SiC電火花加工技術(shù)研究

蘭起洪，李 奔，王 勃

(中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009)

SiC作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有許多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如高熱導(dǎo)率與低熱膨脹系數(shù)，使SiC成為制作具有很好抗熱變形能力的光學(xué)元件和機(jī)械零件的最佳材料之一，同時(shí)也是目前最佳的光學(xué)反射鏡材料之一，對(duì)提高未來光學(xué)產(chǎn)品的質(zhì)量將發(fā)揮重要作用[1-4]。然而，SiC硬度高、脆性大，很難采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法對(duì)其進(jìn)行加工，只能采用非常規(guī)的磨削加工，但其加工效率極低、成本高。目前亟待研究一種有效的SiC加工方式。

電火花加工是一種非接觸的特種加工方法，利用電火花放電的瞬間高溫熔化工件，從而達(dá)到加工零件的目的[5]，可實(shí)現(xiàn)利用較軟的工具電極加工各種高硬度、高脆性、高強(qiáng)度等難加工材料[6]。其加工效率、電極損耗與工件材料的熔點(diǎn)相關(guān)，工件熔點(diǎn)越高，加工越困難，加工效率越低，電極損耗越大；反之亦然[7]。純SiC具有高電阻率，不能用電火花進(jìn)行加工，但只要有鐵離子或是游離態(tài)硅(8%～10%)等雜質(zhì)存在，碳化硅的電導(dǎo)率才能得到提高，為電火花加工提供了必要條件。但作為一種陶瓷材料，SiC熔點(diǎn)高達(dá)2 827 ℃，在電火花加工中也屬于難加工材料，所以開展對(duì)SiC電火花加工性能的研究很有必要，有助于提高SiC的加工效率。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)機(jī)床及相關(guān)設(shè)備如圖1所示。本次試驗(yàn)的平臺(tái)是基于現(xiàn)有的三菱VX10電火花成型機(jī)床進(jìn)行的，采用的是φ8 mm紫銅電極，試驗(yàn)件為w(Si)=10%的SiC工件，工作液為電火花專用煤油。

圖1 試驗(yàn)機(jī)床及相關(guān)設(shè)備

試驗(yàn)涉及伺服參考電壓、峰值電流、脈寬時(shí)間和脈間時(shí)間這4個(gè)因素，各因素水平設(shè)置見表1。針對(duì)上述4個(gè)因素設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)L9(34)[8-9]，試驗(yàn)指標(biāo)為材料去除率，其計(jì)算式見式1。試驗(yàn)統(tǒng)一對(duì)SiC進(jìn)行盲孔加工，加工深度為1 mm。

表1 SiC電火花加工控制因素的不同水平設(shè)置

材料去除率計(jì)算式：

(1)

式中，L是材料去除率，單位為mm3/min；r是電極半徑，單位為mm；h是電極損耗，單位為mm；t是加工時(shí)間，單位為min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，水平1、2、3的加工時(shí)間平均值分別用k1、k2、k3表示，極差用R表示。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

按極差法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，影響SiC電火花加工效率的因子從強(qiáng)到弱依次為：C→B→D→A。從試驗(yàn)結(jié)果可以直觀地分析出第2組因素組合最好，加工效率達(dá)到了1.83 mm3/min，但結(jié)合各因素對(duì)加工結(jié)果的實(shí)際影響，得到SiC電火花加工的最佳組合為C1B2D2A1。

2.2 加工參數(shù)分析

2.2.1 伺服參考電壓

伺服參考電壓是電極和工件加工之間的擊穿電壓，只有當(dāng)加載在電極和工件兩端的電壓超過伺服參考電壓時(shí)，電火花才能擊穿加工介質(zhì)，達(dá)到加工的目的。伺服參考電壓對(duì)加工效率影響關(guān)系圖如圖2所示。從圖2可以看出，隨著伺服參考電壓的增大，加工效率越來越低，主要是因?yàn)殡S著伺服參考電壓的增大，電火花的利用率越來越低，加工效率也會(huì)隨之降低。

圖2 伺服參考電壓對(duì)加工效率影響關(guān)系圖

2.2.2 峰值電流

峰值電流對(duì)加工效率影響關(guān)系圖如圖3所示。從圖3可以看出，SiC電火花加工效率隨著峰值電流的增大先升高后降低。造成這一現(xiàn)象的原因是本次試驗(yàn)所用的VX10機(jī)床電源屬于晶體管電源，由WM=ueietON(其中，WM是釋放能量；ue是維持電壓；ie是峰值電流)可知，峰值電流是決定脈沖能量的主要因素之一，當(dāng)峰值電流越大時(shí)單脈沖所釋放的能量越大[10]；但由于SiC屬于含碳量高的難加工材料，加工過程中容易形成積碳，當(dāng)放電能量超過一定值時(shí)會(huì)引起拉弧或短路現(xiàn)象，加工效率反而降低。

圖3 峰值電流對(duì)加工效率影響關(guān)系圖

2.2.3 脈寬時(shí)間

脈寬時(shí)間是電流或電壓隨時(shí)間有規(guī)律變化的時(shí)間寬度，也是決定電源脈沖能量的主要因素，決定的是單脈沖放電持續(xù)時(shí)間。脈寬時(shí)間越大，脈沖電源放電持續(xù)時(shí)間越長，電源釋放的能量越大，可以有效提高材料的電蝕量；然而，當(dāng)脈寬時(shí)間較大時(shí)，放電間隙來不及冷卻和消電離，容易引起拉弧、短路等有害放電現(xiàn)象，導(dǎo)致電極回退，浪費(fèi)大量時(shí)間。

脈寬時(shí)間對(duì)加工效率影響關(guān)系圖如圖4所示。由圖4可以看出，隨著脈寬時(shí)間的增加，加工效率降低。這是由于本次試驗(yàn)SiC含碳量高，在電火花加工過程中容易造成積碳，放電時(shí)間越長反而會(huì)引起拉弧，不利于加工。

圖4 脈寬時(shí)間對(duì)加工效率影響關(guān)系圖

2.2.4 脈間時(shí)間

脈間時(shí)間對(duì)加工效率影響關(guān)系圖如圖5所示。由圖5可以看出，SiC電火花加工效率隨著脈間時(shí)間的增大先增大后降低，當(dāng)脈間時(shí)間值為7 μs時(shí)，加工效率達(dá)到最高。這是因?yàn)楫?dāng)選擇的電源放電脈間時(shí)間過小時(shí)，放電產(chǎn)物不能及時(shí)排除，放電間隙來不及冷卻和充分消電離，這將使加工變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致電極經(jīng)?；赝?，浪費(fèi)了大量時(shí)間；而選擇的放電脈間時(shí)間過大時(shí)，放電間隔時(shí)間過長，則單位時(shí)間內(nèi)放電能量降低，效率也會(huì)降低。

圖5 脈間時(shí)間對(duì)加工效率影響關(guān)系圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過進(jìn)行SiC電火花加工的探究性試驗(yàn)，得到了SiC電火花加工效率的最佳參數(shù)組合C1B2D2A1，并按照該參數(shù)組合對(duì)SiC進(jìn)行了盲孔加工，其加工效率為1.91 mm3/min，試驗(yàn)結(jié)果較為理想。為了滿足產(chǎn)品實(shí)際加工需求，在其他參數(shù)不變的情況下，將加工深度設(shè)定為10 mm，采用C1B2D2A1參數(shù)組合進(jìn)行盲孔加工，最終耗時(shí)6 h，電極損耗了2.14，加工效率為1.10。相比于淺孔加工，其加工效率有所下降，主要是因?yàn)殡S著加工深度的增加，排屑越來越困難，電極放電不充分。

由于傳統(tǒng)的單電極加工限制了生產(chǎn)效率的提高，且由于單電極是分別制作，它們加工的精度一致性得不到保證[11]，因此，為達(dá)到提高多孔零件的加工效率和加工一致性的目的，筆者采用陣列電極(見圖6a)進(jìn)行了相應(yīng)加工深度的盲孔加工試驗(yàn)。結(jié)果顯示，雖然最終總體加工時(shí)間有所增加，但由于同時(shí)進(jìn)行4個(gè)孔(見圖6b)的加工，其加工效率大為提高，達(dá)到了2.27 mm3/min，這對(duì)將來加工具有多腔形狀的SiC產(chǎn)品具有指導(dǎo)意義。

圖6 SiC電火花陣列加工電極和陣列孔