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(rèn)為是推進(jìn)21 世紀(jì)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的主導(dǎo)材料之一。然而其非導(dǎo)電性、高硬脆性給加工帶來了極大的困難，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。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(gè)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(fù)雜形狀零件的方法，近20 年在陶瓷材料的成形加工應(yīng)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(rèn)為電火花加工只能加工導(dǎo)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。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(jìn)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(dǎo)。
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(dǎo)電的輔助電極，并浸沒在含有碳元素的油類工作液中進(jìn)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(shí)現(xiàn)輔助電極( 工件) 和鉬絲( 負(fù)極) 的放電加工，放電加工時(shí)產(chǎn)生的大量熱能會(huì)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(dǎo)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(jìn)行。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備
以泰安生建電加工機(jī)床廠生產(chǎn)的DK7740 型數(shù)控線切割機(jī)床作為實(shí)驗(yàn)用加工機(jī)，機(jī)床的高壓選用110V，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(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)采取單因素法，重點(diǎn)考察脈沖寬度、峰值電流、脈寬系數(shù)在加工絕緣陶瓷時(shí)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(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。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(guān)關(guān)系。當(dāng)脈沖寬度為實(shí)驗(yàn)最大的Ton = 64 μs 時(shí)，加工速度達(dá)到最大。這是因?yàn)槊}寬越小，單位時(shí)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(shí)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(dǎo)電膜，從而更容易形成有效放電，提高加工速度。當(dāng)脈沖寬度超過48 μs 時(shí)，加工時(shí)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?yàn)椋}沖寬度的增大意味著單個(gè)脈沖的放電能量W 增大。由于材料的熱學(xué)性能是一定的，則單個(gè)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16μs、32μs 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= 16μs 的表面明顯要平滑，粗糙度值遠(yuǎn)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(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。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(dāng)峰值電流為12 A 時(shí)達(dá)到了最快的加工速度。分析加工過程可知，當(dāng)峰值電流小于8 A時(shí)，單個(gè)脈沖所含有的能量值較小，由于陶瓷材料熔點(diǎn)高，熔化及汽化的過程中所需能量較大，導(dǎo)致蝕除速度緩慢，蝕除的方式也以熔化、汽化分離為主。當(dāng)峰值電流增大到12 A 時(shí)，加工速度明顯提高。當(dāng)峰值電流進(jìn)一步增大時(shí)，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(yīng)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(dǎo)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(gè)先抑后揚(yáng)的過程。當(dāng)峰值電流較小時(shí)，隨著峰值電流的增加，表面粗糙度值逐漸減小; 當(dāng)峰值電流達(dá)到8 A 時(shí)，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(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。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(shí)達(dá)到了一個(gè)峰值，這是因?yàn)樵诿}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(dǎo)電膜的形成，因此加工更穩(wěn)定，加工速度變快。當(dāng)脈間脈寬比超過6 時(shí)，加工時(shí)電弧放電現(xiàn)象也隨之增多，加工變得不穩(wěn)定，導(dǎo)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(guān)系，這是因?yàn)椋?dāng)脈間脈寬比較小時(shí)，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(dāng)脈間脈寬比在3 ～ 6 之間時(shí)，加工表面粗糙度值最小; 脈間脈寬比超過6 以后，加工時(shí)電弧放電現(xiàn)象也隨之增多，加工變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工表面粗糙度值增大。
4 結(jié)語
(1) 實(shí)驗(yàn)證明，絕緣陶瓷材料能通過電火花線切割進(jìn)行加工，只要控制好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，即能達(dá)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(guān)關(guān)系，在脈間脈寬比為6 時(shí)，加工速度達(dá)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(guān)關(guān)系，而峰值電流對表面粗糙度的影響經(jīng)歷了一個(gè)先減小后增加的過程，當(dāng)峰值電流超過8 A 時(shí)，表面粗糙度隨峰值電流的增加而緩慢增大。
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