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

關(guān)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(lái)越廣泛的工程應(yīng)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(jià)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(diǎn)，電火花加工技術(shù)（EDM technology）以其良好的成本競(jìng)爭(zhēng)力及優(yōu)良的加工特征，成為陶瓷材料加工的標(biāo)準(zhǔn)工藝之一。電火花加工是利用工具電極和有一定電導(dǎo)率的工件之間的脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕來(lái)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(dǎo)率較低，大多低于100Ω/mm或者300Ω/mm，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何解決電火花技術(shù)，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(wèn)題進(jìn)行了多方面的探討。

2國(guó)外加工現(xiàn)狀

1988年，W·Konig 等人研究了電導(dǎo)率約為100Ω/cm的工程陶瓷(Al₂O₃，TiO₂，ZrO₂，SiC，Si₃N₄，TiC)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的加工方法，電火花加工方法可達(dá)到高的去除率。與加工金屬不同，陶瓷加工過(guò)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(guān)性，為保證加工穩(wěn)定，陶瓷工件的組織結(jié)構(gòu)必須均勻一致^[1]。

日本長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)Fukuzawa和豐田工業(yè)大學(xué)N·Mohri為使電火花加工絕緣陶瓷達(dá)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(pán)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(jìn)行。電導(dǎo)復(fù)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(jìn)行^[2～4]；運(yùn)用電火花線切割加工Si₃N₄絕緣陶瓷時(shí)，采用Mo、Cu、Cu-Zn三種不同的線電極材料，得出了電極材料對(duì)表面粗糙度、材料去除率、峰值電流間的關(guān)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(shí)，可獲得高加工效率。在運(yùn)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(shí)張力的1/4時(shí)（2.45N），可穩(wěn)定高效地加工，其它線電極材料加工時(shí)也有類(lèi)似現(xiàn)象。運(yùn)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(yīng)力造成的加工工件彎曲量，應(yīng)改變加工路徑，圖3所示的是不考慮熱應(yīng)力時(shí)的加工路徑和考慮熱應(yīng)力時(shí)的加工路徑。結(jié)果顯示，工件厚度為0.2mm時(shí)，改變加工路徑可使加工工件的彎曲量為原來(lái)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(shí)間雖然長(zhǎng)達(dá)24h，但機(jī)械加工方法無(wú)法完成該工作^[5]。

B·Lauwers，J·P·Kruth等人通過(guò)分析摻雜導(dǎo)電物質(zhì)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(jī)理。他們認(rèn)為，除了典型的電火花去除機(jī)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(guò)程，這種現(xiàn)象在電火花線切割Si₃N₄基陶瓷時(shí)尤為明顯^[6]。

Matsuo等研究了導(dǎo)電碳化物NbC和TiC摻雜對(duì)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(shí)材料去除率最高的結(jié)論^[7]。

I·Puertas，C·J·Luis選擇三種應(yīng)用日趨廣泛的不同的陶瓷材料B₄C、SiSiC和WC-Co，研究了導(dǎo)電陶瓷的電火花加工方法。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了試驗(yàn)因子峰值電流、脈沖寬度和脈沖占空比對(duì)響應(yīng)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??；隨著峰值電流的增加，加工B₄C時(shí)工具電極的損耗隨之增加，而加工SiSiC、WC-Co時(shí)工具電極的損耗卻隨之減小到一極限值；加工B₄C時(shí)，電極損耗隨脈寬增加而增加，而加工SiSiC、WC-Co時(shí)，電極損耗隨脈寬的增加而減少；加工B₄C時(shí)，脈沖占空比越大，電極損耗越大，加工SiSiC、WC-Co時(shí)，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(guó)內(nèi)加工現(xiàn)狀

香港理工大學(xué)LEE，T.C.，ZHANG，J.H等對(duì)電火花加工陶瓷材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了陶瓷表面光潔度的經(jīng)驗(yàn)公式。他們發(fā)現(xiàn)，放電電流對(duì)陶瓷材料去除率和放電痕半徑影響較大，而脈寬對(duì)表面粗糙度SR和White layer影響較大^[9]；他們認(rèn)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(yùn)用超聲振動(dòng)(USM)輔助電火花加工法，加強(qiáng)了電介質(zhì)在放電間隙的流通，大大改善了表面質(zhì)量，降低了白層的厚度；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，電火花線切割陶瓷時(shí)，存在一極限峰值電流，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，加工速率急劇下降^[11]。

山東工程學(xué)院王斌修對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的電火花蝕除機(jī)理進(jìn)行了分析，將其歸納為以下過(guò)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(jī)理對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)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(diǎn)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(shí)材料去除率很低，未來(lái)的趨勢(shì)是研究寬峰值電流的專(zhuān)用電源。山東工業(yè)大學(xué)的霍孟友通過(guò)專(zhuān)用脈沖電源放電能量的控制，進(jìn)行了導(dǎo)電工程陶瓷材料的電火花放電加工試驗(yàn)研究，提供了一種穩(wěn)定加工導(dǎo)電性工程陶瓷且能控制加工質(zhì)量的電火花放電加工方法^[15]。

4結(jié)束語(yǔ)

本文論述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電火花加工陶瓷機(jī)理上和工藝上的研究。工程陶瓷由于其卓越的力學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)等性能而獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它的加工要求也越來(lái)越高。由于電火花加工技術(shù)可加工復(fù)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(shù)高效加工工程陶瓷仍需進(jìn)一步研究探討。

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14 李淑玉.結(jié)構(gòu)陶瓷電火花加工蝕除機(jī)理分析[J].電加工與模具，2000，（3）：18～20

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