顯要平滑，粗糙度值遠(yuǎn)小于后者。

3.2 峰值電流的影響

采用脈沖寬度Ton=48 μs，脈間脈寬比為3，峰值電流分別為4 A、6 A、8 A、12 A進行加工實驗。圖5、圖6為峰值電流對加工速度及表面粗糙度的影響影響情況。

由圖5可知，當(dāng)峰值電流為12 A時達(dá)到了最快的加工速度。分析加工過程可知，當(dāng)峰值電流小于8 A時，單個脈沖所含有的能量值較小，由于陶瓷材料熔點高，熔化及汽化的過程中所需能量較大，導(dǎo)致蝕除速度緩慢，蝕除的方式也以熔化、汽化分離為主。當(dāng)峰值電流增大到12 A時，加工速度明顯提高。當(dāng)峰值電流進一步增大時，加工蝕除的方式由以熔化、汽化分離為主向以熱剝離或熱應(yīng)力去除的方式轉(zhuǎn)變，加工材料表面出現(xiàn)較大的放電蝕坑，陶瓷材料及導(dǎo)電膜開始整體去除，這也是加工速度明顯提高的原因。由圖6可知，峰值電流對表面粗糙度的影響經(jīng)歷了一個先抑后揚的過程。當(dāng)峰值電流較小時，隨著峰值電流的增加，表面粗糙度值逐漸減小;當(dāng)峰值電流達(dá)到8 A時，隨著峰值電流的增加，表面粗糙度值緩慢增大。圖7為加工表面顯微掃描圖，峰值電流Imax=4 A的表面凹凸明顯多于峰值電流Imax=8 A的表面，而且凹凸的棱角更加明顯，表面粗糙度值明顯大于后者。

3.3 脈寬系數(shù)的影響

采用峰值電流為3 A，脈沖寬度為32 μs，脈間脈寬比分別為2、4、6、8進行加工實驗。圖8、圖9為脈間脈寬比對加工速度與加工表面粗糙度的影響情況。

由圖8可知，在脈間脈寬比為6時達(dá)到了一個峰值，這是因為在脈間脈寬比增大的過程中，寬脈沖放電的頻率增高，從而更有利于碳元素導(dǎo)電膜的形成，因此加工更穩(wěn)定，加工速度變快。當(dāng)脈間脈寬比超過6時，加工時電弧放電現(xiàn)象也隨之增多，加工變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工速度減慢。由圖9、圖10可以看出，表面粗糙度值與脈間脈寬比之間成先減小后增大的關(guān)系，這是因為，當(dāng)脈間脈寬比較小時，放電能量只能使材料產(chǎn)生熔融，蝕除量小且蝕除速度很慢，材料熔凝后使加工表面粗糙度值增大，隨著脈間脈寬比的增加，材料熔化汽化后被有效拋出，加工表面粗糙度值減小。當(dāng)脈間脈寬比在3～6之間時，加工表面粗糙度值最小;脈間脈寬比超過6以后，加工時電弧放電現(xiàn)象也隨之增多，加工變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工表面粗糙度值增大。

4 結(jié)語

(1)實驗證明，絕緣陶瓷材料能通過電火花線切割進行加工，只要控制好實驗參數(shù)，即能達(dá)到一定的加工質(zhì)量。

(2)加工蝕除速度與脈沖寬度、峰值電流成正相關(guān)關(guān)系，在脈間脈寬比為6時，加工速度達(dá)最大值。

(3)加工表面粗糙度與脈沖寬度、脈間脈寬比成正相關(guān)關(guān)系，而峰值電流對表面粗糙度的影響經(jīng)歷了一個先減小后增加的過程，當(dāng)峰值電流超過8 A時，表面粗糙度隨峰值電流的增加而緩慢增大。

［1］Schulz H，Prot，Spur G.High speed turn － milling a new precision manufacturing technology for the machining of rotationally symmetrical workpieces［J］.Annals of the CIRP，1990，39(1):107 －109.

［2］潘立，謝偉東.陶瓷材料磨削加工的技術(shù)研究及發(fā)展現(xiàn)狀［J］.機械工程學(xué)報，2003，39(6):4 －16.

［3］Kim Hee Seung，Seo Mi Young，Kim Ik Jin.Advanced engineering ceramics for semiconduct or package technology［J］.Key Engineering Materials，2007，336 －338 II:1155 －1158.

［4］陳益飛，張有，戎活躍.絕緣工程陶瓷電火花加工技術(shù)研究進展［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2012(2):172－177.

［5］郭永豐，白基成，劉海生，等.絕緣陶瓷電火花磨削加工的研究［J］.電加工與模具，2006(1):54－57.

［6］Naotake Mohri，Yasushi Fukuzawa，Takayuki Tani，et al.Assisting electrode method for machining insulating ceramics［J］.Annals of CIRP，1996，45(1):201 －204.

［7］徐小兵.絕緣性陶瓷電火花加工原理和輔助電極膜制備探討［J］.新技術(shù)新工藝，2003(5):17－18.

［8］李雪，王鶴，熊建橋，等.工程陶瓷材料電火花線切割加工機理研究［J］.制造技術(shù)與機床，2012(5):117 －121.