哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001辅助电极利用高速走丝电火花线切割的方法对绝缘陶瓷氮化硅作了加工试验研究。介绍了辅助电极法绝缘陶瓷电火花线切割加工原理。通过调整加工电参数，研究了线切割加工氮化硅的加工特点。得出了较好的电加工参数，并研究了加工表面，对氮化硅线切割加工的去除方式作了初步研究。
0前言由于陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等特点，使之受到广泛关注。陶瓷作为一种新兴的材料，因其优异的材料性能，一直受到材料科学工作者的极大重视，不仅被广泛用于航天、航空、核能、电子等尖端技术领域，而且在各个工业化生产领域也具有广阔的商业化应用前景。由于陶瓷具有很大的硬脆性，采用传统的加工方法很难加工，严重阻碍了绝缘陶瓷材料的推广应用。目前主要的加工方法主要采用加工成本较高的金刚石刀具加工。
日本长同科技大学的福泽康教授和东京大学的毛利尚武教授在辅助电极法电火花加工技术的基础上提出了绝缘陶瓷辅助电极法线切割加工技术等新工艺并作出了相关研究。比利时烈日卡所列塔大学的Bauwers等学者发表的论文中，阐述了用慢走丝的方法对绝缘陶瓷进行加工。美国学者也在绝缘陶瓷电火花线切割加工方面作出了相关研究。
本文主要从辅助电极电火花加工绝缘陶瓷的方法出发，利用国产快走丝机床对绝缘陶瓷材料进行了绝缘陶瓷电火花线切割加工。通过试验，证实了快走丝加工的加工效果，研究了加工电压和峰值电流对加工的影响，并对加工表面的形貌作了SEM研究。
1加工原理和方案20世纪90年代，日本学者福泽康、毛利尚武提出了绝缘陶瓷辅助电极法电火花加工技术。在此基础上他们又提出了辅助电极线切割加工绝缘陶瓷的技术。这种方法的原理在于加工金属时，由于在煤油工作液中的放电，导致煤油热分解生成游离碳及和工件材料在工件表面生成的碳化物，在工件表面形成碳黑膜。
因为碳黑膜具有导电性，如果在绝缘陶瓷材料的表面也能生成具有导电性的碳黑膜，形成放电回路的一极和电极丝间产生放电现象，就可以用电火花线切割的方法放电蚀除绝缘陶瓷材料。
辅助电极法线切割加工绝缘陶瓷原理如所示，在绝缘陶瓷工件表面上形成一层金属导电层作辅助电极。以煤油作为工作液，辅助电极接脉冲电源正极，电极丝接脉冲电源负极。当脉冲电压施加到两极时，在电极丝与辅助电极间产生火花放电，放电过程中工作液煤油发生热分解，而产生大量的碳颗粒，碳颗粒在电场作用下将向正极移动，并吸附在绝缘陶瓷表面上，形成具有一定强度和厚度的化学吸附层。
在电火花线切割放电加工过程中产生的热量使煤油工作液发生裂变、分解，生成游离碳微粒后与电蚀产物结合形成碳胶团，形成带负电的碳胶粒，在电场力作用下，移向工件表面。*终在绝缘陶瓷工件待加工表面上形成具有导电性的碳黑膜，形成放电回路，创造出放电加工的条件。所以辅助电极法要求工作液必须是煤油，辅助电极端必须接正极。是绝缘陶瓷线切割加工过程示意图。
如图，首先电极丝与导电的辅助电极进行线切割的火花放电加工，放电使辅助电极加工区表面被蚀除形成新的加工区表面，同时煤油工作液因电火花放电而发生热分解，产生游离的碳，游离的碳在电场的作用下向辅助电极的加工区表面移动，并附着在辅助电极加工区表面形成碳黑膜，这样就在加工区存在着电火花放电蚀除形成新的加工表面和在新的加工表面又产生新的碳黑膜这两个过程，当放电加工区从金属区慢慢向陶瓷区过渡，在加工到导电层与绝缘陶瓷的分界面时，工件上沉积下来的碳黑膜成为了加工的一极。
这层碳黑膜导电层的存在，可以使得线切割加工陶瓷得以持续进行。
3绝缘陶瓷氮化硅线切割加工试验3.1峰值电流对加工速度的影响在试验中，所用的材料是12mm厚的氮化硅材料，表面压制1.5mm厚的碳层作为辅助电极，用直径为00.15mm的钼丝做工具电极，采用正极性加工，加工时间为60min.试验中设定脉宽为W=30ps，脉间为W=11ps.脉冲峰值电流分别为8、16、24、32和40A.是峰值电流与加工速度的关系曲线，可以看出*大加工速度出现在40A处。分析发现，当峰值电流为8A时，电流较小，单个脉冲能量较小，所以用于材料蚀除的能量小，导致加工蚀除量小，加工速度不高。此时加工蚀除方式以熔化、气化分离为主，同时有蚀除材料的再凝固粘结相。随着峰值电流的增大，如图中峰值电流为16A时，加工速度有所增加，此时放电产生的热量逐渐增多，蚀除方式没有太大变化，仍以熔化、气化为主，加工状态稳定。峰值电流为24A时，曲线上升速度不明显。这是因为加工蚀除方式又发生了变化，单个脉冲能量的增加，材料蚀除方式开始以热应力去除或热剥离等方式为主，出现了较大的放电凹坑，陶瓷材料以及生成的导电层开始整体颗粒移除。由于导电层的大面积去除，工件表面的电阻加大，生产效率降低，加工速度上升缓慢。当峰值电流增加到40A时，速度曲线呈上升趋势。这是因为脉峰值电流/A峰值电流对加工速度的影响冲能量进一步加大，热剥离效应得到加强，整体移除的颗粒更多更大，尽管需要更多的能量来生成导电层，但从整体上来说，加工蚀除量增大。
3.2电压对加工速度的影响为辅助电极法线切割加工绝缘陶瓷材料的等效电路。绝缘陶瓷氮化硅的电阻率非常高，远远超过了通常的线切割能够进行放电加工的范围。在利用辅助电极法线切割加工进行加工后，通过测量氮化硅已加工面的电阻率发现绝缘陶瓷氮化硅加工表面上黑色导电层的电阻率达到20100Q*cm，导电层的电阻率平均值约为40Q*cm.同金属等导电材料相比较，加工绝缘陶瓷材料时，导电层的电阻率也就相对较高，因此在加工放电回路中，是一个不可忽略的影响因素。因导电层电阻的存在，而且电阻值较大，因此对脉冲电源的加工电压起到了明显的分压作用，使得真正用于放电蚀除的有效电压降低，脉冲能量有一部分被消耗在导电层的电阻上，所以加工绝缘陶瓷材料比加工金属等导电材料困难，而且加工效率要低。
试验中所使用的高频脉冲电源是普通线切割脉冲电源，通过对变压器的调整改变电压高压140V，低压100V.从试验现象中可以明显的看出，相同条件下，高压有利于绝缘陶瓷氮化硅的线切割加工，有着较高的加工速度。试验中，80V电压加工绝缘陶瓷时几乎无法形成击穿，加工现象十分微弱。
3.3氮化硅线切割加工表面SEM分析为了进一步分析绝缘陶瓷材料放电蚀除机理，通过对加工表面用SEM（扫描电子显微镜）观察和检测，分析和探讨绝缘陶瓷氮化硅的不同蚀除方式。
在线切割加工金属等导电材料时，在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表面层发生了很大的变化，主要有熔化凝固层和热影响层等。由于绝缘陶瓷材料的热膨胀系数小，导热性差，材料韧性小，而且线切割加工也是靠热作用蚀除材料的，对材料的热影响较大，加工时也有一定的变质层。
如a为钼丝切割过的轨迹图，在这一区域表现出较多的由热影响而产生的表面形貌特征。b为加工截面SEM图片，可以明显看出线切割加工后的表面层变化，厚度大约在1030pm之间，经X衍射分析，其具有导电性，主要成分为碳化硅。也可以看到影响层与基体的交接界面，交界区域有着较多的气孔与裂纹，结合力学性能差，比较容易剥落，这也是一层对绝缘陶瓷线切割加工至关重要的导电层。因此也可以看出，线切割加工绝缘陶瓷材料时，陶瓷材料有着明显的变质层。
由可以看出，处于切断处的熔融态再凝固相相对比较多，而且有翻边出现，这是由于在线切割过程中，由电极丝以及工作液带出的熔融态氮化硅在切口处未来得及被工作液带走，重新凝固，而且可以明显看出切口处的表面形貌远比端面的表面要粗糙。从可以明显的看出熔融态的氮化硅在边界处集结再凝固。
3.4氮化娃加工表面导电层分析对比氮化硅工件在采用辅助电极法线切割加工前后的一些表象上的变化，试验中所使用的绝缘陶瓷材料为e相氮化硅，主要成份为P-S13N4，同时含有一部分粘结剂Y2S13O3N4.而在加工后的表面却呈现明显的黑色，这是因为在碳氢化合物类工作液中进行线切割加工时，火花放电过程中使碳氢化合物类工作液发生热分解，产生大量的游离碳，这些游离碳在电场的作用下形成带负电荷的碳胶粒，逐步向正极移动，并吸附在正极表面上，形成了碳黑膜。线切割加工绝缘陶瓷时，在辅助电极的表面上能清楚地看到碳黑膜，这层碳黑膜具有导电性，能与工具电极形成放电。随着放电加工的继续进行，在加工到绝缘陶瓷时，由于电火花线切割放电产生的能量在放电通道内以及两极形成了很高的温度，氮化硅在此高温的作用下与从工作液中分解出的碳兀素结合生成了碳化硅。碳化硅的电阻率一般在10-3卩*cm1013卩*cm之间，经测试，氮化硅工件被加工面上的平均电阻率为40Q*cm，基本上能够满足电火花放电加工的需要。
4结论本文利用辅助电极的方法，在快走丝机床上对绝缘陶瓷进行了电火花线切割加工。
绝缘陶瓷线切割加工的主要蚀除方式为：在脉冲能量较小时主要以气化和熔化方式为主；当峰值电流较大，脉冲能量较大时，主要表现为气化、热剥离和热应力去除等方式。峰值电流和电压的变化影响着脉冲能量的变化，从而影响蚀除方式发生变化，对加工速度有着重要的影响。
通过试验与检测发现了，绝缘陶瓷氮化硅已加工表面有10pm30pm的变质层，其主要成份为具有导电性的碳化硅。
测试加工表面导电膜电阻率为40Q*cm左右，是保证绝缘陶瓷材料得以持续加工的主要原因。
