紀仁杰，劉永紅，徐臣臣，刁瑞強

（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580）

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電阻率對工程陶瓷電火花加工性能的影響研究

紀仁杰，劉永紅，徐臣臣，刁瑞強

（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580）

摘要：常用的工程陶瓷電阻率較高，直接采用電火花加工，性能較差。以ZnO/Al2O3陶瓷為例，研究了電阻率和脈沖寬度、脈沖間隔、工具極性等工藝參數對電火花加工工藝性能的影響。結果表明：采取合適的放電加工參數，在ZnO/Al2O3的電阻率達到3410 Ω·cm時仍可對其進行有效的電火花加工。

關鍵詞：電火花加工；電阻率；工藝性能；工程陶瓷

工程陶瓷具有高強度、高硬度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，廣泛應用于石油、地質、電子、機械、冶金、化工、航空航天等領域，并帶來了巨大的社會和經濟效益[1-2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對于產品構件的形狀、尺寸精度和表面質量等要求越來越高，但工程陶瓷的高強度和高硬度給其加工帶來了極大的困難，現(xiàn)有加工方法普遍存在加工成本高、加工效率低、加工質量差、難以滿足實際生產的需要等問題[3-5]。

電火花加工是一種利用電能和熱能去除材料的特種加工方法，可加工任何強度、硬度、韌性、脆性的材料和各種復雜形狀零件，廣泛應用于機械制造、航空航天、電子、精密機械、儀器儀表、汽車、輕工等行業(yè)，是現(xiàn)代制造技術不可缺少的加工方法之一[6-8]。由于電火花加工是利用工件和工具之間脈沖性火花放電所產生的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余材料，這決定了電火花加工主要用于金屬等導電材料的加工。而常用工程陶瓷的電阻率普遍高于金屬，直接采用電火花加工較困難，研究人員對不同電阻率的工程陶瓷的電火花加工工藝性能進行了研究。

Liu C C研究了TiN含量對TiN/Si3N4陶瓷復合材料電阻率的影響，并對其進行了電火花加工，結果表明，在TiN/Si3N4陶瓷中隨著TiN含量的增加，TiN顆粒相互連接可形成導電網格，故其電阻率下降；當TiN的質量分數超過30 %時，TiN/Si3N4陶瓷復合材料的電阻率接近0.01 Ω·cm，并在此情況下對其進行了電火花加工性能的研究[9]。Qiu M B等研究了單向導電的半導體晶體的電火花加工工藝性能，結果表明，電阻率為2.1 Ω·cm的半導體晶體可直接進行電火花加工，且當半導體晶體工件接正極性時的加工效果優(yōu)于接負極性時的加工效果[10]。K?nig W等研究發(fā)現(xiàn)，當陶瓷材料的電阻率低于100 Ω·cm時，可對其進行有效的電火花加工[11]。Liu Y H等采用齒電極對電阻率為500 Ω·cm的碳化硅陶瓷進行了電火花銑削加工，研究發(fā)現(xiàn)，在加工過程中由于工作液能被有效沖入放電間隙、放電碎屑能及時排出、工件能及時冷卻，因此采用齒電極可對電阻率為500 Ω·cm的碳化硅陶瓷進行穩(wěn)定有效的電火花加工[12-13]。

由電火花加工原理可知，當工程陶瓷的電阻率較低時，加工過程中易形成放電通道，放電加工較穩(wěn)定，用電火花加工方法可對其進行有效的加工；隨著工程陶瓷電阻率的增加，放電通道的形成逐漸困難，放電開始變得不穩(wěn)定，因此增加了電火花加工工程陶瓷的難度。但到目前為止，還未見系統(tǒng)性研究工程陶瓷電阻率對電火花加工工藝性能的影響，也沒有對電火花加工過程中電阻率和電火花加工工藝參數關系的研究?；诖?，本文研究了電阻率和脈沖寬度、脈沖間隔、工具極性等參數對電火花加工工程陶瓷時的加工效率和加工表面質量的影響，并總結出了相應的規(guī)律關系。

1　實驗設計

實驗在自行研制的電火花銑削加工機床上進行（圖1）。工具電極使用直徑4 mm、長度10 mm的銅電極；工件為不同Al2O3含量的ZnO/Al2O3陶瓷，其電阻率用PC40B型數字絕緣電阻測試儀和SD2002數字歐姆表進行測量，電阻率隨Al2O3含量的變化見表1。雖然ZnO陶瓷的電阻率很高，但當其中添加Al2O3時，Al3+會固溶于ZnO晶格中替代Zn2+，由于Al3+比Zn2+多一個正電荷而引起雜質缺陷，增加了載流子量，因此提高了ZnO/Al2O3陶瓷的導電性能，隨著Al2O3含量的增加，ZnO/Al2O3陶瓷的電阻率降低[14]。

圖1　加工ZnO/Al2O3陶瓷的電火花銑削機床

表1　ZnO/Al2O3陶瓷在不同Al2O3含量下的電阻率

實驗研究了脈沖寬度、脈沖間隔、工具極性等工藝參數對不同Al2O3含量的ZnO/Al2O3陶瓷的材料去除率、工具電極損耗率和表面粗糙度的影響。實驗時，用電子天平分別測量加工前、后工件和工具電極的質量，每個數據測量5次，求取平均值作為測量結果，計算得到材料去除率和工具電極損耗率，用表面粗糙度測試儀測量加工后的工件表面粗糙度，并用掃描電子顯微鏡觀測加工后的工件表面微觀形貌。所有待測樣件在檢測之前都用超聲波進行清洗，并吹干。

在下述各實驗中，未列出的加工參數均統(tǒng)一：脈寬200 μs，脈間50 μs，峰值電流50 A，峰值電壓150 V，工具極性為負極，工作液為質量分數10 %的水基乳化液。

2　結果分析與討論

2.1電阻率和工藝參數對材料去除率的影響

電阻率和工藝參數對材料去除率的影響見圖2?？煽闯觯诟鞣N加工條件下，隨著電阻率的減小，材料去除率增加。這是因為當電阻率減小時，放電通道易形成，放電延遲時間變短，有效脈沖利用率增加，單位時間內傳遞到工件的能量增加，因此材料去除率增加。

圖2a是在其他條件相同時，電阻率和脈沖寬度對材料去除率的影響?？煽闯?，當電阻率較高時，隨著脈沖寬度的增加，材料去除率增加較緩慢；當電阻率較低時，隨著脈沖寬度的增加，材料去除率迅速增加。該現(xiàn)象可解釋為：當電阻率較高時，由于ZnO/Al2O3陶瓷中較低的載流子濃度，在各脈沖寬度下放電通道都不易形成，故材料去除率較低，材料去除率隨著脈沖寬度的增加而緩慢增加；當電阻率低于687 Ω·cm時，放電通道易形成，傳遞到放電區(qū)域的放電能量隨著脈沖寬度的增加而迅速增加，工件材料的放電熱蝕除效應增強，因此材料去除率隨著脈沖寬度的增加而迅速增加。

圖2b是在其他條件相同時，電阻率和脈沖間隔對材料去除率的影響。可看出，材料去除率隨著脈沖間隔的增加而減小。這是因為在其他條件相同時，單位時間內的放電頻率和材料去除率體積隨著脈沖間隔的增加而減小，因此在相同的電阻率下，脈沖間隔為50 μs時的材料去除率低于脈沖間隔為20 μs時的材料去除率。

圖2c是在其他條件相同時，電阻率和工具極性對材料去除率的影響。可看出，工具接正極性時的材料去除率低于工具接負極性時。這是因為，和金屬相比，ZnO/Al2O3陶瓷的電阻率較高，放電延時較長，單次脈沖放電時的有效放電時間較短；由于電子的質量小于正離子的質量，在較短時間內電子可被迅速加速，電子的轟擊作用大于正離子的轟擊作用，所以負極性工具電極時的材料去除率較高。

圖2　電阻率和工藝參數對材料去除率的影響

2.2電阻率和工藝參數對工具電極損耗率的影響

圖3a是電阻率和脈沖寬度對工具電極損耗率的影響?？煽闯觯S著電阻率的減小，工具電極損耗率呈先增加、后減小的趨勢。這是因為當電阻率較高時，在任何脈沖寬度下放電通道都難以形成，所以電極損耗較小；當電阻率低于687 Ω·cm時，放電較穩(wěn)定，由于電介質的分解和工件材料的粘附，在電極表面會有沉積層，這對電極表面提供了保護作用，因此電極損耗率較低。由圖3a還可看出，當電阻率較高時，電極損耗率隨著脈沖寬度的增加而增大；當電阻率較低時，電極損耗率隨著脈沖寬度的增加而減小。上述現(xiàn)象可解釋為：當電阻率較高時，放電通道難以形成，但長脈沖寬度時的放電頻率要高于短脈沖寬度時的放電頻率，長脈沖寬度時的電極損耗較高，因此電極損耗隨著脈沖寬度的增加而增加；然而，當電阻率低于687 Ω·cm時，放電變得較穩(wěn)定，在工具電極表面易生成沉積層，減小了工具電極的損耗，且沉積作用隨著脈沖寬度的增加而增強，故電極損耗率隨著脈沖寬度的增加而減小。

電阻率和脈沖間隔對工具電極損耗率的影響見圖3b?？煽闯?，工具電極損耗率隨著脈沖間隔的增加而增大。這是因為當脈沖間隔增加時，電介質的消電離時間增加，單位時間內傳遞到放電間隙的放電能量減小，電極表面的沉積效應減弱，對電極損耗的補償效應減弱，因此電極損耗率增大。

圖3　電阻率和工藝參數對工具電極損耗率的影響

電阻率和工具極性對工具電極損耗率的影響見圖3c?？煽闯?，在相同的電阻率條件下，工具正極性時的電極損耗高于工具負極性時的電極損耗。如上所述，在電火花加工ZnO/Al2O3陶瓷時，電子的轟擊作用強于正離子的轟擊作用，因此，工具正極性時的電極損耗較負極性時高。

2.3電阻率和工藝參數對表面粗糙度的影響

電阻率和工藝參數對加工表面粗糙度的影響見圖4?？煽闯?，大多情況下表面粗糙度值隨著電阻率的降低而減??；然而，當電阻率較低且工具負極性時，表面粗糙度值隨著電阻率的降低而增大。上述現(xiàn)象可解釋為：當電阻率降低時，放電易發(fā)生，工件被熔化和氣化蝕除，從而使工件表面較平滑，因此表面粗糙度值隨著電阻率的降低而減小；然而，當電阻率低于11.64 Ω·cm時，放電通道易形成，電子的轟擊作用較劇烈，因此工具負極性時，放電坑較大，表面粗糙度值會隨著電阻率的降低而增大。

圖4　電阻率和工藝參數對表面粗糙度的影響

圖4a是電阻率和脈沖寬度對表面粗糙度的影響?？煽闯?，當電阻率較高時，長脈沖寬度能得到較好的加工表面，而當電阻率較低時，短脈沖寬度能得到較好的表面質量。這是因為當電阻率較高時，放電不易發(fā)生，相對于短脈沖寬度，長脈沖寬度下發(fā)生放電的頻率較高，加工表面以熔化或氣化方式去除，工件表面質量較好；當電阻率較低時，放電易發(fā)生，相對于短脈沖寬度，長脈沖寬度時的單次脈沖放電能量較大，產生的放電坑大而深，因此表面質量較差。

圖4b是電阻率和脈沖間隔對表面粗糙度的影響?？煽闯?，在電阻率相同的條件下，隨著脈沖間隔的增加，表面粗糙度值降低。這是因為長脈沖間隔意味著電介質有更多時間進行消電離，放電變得穩(wěn)定，電火花加工形成的放電坑數量較少，所以在相同的電阻率下，脈沖間隔為50 μs時的表面粗糙度值低于脈沖間隔20 μs時的表面粗糙度值。

圖4c是電阻率和工具極性對表面粗糙度的影響。可看出，在電阻率相同的條件下，負極性工具電極的表面粗糙度值高于正極性工具電極的表面粗糙度值。這是因為在電火花加工ZnO/Al2O3陶瓷時，電子的轟擊作用強于正離子的轟擊作用，負極性工具電極加工后的工件表面放電坑較深，所以表面粗糙度值較高。

2.4電阻率對加工表面微觀形貌的影響

不同電阻率的ZnO/Al2O3陶瓷電火花加工后的表面微觀形貌見圖5。其中，脈沖寬度為400 μs，脈沖間隔為50 μs，工具電極為負極性。由圖5可看出，電阻率的變化導致加工表面明顯不同。

圖5　不同電阻率的ZnO/Al2O3陶瓷電火花加工表面形貌

當電阻率為324 000 Ω·cm時，加工表面很粗糙。這是因為電阻率很高時，加工過程中很少產生放電，工具電極易撞擊工件表面，使加工表面惡化。由圖5b～圖5d可看出，加工表面有較多的放電凹坑和部分微裂紋，這是典型的電火花加工表面特征。放電凹坑的形成是由于放電高溫使工件表面產生熔化或氣化去除。微裂紋的形成是由于在工件表面不斷地產生冷熱交替，使工件表面產生較高的溫度梯度，進而產生較大的熱應力；當熱應力的值超過ZnO/Al2O3陶瓷的抗拉強度時，就會產生微裂紋。由圖5b～圖5d還可看出，在相同的加工條件下，加工表面的放電凹坑和微裂紋隨著電阻率的降低而增多。這是由于電阻率降低易形成放電通道，使放電變得劇烈，傳遞到工件表面的能量增加而導致的。

3　結論

（1）研究了電阻率和加工工藝參數對ZnO/Al2O3陶瓷電火花加工性能的影響，可發(fā)現(xiàn)，能進行有效電火花加工的ZnO/Al2O3陶瓷的電阻率，隨著脈沖寬度的增加、脈沖間隔的減小而增加，在合適的加工條件下，電阻率為3410 Ω·cm時的ZnO/Al2O3陶瓷也可進行有效的電火花加工。

（2）隨著脈沖寬度的增加，材料去除率增加；當電阻率高于687 Ω·cm時，長脈沖寬度能得到較高的電極損耗率和較低的表面粗糙度值；當電阻率低于687 Ω·cm時，長脈沖寬度能得到較低的電極損耗率和較高的表面粗糙度值。隨著脈沖間隔的增加，材料去除率和表面粗糙度值均降低，而電極損耗率增大；工具接負極性能得到較高的材料去除率和較低的工具電極損耗率，但表面粗糙度值較高。

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書訊

Effect of Electrical Resistivity on EDM Performance of Engineering Ceramics

Ji Renjie，Liu Yonghong，Xu Chenchen，Diao Ruiqiang
（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Abstract：The electrical resistivity of the popular engineering ceramics is higher，and there is poor performance that direct use of electro-discharge machining (EDM). Taking ZnO/Al2O3ceramics as an example，the effects of the electrical resistivity and EDM parameters such as pulse duration，pulse interval and tool polarity are studied. The results show that the ZnO/Al2O3ceramic with the electrical resistivity up to 3410 Ω·cm can be effectively machined by EDM in the appropriate machining conditions.

Key words：EDM；electrical resistivity；machining performance；engineering ceramics

第一作者簡介：紀仁杰，男，1982年生，副教授。

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金資助項目（51205411）；山東省自然科學基金聯(lián)合專項資助項目（ZR2012EEL15）；中國博士后科學基金資助項目（2015M570619）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號：TG661

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0001-05