工程陶瓷材料電火花線切割加工的機理研究*

李 雪 王 鶴 熊建橋 袁新芳 鞠仁元

(①南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 211167;②河南工程學院機械工程系，河南鄭州 451191)

工程陶瓷材料因其具有高強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、重量輕等優異的性能，越來越受到材料科學工作者的極大重視，被日益廣泛地應用于現代工業、國防和高科技等領域［1－2］。但是工程陶瓷具有很大的硬脆性，傳統的加工方法很難加工，因而嚴重阻礙了其推廣應用。目前對陶瓷材料最常用的機械加工方法是切削加工，主要是車削加工和磨削加工。機械磨削加工存在成本高、效率低和加工表面易產生微裂紋等問題。另外還有激光加工、高壓水噴射切割加工、電子束及其離子束加工、超聲加工和電加工等加工方法。超聲波加工效率低、工具損耗較嚴重;激光加工主要適用于切割和打孔，且設備昂貴［3］;而電火花放電加工卻能對電阻率小于100 Ω·cm的陶瓷材料進行高效率、低成本的加工［4］。例如:日本學者福澤康、毛利尚武等利用工具電極與放置在絕緣工程陶瓷上的金屬輔助電極間的火花放電作用，以及火花放電時的碳化導電作用，在煤油中實現了對絕緣工程陶瓷的電火花加工，該研究成果最具有代表性，但仍未達到實用化的程度;日本學者黑松彰雄等開展了機械電解電火花復合磨削技術的研究工作，該復合磨削方法與單純的機械磨削方法相比具有生產率高、加工質量好和成本低等優點，但由于加工過程中排出一些有害的電解氣體，易污染環境和銹蝕機床，因此未能在實際生產中得到推廣應用［5］。

針對目前線切割加工均是將工件固定在拖板上，隨拖板做平面運動，只能加工直壁表面，不能加工回轉表面這一問題，提出工程陶瓷回轉表面電火花線切割加工的新方法(圖1)。該技術具有加工效率高、成本低和對環境無污染等特點。由于其加工機理不同于通常的導電材料電火花加工技術，因此不能直接套用通常的電火花加工理論來解決該種新技術在加工過程中遇到的一些難題。為了弄清工程陶瓷材料放電加工的蝕除機理和工藝規律，本文對電火花放電蝕除加工過程中，放電參數對材料加工表面質量的影響進行研究，總結出了相應的規律，為實際生產中推廣應用該技術提供了理論依據和工藝指導。

1 加工原理

如圖1所示，加工時脈沖電源的正、負極分別與工件和電極絲的兩端相連，隨著工件的進給，當工件的端部與旋轉的電極絲之間的電場強度達到介質的擊穿強度時，在兩極間產生火花放電，電火花放電通道產生瞬時高溫(通道中心的溫度可高達10 000℃以上)和高壓，工件的表面瞬間被高溫熔化、氣化、分解。高溫、高壓的放電通道以及氣化形成的氣泡急速擴展，在工件表面產生一個強烈的沖擊波。放電蝕除的材料在放電爆炸力和高壓工作液的沖刷作用下被拋離加工間隙。加工時工件電極和工具電極(線電極)間無宏觀作用力，加工表面質量好，放電能量密度高，可以加工任何硬、脆、高熔點的導電材料。電火花加工中，材料蝕除(顆粒從基體上分離)是一個非常復雜的過程，對于金屬材料，只有熔化和汽化兩種形式;而工程陶瓷材料除了熔化和汽化以外，還有升華、熱剝離、整體顆粒移除等形式［6－7］。多年來，許多學者在此方面做了大量的研究工作，提出了相關的學說，但目前仍沒有形成一個統一的見解。

2 實驗條件

實驗采用DK7725型電火花線切割機，其主要參數:脈沖當量為0.001 mm，空載電壓為100 V，脈沖寬度為2～128 μs，峰值電流為4 ～60 A，鉬絲直徑0.15 mm，工作液采用乳化液，工件材料為直徑9 mm碳化硼棒料，其力學性能見表1。工件主軸回轉裝置安放在機床的工作臺上，工件安裝在主軸裝置的夾頭上。加工過程中工件作旋轉運動，并隨機床的工作臺實現X、Y軸的移動。

表1 碳化硼力學性能

3 實驗結果及討論

在上述實驗條件下，對工程陶瓷回轉表面電火花線切割加工的工藝規律進行實驗研究，給出電源的脈寬、脈間、峰值電流對工件表面質量的影響規律。

(1)脈沖寬度的影響

實驗中，峰值電流為12 A，脈沖間隔為80 μs，脈沖寬度分別為 4 μs、8 μs、16 μs、24 μs、32 μs。圖 2 為脈沖寬度對表面粗糙度的影響關系曲線。

由圖2可知，在其他加工條件不變的條件下，隨著脈沖寬度的增加，工件表面粗糙度值逐漸增大，當增大到一定程度時，又逐漸減小。這是因為當脈寬較小時，隨著脈寬的增加，放電凹坑增大，增大到一定程度時，單個脈沖下會產生多次放電，再次出現的小放電凹坑和前次蝕除凹坑之間的相互疊加反而使表面粗糙度值減小。

(2)峰值電流的影響

實驗中，脈沖寬度為 8 μs，脈沖間隔為 80 μs，峰值電流分別為4 A、8 A、12 A、16 A、20 A。圖3 為峰值電流對表面粗糙度的影響關系曲線。

由圖3可知，在其他加工條件不變的條件下，隨著峰值電流的增加，工件表面粗糙度值增大。這是因為放電能量隨著峰值電流的增加而增大，產生的熱量也增多，放電凹坑增大，使表面粗糙度值增大。

(3)脈沖間隔的影響

實驗中，峰值電流為12 A，脈沖寬度為8 μs，脈沖間隔分別為 20 μs、40 μs、80 μs、120 μs、160 μs。圖 4脈沖間隔對表面粗糙度值的影響關系曲線。

由圖4可知，在其他加工條件不變的條件下，隨著脈沖間隔的增大，放電頻率降低，使放電產物充分排除，因此工件表面粗糙度值逐漸減小。

4 結語

通過實驗證明，工程陶瓷回轉表面可以通過電火花線切割進行加工，并且能達到一定的加工質量。因此，開展工程陶瓷材料電火花加工技術及機理的研究工作具有重要的理論與現實意義。

［1］MALZBENDER J，STEINBRECH R W.Threshold fracture stress of thin ceramic components［J］.Journal of the European Ceramic Society，2008，28(1):247 －252.

［2］郭永豐，鄧冠群，白基成，等.絕緣陶瓷氮化硅高速走絲線切割加工技術研究［J］.電加工與模具，2008(1):10 －13.

［3］CHANG C W，KUO C P.An investigation of laser－assisted machining of Al2O3ceramics planning［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47(3/4):452 －461.

［4］徐小青，駱志高，徐大鵬.陶瓷材料電加工表面粗糙度的預測［J］.農業機械學報，2007，38(3):164 －167.

［5］劉永紅，于麗麗，徐玉龍.電火花放電通道蝕除絕緣工程陶瓷的熱力學特性研究［J］.高壓物理學報，2009，23(2):91 －97.

［6］TRUEMAN C S，HUDDLESTON J.Material removal by spalling during EDM of ceramics［J］.Journal of the European Ceramic Society，2000(20):1629－1635.

［7］LAUWERS B，KRUTH J P.Investigation of material removal mechanisms in EDM of composite ceramic materials［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004(149):347－352.