（机械电子工程专业论文）纳米复相陶瓷电火花线切割加工特性研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 纳米复相陶瓷电火花线切割j j n i 特性研究 摘要 陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，在空间技术、机械 工业、石油工业等领域的用途越来越多，但其可靠性差、脆性大等特点难于加工 因而使其应用受到限制。通过多相复合来改善材料的性能是材料改性的主要手段 之一。纳米复相陶瓷具有优良的室温和高温机械性能，被誉为”万能材料”或”面 向2 l 世纪的新材料4 。因此，对其进行电火花线切割加工工艺的研究具有十分重 要的理论与实际意义。 本文研究了电火花线切割加工t i n s i 州纳米复相陶瓷时工艺参数与加工速 度、表面裉糙度等工艺指标的关系，通过对试验结果的综合分析，得出各参数对 电火花线切割加工纳米复相陶瓷工艺指标的影响规律，为加工导电性陶瓷的参数 选择提供了依据。 本文对t i n s i 。n 。纳米复相陶瓷电火花线切割加工后的表面特性进行了研究。 通过改变脉冲宽度、脉冲间隔、开路电压和工作电流等参数来研究其对加工后的 表面质量和微观结构的影响。分别使用金相显微镜、带能谱的扫描电镜、x 射线 衍射仪和维氏硬度计对加工后的纳米复相陶瓷进行了分析。根据实验结果，可以 得到放电能量对表面粗糙度、加工速度和表面裂纹的形状都有影响，同时在加工 后的t i n s i 。n 纳米复相陶瓷的表面形成了很薄的一层软化层。 文中对电火花线切割加工时如何获得最优表面粗糙度和加工速度的组合进 行了研究。以数理统计的理论为指导，设计了j 下交实验表格，按照表格对t i n s i ，n 纳米复相陶瓷进行了电火花线切割加工实验。实验中通过改变脉冲宽度、脉冲间 隔、开路电压和工作电流等参数进行分析研究，采用正交的方式记录了一组实验 数据。得到了各因素和指标的关系图，并分别进行了极差和方差分析。通过对实 验数据进行分析和处理，得到了电火花线切割加工t i n s i 扎纳米复相陶瓷时工艺 参数与加工效果之间的关系，根据不同的加工条件选择出了一组加工速度较大而 表面粗糙度较小的优化工艺参数组合。 关键词电火花线切割纳米复相陶瓷加工工艺性表面变质层 纳米复相陶瓷电火花线切割加i ：特性研究 n v e s t l g a t l 0 ni nm a c h l n i n gn a n o c o m p o s l t e c e r a m i c sb yw e d m a b s t r a c t c e r a m i c sa r eu s e dm o r ea n dm o r ei ns p a c et e c h n o l o g y 、e n g i n e e r i n gi n d u s t r ya n d o i lp a t c ha sak i n do f m a t e r i a l sf o ri t sh i g hi n t e n s i t y 、h i g hh a r d n e s s 、l o wd e n s i t y 、l o w e x p a n s i o n 、e ta 1 b u tt h e ya r ev e r yd i f f i c u l tt om a c h i n eb e c a u s eo ft h e i rl o wr e l i a b i l i t y a n dh a r db r i t t l e n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c sh a v ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tb o t h a n a b i n ta n de l e v a t e d t e m p e r a t u r e s ，t h e y a r ec a l l e d “o m n i p o t e n c em a t e r i a l s o r m a t e r i a l so f2 1c e n t u r y s ot h ei n v e s t i g a t i o no fm a c h i n en a n o c o m p o s i t ec e r a m i cb y w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( w e d m ) i s v e r yi m p o r t a n t t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm a c h i n i n gs p e e da sw e l la st h e p r o c e s sp a r a m e t e r sa n ds u r f a c er o u g h n e s si nw e d mm a c h i n i n gt h et i n s i 3 n 4 n a l l o c o m p o s i t cc e r a m i c sa r ei n v e s t i g a t e db yt e s t t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o ft h et e s tr e s u l t s ，t h ee f f e c tl a wo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nt h et e c h n i c a li n d e xo f w e d mi sc o n c l u d e d ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rp a r a m e t e r ss e l e c t i o ni nw e d m t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h em a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h et i n s i 3 n 4 n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c si nw i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g p r o c e s s d u r i n ge x p e r i m e n t s p a r a m e t e r ss u c ha so p e r lc i r c u i tv o l t a g e 、p u l s ed u r a t i o n 、 p u l s ew i d t ha n de l e c t r i cc u r r e n tw e r ec h a n g e dt oe x p l o r et h e i re f f e c to nt h es u r f a c e r o u g h n e s sa n dm i c r os t r u c t u r e o p t i c a la n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i e r o s c o p y , s e m ，x r a y a n dm i e r o h a r d n e s st e s t sw e r eu s e dt o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e d s p e c i m e n s t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h e i n t e n s i t yo ft h ep r o c e s se n e r g yd o e sa f f e c tm a c h i n i n gs p e e da n ds u r f a c er o u g h n e s sa s w e l la sm i c r o c r a c k i n g , b u tas l i g h td e g r a d a t i o no fs h a p er e c o v e r yo c c u r sd u et ot h e d e p r e s s i o no f t h er e - c a s tl a y e r t h i sp a p e rp r e s e n t sa l li n v e s t i g a t i o no nt h ee f f e c ta n do p t i m i z a t i o no fm a c h i n i n g p a r a m e t e r so nt h es u r f a c er o u g h n e s sa n dm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) i nw i r e 青岛科技人学研究生学位论文 e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( w e d m ) o p e r a t i o n s o nt h eb a s i so fm a t h p h y s i c s s t a t i s t i c s ，d e s i g nt h eo r t h o g o n a lt e s ts h e e t ，t h et i n s i 3 n 4n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c sa r e m a c h i n e db yw e d m t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e sw e r ec o n d u c t e du n d e rv a r y i n gp u l s e d u r a t i o n 、p u l s ew i d t h 、o p e nc i r c u i tv o l t a g ea n de l e c t r i cc u r r e n t t h es e t t i n g so f m a c h i n i n gp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e db yu s i n gt a g u c h ie x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d a n dt h e n , at e a mo ft e s td a t aa l er e c o r d e d t h el e v e lo fi m p o r t a n c eo ft h em a c h i n i n g p a r a m e t e r so nt h es u r f a c er o u g h n e s sa n dm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) i sd e t e r m i n e d b yu s i n ga n a l y s i so fv a r i a n c e t h eo p t i m u mm a c h i n i n gp a r a m e t e rc o m b i n a t i o nw a s o b t a i n e db yu s i n gt h ea n a l y s i so f r a n g ea n a l y s i sm e t h o da n dv a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o d a f t e ra n a l y s i so ft h et e s td a t 扎t h eo p t i m a ls e a r c hf o rm a c h i n i n gp a r a m e t e r sf o rt h e o b j e c t i v eo fm i n i m u ms u r f a c er o u g h n e s st o g e t h e rw i t hm a x i m u mm a t e r i a lr e m o v a l r a t e ( m r r ) i sp e r f o r m e db yu s i n gt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l s k e yw o r d sw e d mn a n o c o m p o s i t ec e r a m i c s m a c h i n i n gt e c h n i q u e s u r f a c ei n t e g r i t y 青岛科技大学研究生学位论文 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：弓氏威曳日期：枷7 年6 月侈日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 导鬻轹瓣嘞茄年钴乡附日 导师签名： j 佼旧日期：九柳年石、月盱目 1 0 3 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 1 1 1 课题提出的背景 第一章前言 现代社会的飞速发展推动着尖端科技产品向高强度、高精度、耐高温高压、 耐腐蚀、小型化、智能化的方向发展。 纳米科技是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初诞生并迅速发展和渗透到各学科领 域的一门崭新的高科技。由于它在2 1 世纪产业革命中具有战略地位，因而受到 世界的普遍关注。 2 1 世纪将是陶瓷的世纪。1 。随着宇航、航空、原子能和先进能源等近现代科 学技术的发展，对高温、高强度材料提出了越来越苛刻的要求，而金属基高温合 金材料往往难以满足这些要求。由于特种陶瓷材料的一些物理性能要远高于金属 材料，因此，在世人把目光投向新材料的今天，陶瓷的研究与应用具有越来越重 要的意义”。 有人说，7 0 年代微电子学产生了世界性的信息革命，那么纳米科技将是2 1 世纪信息革命的核心。纳米技术的飞速发展极大的推动了材料科学的研究和发 展。由于纳米粉体的晶粒小，表面曲率大或表面积大，所以它的磁性、催化性、 光吸收、热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出奇特的性能，纳米粉体具有这 么多特异性能，潜在应用价值极大，因此得到人们的极大重视。世界发达国家对 纳米材料的研究投入了大量的人力、物力和财力并制定了长远计划，迄今，他们 已取得了一些令人惊奇的成果，并逐渐形成高新技术产业，取得了良好的经济效 益。纳米复相陶瓷具有优良的室温和高温力学性能，被誉为”万能材料”或”面向 2 l 世纪的新材料”。因此，对其电火花线切割加工工艺进行研究具有十分重要的 理论与实际意义。 纳米科技的发展将会引起材料科学的一次革命，它的发展将会对人类社会的 发展和进步产生重大而深远的影响。事实上，人们已把研究的重点逐步地由金属 材料转变到非金属材料和复合材料的研究上，同时加工方法也随之形成了从传统 加工到复合加工再到特种加工的发展趋势。由于电火花线切割( w e d m ) 技术的一系 列优点，使其在各种难加工材料的加工领域中，获得广泛的应用。 纳米复相陶瓷电火花线切割加下特性研究 1 1 2r i n s i3 n 纳米复相陶瓷w e d m 加工的意义 陶瓷材料的脆性大、不耐热冲击、不均匀、强度差、可靠性低、加工困难等 缺点大大地限制了陶瓷的应用。随着纳米技术的广泛应用，有望以纳米技术来克 服陶瓷材料的这些缺点，如降低陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧 性和可加工性。因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米陶瓷是 指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之白j 的结合都处在纳米尺寸水 平。由于纳米陶瓷晶粒的细化，品界数量大幅度增加，可使材料的强度、韧性和超 塑性大为提高，并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响“1 。 用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有效减少材料表面的缺陷，获得形态均一和平 滑的表面；能增强界面活性，提高材料的单晶强度；能有效地降低应力集中，减 少磨损，特别是可以有效提高陶瓷材料的韧性呻1 。目前纳米陶瓷的应用主要有以 下几个方面：1 ) 制成全陶瓷的纳米陶瓷，使制品与常规陶瓷材料相比，其综合性 能，尤其是断裂韧性有大幅度的提高；2 ) 将纳米陶瓷添加到橡胶等轴承材料中， 改善原材料的强度和耐磨性；3 ) 通过在原轴承材料表面涂覆纳米陶瓷涂层，提高 原轴承材料的耐磨性和使用寿命”1 。 本课题研究的目的就是针对工程陶瓷中的重要成员一一t i n s i 3 n 4 纳米复相 陶瓷，结合电火花线切割加工“以柔克刚”的特点，对t i n s i 3 n 4 纳米复相陶瓷 电火花线切割加工特性进行研究。课题主要任务就是以t i n s i 3 n 4 纳米复相陶瓷 为研究对象，采用电火花线切割加工的方法进行工艺研究，分析t i n s i 3 n 4 纳米 复相陶瓷的电火花线切割加工蚀除机理，对加工后的表面性能进行微观分析，并 进行t i n s i 3 n 4 纳米复相陶瓷电火花线切割加工的正交试验设计，掌握电火花线 切割加工t i n s i 】n 4 纳米复相陶瓷的技术，为我国的纳米复相陶瓷提供有效的加 工手段，促进我国纳米复相陶瓷的应用，丰富我国特种加工的内容，提高我国纳 米复相陶瓷的电加工水平。因此，本课题的研究具有重大的社会效益和理论意义。 1 2 目前国内外陶瓷材料加工技术现状 1 2 1 绝缘陶瓷材料的加工现状 目前国内外加工绝缘陶瓷材料的方法主要有传统磨削加工与m e e c 、超声加 工、激光n i 、高压磨料水加工和辅助电极法等。 青岛科技人学研究生学位论文 ( 1 ) 传统磨削加工与m e e c ( 机械一电解一电火花磨削) 磨削加工一般选用会刚石砂轮。金刚石砂轮磨削除去材料是由于磨粒切入工 件时，磨粒切削刃l j 方的材料受到挤压，当应力值超过陶瓷材料承受极限时被压 溃，形成碎屑。另一方面，磨粒切入工件时由于压应力和摩擦热的作用，磨粒下 方的材料会产生局部塑性流动，形成变形层。当磨粒划过后，由于应力的消失， 引起变形层从工件上脱离形成切屑。在材料去除的整个过程中，前刀面压溃去除 是主要的。磨削加工时，切屑不易排除，加工效率低，砂轮磨损严重，加工成本 高。 机械、电解、电火花复合磨削加工工艺( m e e c ) 是一种以机械磨削为主的三复 合加工方法。它将机械、电学、化学作用综合运用，实现了高速、高精度加工。 其工作原理是在砂轮旋转的过程中，当不导电部分与工件相接触时，磨粒对工件 产生机械磨削作用；当导电部分接近工件时，由喷射到砂轮和工件日j 的磨削液引 起电解作用而改善加工表面质量；在导电部分脱离工件表面的瞬间所发生的火花 放电，除了在一定程度上去除工件材料外，由此产生的高温还可使砂轮上磨粒周 围的结合剂熔化和汽化而保持砂轮的锋利，并使陶瓷材料因受热而利于磨削。该 方法能对无法采用电火花、电解加工的非导电陶瓷材料进行加工呻”。 ( 2 ) 激光加工 激光用于陶瓷这样超硬材料孔的加工，功率密度为1 0 7 1 0 8 w c m 2 ，作用时间为 1 0 1 1 0 1 s ，经济效益显著。目前用c 0 2 激光器可在a 1 。0 ，陶瓷上打出精确的孔，加 工成本大大降低，采用英国f r u m p t 公司生产的t l f 7 5 0c 0 2 激光器打孔，孔径为 0 7 6 2 0 0 1 3 m m , 位置公差 1 3 2 5 ，v = 8 0 m m i n 时，切削呈赤热的直 带状，使得切削力下降6 0 ，同时还使单位接触负荷减少。因此在陶瓷材料加工中 辅以低功率密度激光( 1 0 3 1 0 1 w c m 2 ) ，对切削区局部加热，使加工区域材料有良好 的延展性，这样就可以避免陶瓷产生裂纹，大幅度提高加工效率“。 纳米复相陶瓷电火花线切割加丁特性研究 ( 2 ) 超声加工 超声加工时，在工具和工件之间加入液体和磨料混合的工作液，并使工具以 一定的压力作用在工件上，超声换能器产生1 6 k h z 以上的超声纵向振动，并借助 于变幅杆把振幅放大到0 0 5 o 1 0 唧，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液 中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨工件表面，把工件表面的材 料粉碎成很细的微粒，从工件上被撞击下来。虽每次撞击下来的材料很少，但由 于撞击频率高达1 60 0 0 次s 以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作 液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的正负液压冲击波和“空化”作 用，促使工作液进入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用，强化了加工 过程。此外f 负交变的液压冲击也使工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的 磨粒及时得到更新”“。 超声加工与其它加工方法相结合，形成了各种超声复合加工工艺，如超声车 削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声振动珩磨、超声研磨抛光等。超 声复合加工方式较适用于陶瓷材料的加工，其加工效率随着材料脆性的增大而提 高。日本的研究人员对陶瓷材料的超声磨削加工进行了研究，使陶瓷材料的加工 效率提高近一倍；他们在对a 1 ：0 陶瓷和z r 0 ：陶瓷进行加工时，在工具与工件上 同时施加超声振动，从而使加工效率提高了2 3 倍。此项技术在高效率光整加 工陶瓷、光学玻璃等硬脆材料中具有很大潜力。 ( 4 ) 磨料水射流加工 磨料水射流加工是利用射速数倍于音速的磨料水的机械冲击作用，使工件表 面产生微裂纹、进而形成碎屑剥落蚀除的加工方法。磨料水射流加工陶瓷材料实 际上是一个材料的动态断裂的过程，即通过裂纹的扩展实现材料的切削、磨削、 钻削加工。目前己在工程陶瓷、硬质合金、复合材料等材料加工中得到应用。我 国学者赵民等人的研究表明：加工效率与喷腔内压力成j 下比，与喷嘴移动速度成 反比“。该方法仅适于对脆性材料的加工，加工效率、精度和表面质量都较低。 ( 5 ) 辅助电极法电火花加工 辅助电极法电火花加工就是用导电材料代替被加工工件一绝缘陶瓷作为放 电回路中的正极，创造出电火花放电所需要的必要条件。2 0 世纪9 0 年代，日本 学者福泽康、毛利尚武在用电火花加工金属和绝缘陶瓷的结合面时，发现金属侧 被加工蚀除的同时，绝缘陶瓷也被加工蚀除，从而发明了绝缘陶瓷辅助电极法电 火花加工技术“1 。国内哈尔滨工业大学的杭春进，郭永丰等学者利用辅助电极 法对绝缘陶瓷氮化硅进行电火花加工时发现存在最佳峰值电流、脉宽和脉间。当 峰值电流为3 9 a 、脉宽为1 6 i t s 、脉间为2 0 时加工速度最大。辅助电极的厚度 对加工过程也有影响，在保证放电回路完整的情况下，辅助电极越薄越好。辅助 青岛科技人学研究生学位论文 电极越厚，辅助加工时间越长，电极损耗越大，排屑就越困难，对加工过程就越 不利。 绝缘陶瓷电火花加工的主要蚀除方式有熔化、气化、热应力去除、热剥离等。 随着脉冲能量的变化，蚀除方式发生变化，对加工速度有着较大的影响。绝缘氮 化硅工件在电火花加工后表面上生成的导电层的主要成份为碳化硅，这可能是从 工作液中热分解出来的碳粒子跟工件材料作用生成的。以碳化物为主要成份的导 电层能够保证绝缘陶瓷电火花加工继续进行“。” 。绝缘陶瓷被加工表面上导电层 的生成与脉冲放电时出现的长脉冲放电有关。长脉冲放电是辅助电极法电火花加 工绝缘材料时所特有的放电状态。下常脉冲放电对工件进行蚀除加工，而长脉冲 放电可能是导电层生成的主要原因。随着导电层的不断蚀除与生成，正常脉冲与 长脉冲交替出现。他们通过辅助电极法电火花加工技术成功地在厚度为6 m m 的绝 缘氮化硅工件上加工出直径为中2 唧的通孔，在氮化硅小球上加工出直径为中 2 m m ，深8 m m 的盲孔，在绝缘氮化硅工件上加工出h i t 字样。另外，在直径为中 1 7 m m 的绝缘氧化锆小球上加工出中2 m m ，深l l m n 的盲孔m 。 、 1 2 2 导电性陶瓷材料的加工现状 电火花线切割加工所采用的脉冲放电能量密度高，便于加工普通机械难以加 工的特殊材料或复杂形状的工件；而且脉冲放电持续的时间极短，放电时产生的 热量传导扩散范围小，材料被加工表面受热影响的范围小：更重要的是，加工时 工具电极与工件材料不接触，两者之阳j 宏观作用力极小，可用软的工具加工任何 高硬度的材料：由于直接用电能进行加工，便于实现自动化；能降低劳动强度， 加工质量好。电火花线切割加工的种种优点使国内外专家在利用其对陶瓷加工方 面，做了大量研究工作，并取得了一定的进展n 。 对于导电的超硬材料采用常规工艺难以加工时，采用放电加工可取得较为满 意的效果。研究表明”“，材料可直接进行放电加工的条件是：其电阻率不大于1 0 0 o 锄。 非电类方法在加工绝缘超硬材料时，普遍存在效率低、经济性差等缺点；而 电加工具有“以柔克刚”、可加工各种复杂形状零件等优点“。鉴于此，人们开 拓思路，积极探索超硬材料的电加工方法。 ( 1 ) 电火花线切割加工 陶瓷及陶瓷基复合材料其强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等机械性 能远高于金属及其合金，人们期待着在更多的方面发挥它们的作用。由于其切削 加工性很差，限制了其应用，尤其是在制造形状复杂的零件时，加工困难成了阻 纳米复相陶瓷电火花线切割加t 特性研究 碍其应用的瓶颈。于是，人们尝试采用电加工的方法对它们进行加工。k h h o 等人在总结近年来电火花线切割加工技术的研究成就时指出，在各种现代复合材 料加工方法中，电火花线切割加工效率高、成本低，j 下在成为先进陶瓷材料加工 最有希望的选择之一。，。 电火花线切割加工的研究一般是试图找到线切割加工的各种电参数与加工 质量和加工效率之间的关系，国内的学者也做了大量的工作。北京科技大学的王 志勇、贾志新等人对h p _ - s i 扎导电陶瓷进行了电火花线切割加工得出了各参数 对电火花线切割工艺指标的影响特性口“。江苏理工大学朱曾通过对a l ：0 n - t i c 陶 瓷材料电加工后表面粗糙度和强度的测定，分析了电参数对加工材料表面质量的 影响，试验结果表明，减小脉冲宽度、脉冲系数有利于降低加工表面的粗糙度， 而经电加工后的陶瓷材料表面受到损伤，强度有所降低。并通过对工程陶瓷 a l ：0 。一t i c 线切割加工电参数的优化试验，找出影响生产率和表面粗糙度的主要因 素和较优组合，为进一步开发陶瓷材料的应用提供依据。 b i i n gh w ay a h 等人对添加了a 1 ：0 = 。颗粒( 体积分数分别为1 0 和2 0 ) 的铝 合金基复合材料的电火花线切割加工进行了较为系统的研究，结果表明，随a l ：嘎 颗粒的体积分数增大，加工速度有所降低，而随着脉冲宽度的增大，加工速度、 切缝宽度、电极损耗速率均逐渐增大，h l 。0 颗粒的体积分数增大，也会使表面粗 糙度和电极损耗速率增大，但加工参数对表面粗糙度的影响较小，他们还对影响 断丝的因素做了较为全面的研究”“。z n g u o 等人运用快速走丝电火花线切割机 床对添加了a l ：0 ，颗粒( 体积分数为2 0 ) 的铝合金基复合材料进行了研究，结果 表明，加工电流越大，加工速度和表面粗糙度越大，而当采用较大的加工电流、 加工电压和脉冲宽度时，恰当选择脉冲白j 隔，可以实现高效加工“”。 t m y u e 等人针对z m 5 1 s i c 复合材料分别进行了单晶会刚石车削、电火花 线切割、磨削和抛光加工表面的耐腐蚀性研究，结果表明，在电火花线切割加工 时，加工参数对于加工表面的耐腐蚀性有较大影响，采用较小的脉冲电流、较低 的加工电压和较短的脉冲问隔，加工表面的耐腐蚀性更好。”。 j e r z yk o z a k 等人对具有较低导电性的t i n s i 小。复相陶瓷进行了电火花线 切割加工研究，其t i n 的重量分数分别为3 7 5 和4 0 ，电导率为0 0 1 s c m ，作 者建立了从央持点到切割电极的电流传导理论模型，实验研究结果表明，切割加 工点距央持点的距离对于切割速度影响很大“。 i c a b a n e s 等人对导电型陶瓷b 4 c 进行了电火花线切割加工的研究，研究结 果表明，只要电导率超过0 0 l s c m ，电火花线切割加工是先进陶瓷复杂形状加工 的适宜方法，但要想得到较高的加工效率和稳定性，就必须对市售机床进行改造。 通过减小脉宽和脉间，增大脉冲电流，在对1 5 m m 厚的材料进行加工时，取得了 6 青岛科技人学研究生学位论文 4 9 唧2 m i n 的加工速度，这大约是j 下常加工速度的五倍，作者也指出，过高的脉 冲能量序列有可能造成潜在的表面裂纹和材料组织的改变，进而对零件的使用性 能产生不利影响”。 ( 2 ) 电火花成型加工 一般来说，凡是能用电火花线切割加工的材料往往能用电火花成型加工，相 对而言，电火花成型加工要考虑的因素多一些，它涉及到电极的形状和损耗，加 工时遇到某些不导电的硬质点还可能造成破坏等等。但电火花成型加工对于穿 孔、型腔模等方面的加工是线切割所无法代替的。 k u b o t a 对导电的s i 州。一t i n 陶瓷做了刻模加工，其导电相t i n 含量为3 0 ， 他通过调节脉宽b i ( 2 2 3 5 肛s ) 和放电电流i e ( 5 2 0 a ) 来影响材料去除速度。结 果表明，最大的加工速度为7 m m i n ，工具电极的损耗从1 到6 0 不等，表面 粗糙度在l e = 2 0 a 、b i = 3 5 时为r a = 2 5 胁隅1 。 1 w a n e k 在精加工条件下，以一系列导电陶瓷( 包括s i s i c ，热压s i c 。 r e f e l s i s i c 和烧结s i s i c ) 的可加工性做了研究。其中值得注意的是加工电流非 常小，i e = i a ，加工电压为1 7 0 v 的条件下，s i s i c 是最好加工的，当b i = 5 0 0 “s 时，v f0 6 m m m ir l 。另外，1 w a n e k 还得出了临界电火花加工限制的上限是i 0 0 q cm 。 以电火花线切割和成型加工为基础，还可以衍生出其他的加工方法，如电火 花内外圆和平面磨削，刀具的刃磨，电火花铣槽，齿轮及螺纹的电火花加工等等。 1 3 本文研究的主要内容和目标 1 3 1 本文研究的主要内容 本论文的主要研究内容为： ( 1 ) 电火花线切割加工的脉冲幅值电流、脉冲间隔、脉冲宽度、开路电压等电参 数对t i n s i 扎纳米复相陶瓷电火花线切割加工工艺过程的影响。 脉冲电源的波形和参数对材料的电腐蚀过程影响极大，它们决定着放电痕 ( 表面； h 糙度) 蚀除率、切缝宽度的大小和钼丝的损耗率，进而影响加工的工艺 指标。一般情况下，电火花线切割加工脉冲电源的单个脉冲放电能量较小，除受 工件加工表面粗糙度要求限制外，还受电极丝允许承载放电电流的限制。欲获得 较好的表面粗糙度，每次脉冲放电的能量不能太大。表面粗糙度要求不高时，单 纳米复相陶瓷电火花线切割加i ：特性研究 个放电脉冲能量可以取大些，以便得到较高的切割速度。 ( 2 ) t i n s i 批纳米复相陶瓷电火花线切割加工表面的变质层分析、放电机理和蚀 除机理分析。 采用扫描电镜( s e r e ) 、扫描电镜能谱( e o s ) 、金相显微镜、x 射线衍射仪( x r d ) 和维氏硬度计等先进测试手段对加工后的表面变质层进行表征。并在此基础上， 以电火花线切割理论为基础，建立相应的理论模型，对其加工机理的基本理论进 行研究。 ( 3 ) t i n s i 她纳米复相陶瓷电火花线切割加工的正交试验设计。 电火花线切割加工过程中，加工的速度和表面粗糙度受到多种因素的影响， 诸如：电源电压、加工电流、脉冲波形的脉冲宽度、脉冲的间隔、脉冲的前沿、 电极对的材料、加工介质的类型和浓度等，电火花线切割加工t i n s i 。n 纳米复相 陶瓷材料时还必须考察纳米复相陶瓷材料的特性和组织结构等。这些因素对放电 加工的加工速度和表面粗糙度的影响虽不能说是完全随机的，但都是不确定的。 由于j 下交试验具有正交性、代表性和综合可比性，各因子分布均匀，因子问 干扰小，在统计意义上可用部分试验代表全面试验，因此本文应用数理统计的理 论指导，进行合理的j 下交试验设计和试验数据的统计分析，探求其最佳的加工工 艺参数的组合。 ( 4 ) 加工后表面特性研究及应用探索。 利用显微硬度仪、扫描电镜及x 射线能谱等设备对t i n s i = i n 。纳米复相陶瓷加 工后的特性进行研究，发现其新颖特性并从理论上研究其产生的原因；研究不同 条件下电火花线切割加工t i n s i 州。纳米复相陶瓷的形貌等特性，为今后的应用研 究提供试验基础和理论依据。 1 3 2 本文研究目标 ( 1 ) 通过进行脉冲电源的脉冲幅值电流( 功率管数) 、脉冲间隔、脉冲宽度、加 工电压等电参数对t i n s i 洲。纳米复相陶瓷电火花线切割加工过程的影响试验。揭 示电参数对加工t i n s i 扎纳米复相陶瓷的影响规律，并对非电参数对加工 t i n s i 小。纳米复相陶瓷的影响规律进行研究。 ( 2 ) 通过对t i n s i 州。纳米复相陶瓷电火花线切割加工表面的s e m 分析、x r d 分 析、放电机理、蚀除机理分析和表面变质层显微硬度的变化，揭示其放电蚀除机 理和加工i j i 后的力学及机械性能变化。 ( 3 ) 通过对t i n s ig n 。纳米复相陶瓷电火花线切割加工的正交试验设计，找出其 最优设计方案。 青岛科技人学研究生学位论文 第二章电火花线切割加工原理 2 1 电火花线切割加工的特点与应用 2 1 1 电火花线切割加工的特点 电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种新的工艺形式，是 以移动着的细丝( 直径约在0 5 m m 以内) 做电极，在电极丝与工件之问产生火花 放电，并同时按所要求的形状驱动工件进行加工。电火花线切割加工有以下一些 特点”： ( 1 ) 它以中o 0 3 0 3 5 m m 的金属线为电极工具，不需要制造复杂形状的成形电极。 ( 2 ) 虽然加工的对象主要是平面形状，但是除了有金属丝直径决定的内侧脚步的 最小直径r ( 金属线半径+ 放电问隙) 这样的限制外，能够方便快捷地加工薄壁、 窄槽、异形孔等任何复杂形状地结构零件。 ( 3 ) 轮廓加工所需加工的余量少，能有效地节约贵重的材料。 ( 4 ) 可无视电极丝损耗( 高速走丝线切割采用低损耗脉冲电源；慢速走丝线切割 采用单向连续供丝，在加工区总是保持新电极丝加工) ，n t 精度高。 ( 5 ) 依靠微型计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凹凸两种模具时， 间隙可任意调节。 ( 6 ) 采用乳化液或去离子水的工作液，很少使用煤油，不必担心发生火灾，可以昼 夜无人连续加工。 ( 7 ) 无论被加工工件的硬度如何，只要是导体或半导体的材料都能实现加工。 ( 8 ) 任何复杂形状的零件，只要能编1 1 1 ) j i 工程序就可以进行加工，因而很适合小批 量零件和试制品的生产加工，加工周期短，应用灵活。 ( 9 ) 采用四轴联动，可加工上、下面异形体，形状扭曲曲面体，变锥度和球形体等 零件。 ( 1 0 ) 一般采用精规准一次加工成形，在加工过程中大都不需要转换加工规准。 ( 1 1 ) 没有稳定的拉弧放电状态。 ( 1 2 ) 脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄，属于中、精加工范畴，采用正极 性加工方式。 9 纳米复相陶瓷电火花线切割加i ：特性研究 2 1 2 电火花线切割加工的应用 ( 1 ) 试制新产品 在新产品丌发过程中需要单件的样品，使用线切割直接切割出零件，无需模 具，这样可以大大缩短新产品丌发周期并降低试制成本。如在冲压生产时，未丌 出落料模时，先用线切割加工的样板进行成形等后续加工，得到验证后再制造落 料模”1 。 ( 2 ) 加工特殊材料 切割某些高硬度、高熔点的会属时，使用机加工的方法几乎是不可能的，而 采用线切割加工既经济又能保证精度。 ( 3 ) 加工模具零件 电火花线切割加工主要应用于冲模、挤压模、塑料模、电火花型腔模的电极 加工等。由于电火花线切割加工机床加工速度和精度的迅速提高，目前己达到可 与坐标磨床相竞争的程度。例如，中小型冲模，材料为模具钢，过去用分丌模和 曲线磨削的方法加工，现在改用电火花线切割整体加工的方法，制造周期可缩短 3 4 5 4 ，成本降低2 3 3 4 ，配合精度高，不需要熟练的操作工人。因此， 一些工业发达国家的精密冲模的磨削等工序，己被电火花和电火花线切割加工所 代替。 ( 4 ) 加工电火花成形加工用的铜、铜钨、银钨合会等材料电极。用线切割加工特 别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极1 。 2 2 电火花线切割加工放电基本原理 采用电极移动方式的电火花加工装置称为电火花线切割( w i c ec u te d m 或 t r a v e l i n g w i r ee d m ) 。前苏联于1 9 5 5 年制成了电火花线切割机床，而瑞士于1 9 6 8 年制成了n c 方式的电火花线切割机床。 电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属导线( 铜丝或钼丝) 作电 极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。 了解火花放电时工件表面的金属蚀除过程，有助于掌握电火花线切割加工的 切割速度、加工精度、表面粗糙度、电极丝损耗等各种基本规律，进而对脉冲电 源、控制系统、供液系统、走丝机构、切割台等提出合理的要求。每次电火花蚀 除的微观过程是热( 主要是表面热源) 和力( 电场力、磁场力、热力、流体动 力) 等综合作用的过程。这一过程大致可分为以下相互独立又相互联系的几个阶 段：电离击穿、脉冲放电、金属熔化和气化、气泡扩展、金属抛出及消电离恢复 青岛科技人学研究生学位论文 绝缘强度。 电火花线切割加工时，每一个脉冲放电释放的能量使工件表面放电点间的介 质电离击穿，造成放电点的熔化甚至气化，最后这些余属被抛出而形成一个凹坑。 无数个脉冲连续放电产生无数个凹坑的叠加，就能沿电极丝的轨迹形成一条切 缝。电火花线切割是运动着的电极丝柔性件对刚性件的加工，击穿放电主要是依 靠“疏松”接触击穿，即在电极丝与工件之间接触，但在不造成短路的情况下 发生击穿发电。根据实验，电极丝与工件相距8 1 0 m 时，无击穿现象：电极丝 压过工件0 0 4 0 0 7 i j j m 时，单脉冲的放电率接近9 8 ，当电极丝压过工件0 1 m m 时，则电极丝与工件之问发生短路，不能形成放电通道，如图2 1 所示。 ；毡经神 件奠黛件 a lb c 图2 1 电极丝与工件之间放电率1 f i 9 2 1d i s c h a r g er a t i ob e t w e e nw i r ea n dw o r k p i = c e a ) 无击穿现象b ) 放电率9 8 c ) 短路，不放电 在击穿前后，电极丝和工件的微观表面总是凹凸不平的。每次脉冲放电前， 电极丝和工件间离得最近的凸点处的电场强度最高，其问的乳化液电阻值较低而 最先被击穿，即被分解成带负电的电子和带正电的离子而被电离，形成放电通道。 在电场力的作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，j 下离子奔向阴极，原先几百 欧姆的电阻降低到1 2 欧甚至几分之一欧，所通过的电流亦相应的由零增大到 相当大的数值，而放电问隙电压则由开路电压降落到2 0 v 左右的放电电压。 由于放电通道中电子、离子受到放电时磁场力和周围液体介质的阻尼和压 缩，所以放电通道的截面很小，通道中的电流密度很大，达到1 0 1 0 9 a c m 2 。 电子、离子高速流动时相碰撞，通道中放出大量的热，同时阳极金属