電阻率對工程陶瓷電火花加工性能的影響研究

紀(jì)仁杰，劉永紅，徐臣臣，刁瑞強(qiáng)

（中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)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(jì)仁杰，劉永紅，徐臣臣，刁瑞強(qiáng)

（中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)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(shù)對電火花加工工藝性能的影響。結(jié)果表明：采取合適的放電加工參數(shù)，在ZnO/Al2O3的電阻率達(dá)到3410 Ω·cm時(shí)仍可對其進(jìn)行有效的電火花加工。

關(guān)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(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于石油、地質(zhì)、電子、機(jī)械、冶金、化工、航空航天等領(lǐng)域，并帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對于產(chǎn)品構(gòu)件的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量等要求越來越高，但工程陶瓷的高強(qiáng)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(zhì)量差、難以滿足實(shí)際生產(chǎn)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(qiáng)度、硬度、韌性、脆性的材料和各種復(fù)雜形狀零件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、電子、精密機(jī)械、儀器儀表、汽車、輕工等行業(yè)，是現(xiàn)代制造技術(shù)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(chǎn)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(dǎo)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(jìn)行了研究。

Liu C C研究了TiN含量對TiN/Si3N4陶瓷復(fù)合材料電阻率的影響，并對其進(jìn)行了電火花加工，結(jié)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(dǎo)電網(wǎng)格，故其電阻率下降；當(dāng)TiN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30 %時(shí)，TiN/Si3N4陶瓷復(fù)合材料的電阻率接近0.01 Ω·cm，并在此情況下對其進(jìn)行了電火花加工性能的研究[9]。Qiu M B等研究了單向?qū)щ姷陌雽?dǎo)體晶體的電火花加工工藝性能，結(jié)果表明，電阻率為2.1 Ω·cm的半導(dǎo)體晶體可直接進(jìn)行電火花加工，且當(dāng)半導(dǎo)體晶體工件接正極性時(shí)的加工效果優(yōu)于接負(fù)極性時(shí)的加工效果[10]。K?nig W等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陶瓷材料的電阻率低于100 Ω·cm時(shí)，可對其進(jìn)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(jìn)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(shí)排出、工件能及時(shí)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(jìn)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(dāng)工程陶瓷的電阻率較低時(shí)，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(jìn)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(shù)關(guān)系的研究。基于此，本文研究了電阻率和脈沖寬度、脈沖間隔、工具極性等參數(shù)對電火花加工工程陶瓷時(shí)的加工效率和加工表面質(zhì)量的影響，并總結(jié)出了相應(yīng)的規(guī)律關(guān)系。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在自行研制的電火花銑削加工機(jī)床上進(jìn)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(shù)字絕緣電阻測試儀和SD2002數(shù)字歐姆表進(jìn)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(dāng)其中添加Al2O3時(shí)，Al3+會固溶于ZnO晶格中替代Zn2+，由于Al3+比Zn2+多一個(gè)正電荷而引起雜質(zhì)缺陷，增加了載流子量，因此提高了ZnO/Al2O3陶瓷的導(dǎo)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(jī)床

表1　ZnO/Al2O3陶瓷在不同Al2O3含量下的電阻率

實(shí)驗(yàn)研究了脈沖寬度、脈沖間隔、工具極性等工藝參數(shù)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(shí)驗(yàn)時(shí)，用電子天平分別測量加工前、后工件和工具電極的質(zhì)量，每個(gè)數(shù)據(jù)測量5次，求取平均值作為測量結(jié)果，計(jì)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(jìn)行清洗，并吹干。

在下述各實(shí)驗(yàn)中，未列出的加工參數(shù)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(fù)極，工作液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10 %的水基乳化液。

2　結(jié)果分析與討論

2.1電阻率和工藝參數(shù)對材料去除率的影響

電阻率和工藝參數(shù)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?yàn)楫?dāng)電阻率減小時(shí)，放電通道易形成，放電延遲時(shí)間變短，有效脈沖利用率增加，單位時(shí)間內(nèi)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(shí)，電阻率和脈沖寬度對材料去除率的影響?？煽闯觯?dāng)電阻率較高時(shí)，隨著脈沖寬度的增加，材料去除率增加較緩慢；當(dāng)電阻率較低時(shí)，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(dāng)電阻率較高時(shí)，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(dāng)電阻率低于687 Ω·cm時(shí)，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(yīng)增強(qiáng)，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(shí)，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?yàn)樵谄渌麠l件相同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)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(shí)的材料去除率低于脈沖間隔為20 μs時(shí)的材料去除率。

圖2c是在其他條件相同時(shí)，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(shí)的材料去除率低于工具接負(fù)極性時(shí)。這是因?yàn)椋徒饘傧啾?，ZnO/Al2O3陶瓷的電阻率較高，放電延時(shí)較長，單次脈沖放電時(shí)的有效放電時(shí)間較短；由于電子的質(zhì)量小于正離子的質(zhì)量，在較短時(shí)間內(nèi)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(fù)極性工具電極時(shí)的材料去除率較高。

圖2　電阻率和工藝參數(shù)對材料去除率的影響

2.2電阻率和工藝參數(shù)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?，隨著電阻率的減小，工具電極損耗率呈先增加、后減小的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)電阻率較高時(shí)，在任何脈沖寬度下放電通道都難以形成，所以電極損耗較??；當(dāng)電阻率低于687 Ω·cm時(shí)，放電較穩(wěn)定，由于電介質(zhì)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(hù)作用，因此電極損耗率較低。由圖3a還可看出，當(dāng)電阻率較高時(shí)，電極損耗率隨著脈沖寬度的增加而增大；當(dāng)電阻率較低時(shí)，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(dāng)電阻率較高時(shí)，放電通道難以形成，但長脈沖寬度時(shí)的放電頻率要高于短脈沖寬度時(shí)的放電頻率，長脈沖寬度時(shí)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(dāng)電阻率低于687 Ω·cm時(shí)，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(qiáng)，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?yàn)楫?dāng)脈沖間隔增加時(shí)，電介質(zhì)的消電離時(shí)間增加，單位時(shí)間內(nèi)傳遞到放電間隙的放電能量減小，電極表面的沉積效應(yīng)減弱，對電極損耗的補(bǔ)償效應(yīng)減弱，因此電極損耗率增大。

圖3　電阻率和工藝參數(shù)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(shí)的電極損耗高于工具負(fù)極性時(shí)的電極損耗。如上所述，在電火花加工ZnO/Al2O3陶瓷時(shí)，電子的轟擊作用強(qiáng)于正離子的轟擊作用，因此，工具正極性時(shí)的電極損耗較負(fù)極性時(shí)高。

2.3電阻率和工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

電阻率和工藝參數(shù)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(dāng)電阻率較低且工具負(fù)極性時(shí)，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(dāng)電阻率降低時(shí)，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??；然而，當(dāng)電阻率低于11.64 Ω·cm時(shí)，放電通道易形成，電子的轟擊作用較劇烈，因此工具負(fù)極性時(shí)，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(shù)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(dāng)電阻率較高時(shí)，長脈沖寬度能得到較好的加工表面，而當(dāng)電阻率較低時(shí)，短脈沖寬度能得到較好的表面質(zhì)量。這是因?yàn)楫?dāng)電阻率較高時(shí)，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(zhì)量較好；當(dāng)電阻率較低時(shí)，放電易發(fā)生，相對于短脈沖寬度，長脈沖寬度時(shí)的單次脈沖放電能量較大，產(chǎn)生的放電坑大而深，因此表面質(zhì)量較差。

圖4b是電阻率和脈沖間隔對表面粗糙度的影響?？煽闯觯陔娮杪氏嗤臈l件下，隨著脈沖間隔的增加，表面粗糙度值降低。這是因?yàn)殚L脈沖間隔意味著電介質(zhì)有更多時(shí)間進(jìn)行消電離，放電變得穩(wěn)定，電火花加工形成的放電坑數(shù)量較少，所以在相同的電阻率下，脈沖間隔為50 μs時(shí)的表面粗糙度值低于脈沖間隔20 μs時(shí)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(fù)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?yàn)樵陔娀鸹庸nO/Al2O3陶瓷時(shí)，電子的轟擊作用強(qiáng)于正離子的轟擊作用，負(fù)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(fù)極性。由圖5可看出，電阻率的變化導(dǎo)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(dāng)電阻率為324 000 Ω·cm時(shí)，加工表面很粗糙。這是因?yàn)殡娮杪屎芨邥r(shí)，加工過程中很少產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生冷熱交替，使工件表面產(chǎn)生較高的溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；當(dāng)熱應(yīng)力的值超過ZnO/Al2O3陶瓷的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會產(chǎn)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(dǎo)致的。

3　結(jié)論

（1）研究了電阻率和加工工藝參數(shù)對ZnO/Al2O3陶瓷電火花加工性能的影響，可發(fā)現(xiàn)，能進(jìn)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(shí)的ZnO/Al2O3陶瓷也可進(jìn)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(dāng)電阻率高于687 Ω·cm時(shí)，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(dāng)電阻率低于687 Ω·cm時(shí)，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(fù)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] OKADA A. Automotive and industrial applications of structural ceramics in Japan [J]. Journal of the European Ceramic Society，2008，28（5）：1097-1104.

[2] GUO Xingzhong，YANG Hui，ZHANG Lingjie，et al. Sintering behavior，microstructure and mechanical properties of silicon carbide ceramics containing different nano-TiN additive [J]. Ceramics International，2010，36（1）：161-165.

[3] FENG Jie，CHEN Peng，NI Jun. Prediction of grinding force in microgrinding of ceramic materials by cohesive zone-based finite element method[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（5-8）：1039-1053.

[4] LALCHHUANVELA H，DOLOI B，BHATTACHARYYA B. Analysis on profile accuracy for ultrasonic machining of alumina ceramics[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，67（5-8）：1683-1691.

[5] SHUMYACHER V M，DUSHKO O V，PUSHKAREV D O. Predicting the grinding efficiency of hard ceramics in terms of surface brittleness [J]. Russian Engineering Research，2009，29（6）：623-624.

[6]CHEN Y F，LIN Y J，LIN Y C，et al. Optimization of electrodischarge machining parameters on ZrO2ceramic using the Taguchi method [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2010，224（2）：195-205.

[7] CLIJSTERS S，LIU K，REYNAERTS D，et al. EDM technology and strategy development for the manufacturing of complex parts in SiSiC[J]. Journal of Materials Processing Technology，2010，210（4）：631-641.

[8] LOPEZ -ESTEBAN S，GUTIERREZ -GONZALEZ C F，MATA-OSORO G，et al. Electrical discharge machining of ceramic/semiconductor/metal nanocomposites[J]. Scripta Materialia，2010，63（2）：219-222.

[9]LIU C C. Microstructure and tool electrode erosion in EDMed of TiN/Si3N4composites[J]. Materials Science and Engineering: A，2003，363（1-2）：221-227.

[10] QIU Mingbo，LIU Zhidong，TIAN Zongjun，et al. Study of unidirectional conductivity on the electrical discharge machining of semiconductor crystals [J]. Precision Engineering，2013，37（4）：902-907.

[11] K?NIG W，DAUW D F，LEVY G，et al. EDM -future steps towards the machining of ceramics [J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology，1988，37（2）：623-631.

[12] LIU Yonghong，JI Renjie，LI Qingyun，et al. An experimental investigation for electric discharge milling of SiC ceramics with high electrical resistivity [J]. Journal of Alloys and Compounds，2009，472（1-2）：406-410.

[13] LIU Yonghong，JI Renjie，LI Qingyun，et al. Electric discharge milling of silicon carbide ceramic with high electrical resistivity[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2008，48（12-13）：1504-1508.

[14]王志勇，彭超群，王日初，等.氧化鋅鋁陶瓷（AZO）靶材的制備及其電阻性能的測定[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23（12）：3341-3347.

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(jì)仁杰，男，1982年生，副教授。

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

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0001-05