摘　要：對常用結(jié)構(gòu)陶瓷材料的電火花可加工性進行了實驗研究和模型化分析，為預(yù)測特定條件下結(jié)構(gòu)陶瓷材料的電火花可加工性提供了新的分析方法。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)陶瓷　電火花加工　可加工性

Abstract：The present paper experiments with and models the machinability of structural ceramics by EDM,providing a new method of analysing the machinability of stuctural ceramics by EDM.on certain conditions.▲

1　引言

　　電火花加工技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷材料加工，在近20年來得到較快的發(fā)展。結(jié)構(gòu)陶瓷材料的固有特性，使其在電火花加工過程中所表現(xiàn)出來的工藝特性完全不同于金屬。自80年代以來，許多學者在致力于結(jié)構(gòu)陶瓷電火花加工外特性的研究，不同學者采用不同材料，在不同的條件下得到了不同的工藝數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了或相同或相似的工藝規(guī)律，但是工藝規(guī)律的離散性較大，難以預(yù)測對某種結(jié)構(gòu)陶瓷使用電火花加工的可行性。本文圍繞這一問題進行實驗研究和理論分析，得到了一種較為科學的預(yù)測結(jié)構(gòu)陶瓷電火花可加工性的分析方法。

2　實驗設(shè)計中的材料選擇

　　在結(jié)構(gòu)陶瓷中，氧化物、氮化物、碳化物是三大主要系列。氧化鋁是可熔化結(jié)構(gòu)陶瓷材料的典型代表，是氧化物系列的結(jié)構(gòu)陶瓷中研究最成熟的一種。它在地殼中的貯藏量豐富，約占地殼總重量的25%，價格低廉，性能優(yōu)良。據(jù)資料記載，僅在山東省淄博市博山區(qū)，就蘊藏著上億噸的優(yōu)質(zhì)鋁礬土礦。價格便宜和相當成熟的開發(fā)研究，使氧化鋁基的復(fù)合陶瓷材料的應(yīng)用十分廣泛，涉及到冶金、化工、機電、船舶、宇航、輕工等各個領(lǐng)域。可用來制造車刀、銑刀、卡規(guī)、各種密封件、拉絲模、拉絲塔輪、滑板、化工設(shè)備的閥、泵、宇航器的軸承、火箭鼻錐等。
　　氮化硅是較低溫度分解升化、導熱性能(常溫)較差、晶界玻璃相較多的一類結(jié)構(gòu)陶瓷材料的典型代表，是氮化物系列的結(jié)構(gòu)陶瓷中研究最活躍、進展最大的一種。具有優(yōu)越的抗熱震性能，摩擦系數(shù)小，自潤滑能力強，其應(yīng)用范圍超過了氧化鋁，在美國的陶瓷燃氣輪機計劃中，采用氮化硅制作轉(zhuǎn)子、定子和渦形管。無水冷陶瓷發(fā)動機中，采用熱壓氮化硅做活塞頂。在聯(lián)邦德國的燃氣輪機中，用熱壓 Si3N4做轉(zhuǎn)子、定子，用反應(yīng)燒結(jié)的Si3N4做燃燒器。在日本，用無壓燒結(jié)的Si3N4制作單缸柴油發(fā)動機中的活塞罩、汽缸套、副燃燒室等。日本的五十鈴汽車公司的全陶瓷發(fā)動機也主要采用Si3N4基結(jié)構(gòu)陶瓷材料。我國研制的高溫氣門、軸瓦、滾動軸承等陶瓷零件，也是Si3N4基材料的性能最好。
　　碳化硅(俗稱“金剛砂”)是沒有熔點、導熱性能好、晶界玻璃相少的一類結(jié)構(gòu)陶瓷材料的典型代表，是碳化物系列的結(jié)構(gòu)陶瓷中應(yīng)用最廣泛的一類。碳化硅的硬度僅次于氧化鋁，導熱性能很好，理論導熱系數(shù)為400Wm*℃，遠大于氧化鋁和氮化硅。其在工具業(yè)中的應(yīng)用早為人們所熟知。近幾年來，廣泛用來制造高溫零部件(火箭發(fā)動機噴嘴、磁流體發(fā)電機的電極等)、耐磨損件(各種機械密封環(huán)、拉絲模等)、耐腐蝕件(化工用的泵、閥、噴嘴等)，是最有前途的高溫材料，其常溫強度可維持到1200℃沒有明顯降低。

3　可加工性的預(yù)測分析

　　滿足表面完整性的加工效率和電極損耗是衡量某種結(jié)構(gòu)陶瓷材料電火花加工可行性的決定性指標，對結(jié)構(gòu)陶瓷材料來說，峰值電流的持續(xù)時間是影響加工效率和電極損耗的關(guān)鍵因素〔1～3〕。
3.1　最優(yōu)脈寬的確定
　　某種結(jié)構(gòu)陶瓷材料能否在特定電火花加工設(shè)備上加工，關(guān)鍵在于能否得到最優(yōu)脈寬。綜合分析各種材料的熔化體積隨峰值電流持續(xù)時間ts的變化曲線，就可預(yù)測高效、低損耗所對應(yīng)的最優(yōu)ts值。如以黃銅作為工具電極，模型化計算黃銅為陽極時，最大熔化體積隨ts的變化曲線見下圖。

　　由上圖可看出，在ts＜40ns時最大熔化體積達到峰值，到200ns時熔化體積已很小。與被加工材料的Vm-ts曲線對比分析，使被加工材料接近而工具材料遠離最大熔化體積極值的ts值為最佳值。
　　如將Al2O3、SiC、Si3N4的Vm-ts曲線［3］和上圖對比分析，三種材料的優(yōu)化脈寬在0.5～2μs范圍內(nèi)。Al2O3最優(yōu)脈寬0.5μs，SiC、Si3N4最優(yōu)脈寬1μs。
3.2　工具電極損耗的預(yù)測
　　利用最大熔化體積隨ts的變化曲線可預(yù)測工具電極損耗，如表1、表2所示的實驗與分析結(jié)果。表1的研究參數(shù)如表3，表2的研究參數(shù)如表4。

表1　不同脈寬時電極損耗的變化(%)

表5　不同脈寬時電極損耗的修正結(jié)果(%)

4　小結(jié)

　　模型化分析所得最大熔化體積隨脈寬的變化曲線，可用來預(yù)測某種結(jié)構(gòu)陶瓷材料電火花加工的可能性。應(yīng)深入而廣泛的研究，將各種特定條件下的這種曲線匯集，編制成圖冊或數(shù)據(jù)庫軟件，使電火花加工真正成為結(jié)構(gòu)陶瓷有效的、方便的加工方法。