丁陽喜 廖芳蓉 鄔 哲

(華東交通大學，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，被認為是推進21世紀產(chǎn)業(yè)進步的主導材料之一［1－2］。然而其非導電性、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雜形狀零件的方法，近20年在陶瓷材料的成形加工應用研究上發(fā)展很快，尤其是近幾年來，人們沖破了長期以來認為電火花加工只能加工導電性材料的傳統(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。

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，成正相關關系。當脈沖寬度為實驗最大的Ton=64 μs時，加工速度達到最大。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，容易形成導電膜，從而更容易形成有效放電，提高加工速度。當脈沖寬度超過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，當峰值電流為12 A時達到了最快的加工速度。分析加工過程可知，當峰值電流小于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，導致蝕除速度緩慢，蝕除的方式也以熔化、汽化分離為主。當峰值電流增大到12 A時，加工速度明顯提高。當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;當峰值電流達到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電膜的形成，因此加工更穩(wěn)定，加工速度變快。當脈間脈寬比超過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系，這是因為，當脈間脈寬比較小時，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、峰值電流成正相關關系，在脈間脈寬比為6時，加工速度達最大值。

(3)加工表面粗糙度與脈沖寬度、脈間脈寬比成正相關關系，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。

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