工程陶瓷材料電火花線(xiàn)切割加工的機(jī)理研究*

李 雪 王 鶴 熊建橋 袁新芳 鞠仁元

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

工程陶瓷材料因其具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、重量輕等優(yōu)異的性能，越來(lái)越受到材料科學(xué)工作者的極大重視，被日益廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高科技等領(lǐng)域［1－2］。但是工程陶瓷具有很大的硬脆性，傳統(tǒng)的加工方法很難加工，因而嚴(yán)重阻礙了其推廣應(yīng)用。目前對(duì)陶瓷材料最常用的機(jī)械加工方法是切削加工，主要是車(chē)削加工和磨削加工。機(jī)械磨削加工存在成本高、效率低和加工表面易產(chǎn)生微裂紋等問(wèn)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(yán)重;激光加工主要適用于切割和打孔，且設(shè)備昂貴［3］;而電火花放電加工卻能對(duì)電阻率小于100 Ω·cm的陶瓷材料進(jìn)行高效率、低成本的加工［4］。例如:日本學(xué)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(shí)的碳化導(dǎo)電作用，在煤油中實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dá)到實(shí)用化的程度;日本學(xué)者黑松彰雄等開(kāi)展了機(jī)械電解電火花復(fù)合磨削技術(shù)的研究工作，該復(fù)合磨削方法與單純的機(jī)械磨削方法相比具有生產(chǎn)率高、加工質(zhì)量好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于加工過(guò)程中排出一些有害的電解氣體，易污染環(huán)境和銹蝕機(jī)床，因此未能在實(shí)際生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用［5］。

針對(duì)目前線(xiàn)切割加工均是將工件固定在拖板上，隨拖板做平面運(yùn)動(dòng)，只能加工直壁表面，不能加工回轉(zhuǎn)表面這一問(wèn)題，提出工程陶瓷回轉(zhuǎn)表面電火花線(xiàn)切割加工的新方法(圖1)。該技術(shù)具有加工效率高、成本低和對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。由于其加工機(jī)理不同于通常的導(dǎo)電材料電火花加工技術(shù)，因此不能直接套用通常的電火花加工理論來(lái)解決該種新技術(shù)在加工過(guò)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(jī)理和工藝規(guī)律，本文對(duì)電火花放電蝕除加工過(guò)程中，放電參數(shù)對(duì)材料加工表面質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，總結(jié)出了相應(yīng)的規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用該技術(shù)提供了理論依據(jù)和工藝指導(dǎo)。

1 加工原理

如圖1所示，加工時(shí)脈沖電源的正、負(fù)極分別與工件和電極絲的兩端相連，隨著工件的進(jìn)給，當(dāng)工件的端部與旋轉(zhuǎn)的電極絲之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度時(shí)，在兩極間產(chǎn)生火花放電，電火花放電通道產(chǎn)生瞬時(shí)高溫(通道中心的溫度可高達(dá)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(kuò)展，在工件表面產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)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(shí)工件電極和工具電極(線(xiàn)電極)間無(wú)宏觀作用力，加工表面質(zhì)量好，放電能量密度高，可以加工任何硬、脆、高熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料。電火花加工中，材料蝕除(顆粒從基體上分離)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)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(lái)，許多學(xué)者在此方面做了大量的研究工作，提出了相關(guān)的學(xué)說(shuō)，但目前仍沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的見(jiàn)解。

2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用DK7725型電火花線(xiàn)切割機(jī)，其主要參數(shù):脈沖當(dāng)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(xué)性能見(jiàn)表1。工件主軸回轉(zhuǎn)裝置安放在機(jī)床的工作臺(tái)上，工件安裝在主軸裝置的夾頭上。加工過(guò)程中工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并隨機(jī)床的工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)X、Y軸的移動(dòng)。

表1 碳化硼力學(xué)性能

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)工程陶瓷回轉(zhuǎn)表面電火花線(xiàn)切割加工的工藝規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出電源的脈寬、脈間、峰值電流對(duì)工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

(1)脈沖寬度的影響

實(shí)驗(yàn)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(duì)表面粗糙度的影響關(guān)系曲線(xiàn)。

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(dāng)增大到一定程度時(shí)，又逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)脈寬較小時(shí)，隨著脈寬的增加，放電凹坑增大，增大到一定程度時(shí)，單個(gè)脈沖下會(huì)產(chǎn)生多次放電，再次出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)表面粗糙度的影響關(guān)系曲線(xiàn)。

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?yàn)榉烹娔芰侩S著峰值電流的增加而增大，產(chǎn)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(shí)驗(yàn)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(duì)表面粗糙度值的影響關(guān)系曲線(xiàn)。

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(chǎn)物充分排除，因此工件表面粗糙度值逐漸減小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，工程陶瓷回轉(zhuǎn)表面可以通過(guò)電火花線(xiàn)切割進(jìn)行加工，并且能達(dá)到一定的加工質(zhì)量。因此，開(kāi)展工程陶瓷材料電火花加工技術(shù)及機(jī)理的研究工作具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

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