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結構陶瓷電火花可加工性的模型化預測

時間:2011-02-27 10:21:53 來源:

摘　要：對常用結構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，為預測特定條件下結構陶瓷材料的電火花可加工性提供了新的分析方法。
關鍵詞：結構陶瓷　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

　　電火花加工技術應用于結構陶瓷材料加工，在近20年來得到較快的發展。結構陶瓷材料的固有特性，使其在電火花加工過程中所表現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構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據，分析總結了或相同或相似的工藝規律，但是工藝規律的離散性較大，難以預測對某種結構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測結構陶瓷電火花可加工性的分析方法。

2　實驗設計中的材料選擇

　　在結構陶瓷中，氧化物、氮化物、碳化物是三大主要系列。氧化鋁是可熔化結構陶瓷材料的典型代表，是氧化物系列的結構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，性能優良。據資料記載，僅在山東省淄博市博山區，就蘊藏著上億噸的優質鋁礬土礦。價格便宜和相當成熟的開發研究，使氧化鋁基的復合陶瓷材料的應用十分廣泛，涉及到冶金、化工、機電、船舶、宇航、輕工等各個領域。可用來制造車刀、銑刀、卡規、各種密封件、拉絲模、拉絲塔輪、滑板、化工設備的閥、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構陶瓷材料的典型代表，是氮化物系列的結構陶瓷中研究最活躍、進展最大的一種。具有優越的抗熱震性能，摩擦系數小，自潤滑能力強，其應用范圍超過了氧化鋁，在美國的陶瓷燃氣輪機計劃中，采用氮化硅制作轉子、定子和渦形管。無水冷陶瓷發動機中，采用熱壓氮化硅做活塞頂。在聯邦德國的燃氣輪機中，用熱壓 Si3N4做轉子、定子，用反應燒結的Si3N4做燃燒器。在日本，用無壓燒結的Si3N4制作單缸柴油發動機中的活塞罩、汽缸套、副燃燒室等。日本的五十鈴汽車公司的全陶瓷發動機也主要采用Si3N4基結構陶瓷材料。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構陶瓷材料的典型代表，是碳化物系列的結構陶瓷中應用最廣泛的一類。碳化硅的硬度僅次于氧化鋁，導熱性能很好，理論導熱系數為400Wm*℃，遠大于氧化鋁和氮化硅。其在工具業中的應用早為人們所熟知。近幾年來，廣泛用來制造高溫零部件(火箭發動機噴嘴、磁流體發電機的電極等)、耐磨損件(各種機械密封環、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構陶瓷材料電火花加工可行性的決定性指標，對結構陶瓷材料來說，峰值電流的持續時間是影響加工效率和電極損耗的關鍵因素〔1～3〕。
3.1　最優脈寬的確定
　　某種結構陶瓷材料能否在特定電火花加工設備上加工，關鍵在于能否得到最優脈寬。綜合分析各種材料的熔化體積隨峰值電流持續時間ts的變化曲線，就可預測高效、低損耗所對應的最優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，三種材料的優化脈寬在0.5～2μs范圍內。Al2O3最優脈寬0.5μs，SiC、Si3N4最優脈寬1μs。
3.2　工具電極損耗的預測
　　利用最大熔化體積隨ts的變化曲線可預測工具電極損耗，如表1、表2所示的實驗與分析結果。表1的研究參數如表3，表2的研究參數如表4。

表1　不同脈寬時電極損耗的變化(%)

工件材料 0.3μs 0.5μs 1μs 2μs
實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值
SiC 165 186 98 120 36 40 15 40
Si3N4 78 91 52 71 17 20 11 20
Al2O3 170 165 76 30 23 25 19 22

表2　不同峰值電流時電極損耗的變化(%)

工件材料 15A 35A 70A 115A
實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值
SiC 18 37 36 40 83 110 155 193
Si3N4 10 19 17 20 47 84 99 124
Al2O3 22 28 26 30 90 101 161 157

表3　表1的研究參數

工件材料 Up(V) IP(A) ton:toff FA 工具電極
SiC、Si3N4 200 35 1:10 0.17 ?4mm中孔=?1.5mm黃銅棒
Al2O3 160 35 1:8

0.12

 　

表4　表2的研究參數

工件材料 Up(V) Ton(μs) ton:toff FA 工具電極
SiC、Si3N4 200 1 1:8 0.17 ?4mm中孔
?1.5mm黃銅棒
Al2O3 160 0.5 1:6

0.12

 　
 
相對電極損耗的實驗值為，打穿工件時電極損耗長度與工件厚度比值。模型計算值為，脈沖結束時銅的熔化體積與工件材料的熔化體積之比。分析表3、表4，從Al2O3的數據可看出，模型化較準確，能反映實際加工狀態，可是SiC、Si3N4的實驗與計算數據相差懸殊。通道擴脹規律，受電極材料特性的影響較小，通道半徑的模型化不會產生如此大的差異，關鍵在于模型化的計算方法是否合理。從材料特性看，SiC、Si3N4和Al2O3的最大差別在于前兩者沒有熔點，SiC在2600℃分解，Si3N4在1900℃分解，分解過程是不可逆的，因而這兩種材料對熔化體積的概念是不合適的。熔化體積隨ts的變化曲線顯示，在某個ts以后熔化體積要減小，這表明工件內部的熔化等溫線在向熱源收縮。也就是隨著通道擴脹，能量密度降低，已熔化的材料在液固界面再凝固，對于有熔點的材料，凝固規律可由溫度來決定，沒有熔點的材料，這一規律要復雜得多，因為結構陶瓷一般都是幾個相的復合，相界面的共晶體成分與單相成分共同決定其相變規律。總的來說，無熔點相的存在將阻礙熔化等溫線的收縮。故對模型計算方法進行修正，計算值與實驗值有較好的相近性。修正計算方法是：相對電極損耗等于脈沖結束時，銅的熔化體積與SiC、Si3N4的1.05倍最大熔化體積的比值，計算結果見表5、表6。可看出修正后的模型化已較準確，能反映實際加工狀態。最大熔化體積修正系數的取值與材料的熱擴散率有關，熱擴散率越大，取值應越大；分解氣化相的粒度越大，取值應越大。
 

表5　不同脈寬時電極損耗的修正結果(%)

工具電極 0.3μs 0.5μs 1μs 2μs
實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值
SiC 165 180 98 99 36 40 15 13
Si3N4 78 86 52 60 17 20 11 8

表6　不同峰值電流時電極損耗的修正結果(%)

工具電極 15A 35A 70A 115A
實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值 實驗值 計算值
SiC 18 22 36 40 83 92 155 170
Si3N4 10 15 17 20 47 59 99 107

4　小結

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