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摘 要 本文回顾了近20年来工程陶瓷的电火花加工技术的产生与发展历程，并论述了国内外研究现状。
关键词 电火花加工，工程陶瓷，研究现状
1引言
目前，工程陶瓷材料已获得越来越广泛的工程应用，但是由于传统的加工方法，如超声加工和激光加工等存在价格高、容易破坏陶瓷表面的完整性和难以加工三维立体曲面等缺点，电火花加工技术（EDM technology）以其良好的成本竞争力及优良的加工特征，成为陶瓷材料加工的标准工艺之一。电火花加工是利用工具电极和有一定电导率的工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀来蚀除多余的材料，它是一种非接触性加工，是加工高脆、超硬陶瓷材料的理想方法。但是陶瓷的电导率较低，大多低于100Ω/mm或者300Ω/mm，国内外学者对如何解决电火花技术，包括电火花成形加工、电火花线切割、电火花铣削、电火花磨削等加工陶瓷的问题进行了多方面的探讨。
2国外加工现状
1988年，W·Konig 等人研究了电导率约为100Ω/cm的工程陶瓷(Al2O3，TiO2,ZrO2,SiC,Si3N4,TiC)。结果发现，相对于传统的加工方法，电火花加工方法可达到高的去除率。与加工金属不同，陶瓷加工过程中，在材料去除率、表面粗糙度、加工材料的物理参数之间缺乏相关性，为保证加工稳定，陶瓷工件的组织结构必须均匀一致[1]。
日本长冈技术科学大学Fukuzawa和丰田工业大学N·Mohri为使电火花加工绝缘陶瓷达到适用化，提出辅助电极法加工绝缘陶瓷的方法。如图1所示，用金属盘或者金属网覆盖于陶瓷绝缘体表面作为辅助电极，这样电火花成形加工或者电火花线切割就能很容易进行。电导复合材料（包括工作液分解出的碳颗粒）不断在陶瓷表面生成，从而保证了加工的持续进行[2～4]；运用电火花线切割加工Si3N4绝缘陶瓷时，采用Mo、Cu、Cu-Zn三种不同的线电极材料，得出了电极材料对表面粗糙度、材料去除率、峰值电流间的关系图。电火花线切割的电极丝张紧力低于传统的张紧力时，可获得高加工效率。在运用Mo线电极材料加工且线速度低于4mm2/min情况下，频繁出现断丝。一般取线电极张力值为加工时张力的1/4时（2.45N），可稳定高效地加工,其它线电极材料加工时也有类似现象。运用电火花线切割加工4mm、70mm、100mm厚的陶瓷板，在100mm厚的陶瓷板上加工出直径为1mm的圆柱体（如图2），直线度和圆度分别是12μm和17μm。研究中发现为减少热应力造成的加工工件弯曲量，应改变加工路径，图3所示的是不考虑热应力时的加工路径和考虑热应力时的加工路径。结果显示，工件厚度为0.2mm时，改变加工路径可使加工工件的弯曲量为原来的1/4。另外，还在50mm3的陶瓷立方体中加工出椅子形状（如图4），加工时间虽然长达24h，但机械加工方法无法完成该工作[5]。
B·Lauwers,J·P·Kruth等人通过分析掺杂导电物质的ZrO2基、Si3N4基和Al2O3基陶瓷材料表面和亚表面的颗粒，研究了材料去除机理。他们认为，除了典型的电火花去除机理，如熔化、气化、抛离外，还有陶瓷基体材料的氧化和分解等过程，这种现象在电火花线切割Si3N4基陶瓷时尤为明显[6]。
Matsuo等研究了导电碳化物NbC和TiC掺杂对电火花线切割加工ZrO2基、Al2O3基陶瓷的加工速度和表面粗糙度的影响，得出碳化物NbC或者TiC在陶瓷中的含量比为28%～30%时材料去除率最高的结论[7]。
I·Puertas，C·J·Luis选择三种应用日趋广泛的不同的陶瓷材料B4C、SiSiC和WC-Co，研究了导电陶瓷的电火花加工方法。通过试验设计，研究了试验因子峰值电流、脉冲宽度和脉冲占空比对响应因子（表面粗糙度、材料去除率、电极损耗率）的影响，并得出了多元线形回归方程。研究发现，SiSiC、WC-Co陶瓷材料的表面粗糙度随峰值电流或者脉冲占空比的增大而增大；相反，B4C的表面粗糙度随峰值电流或者脉冲占空比增大而减小；随着峰值电流的增加，加工B4C时工具电极的损耗随之增加，而加工SiSiC、WC-Co时工具电极的损耗却随之减小到一极限值；加工B4C时，电极损耗随脉宽增加而增加，而加工SiSiC、WC-Co时，电极损耗随脉宽的增加而减少；加工B4C时，脉冲占空比越大，电极损耗越大，加工SiSiC、WC-Co时，情况正好相反；在三种加工材料中，材料去除率都随峰值电流或脉冲占空比的增大而增大[8]。
3国内加工现状
香港理工大学LEE，T.C.，ZHANG，J.H等对电火花加工陶瓷材料进行了系统的研究，提出了陶瓷表面光洁度的经验公式。他们发现，放电电流对陶瓷材料去除率和放电痕半径影响较大，而脉宽对表面粗糙度SR和White layer影响较大[9]；他们认为电火花线切割氧化物基陶瓷和非氧化物基陶瓷是可行的[10]；运用超声振动(USM)辅助电火花加工法，加强了电介质在放电间隙的流通，大大改善了表面质量，降低了白层的厚度；同时发现，电火花线切割陶瓷时，存在一极限峰值电流，当超过该值时，加工速率急剧下降[11]。
山东工程学院王斌修对结构陶瓷的电火花蚀除机理进行了分析，将其归纳为以下过程：升华、熔化、热剥离、整体颗粒移除、气化和再凝固粘附相的热剥离[12]。利用蚀除机理对加工过程进行了预测和分析[13]，李淑玉分析了工程陶瓷材料的电火花加工方法及工艺，得出了适合快走丝电火花线切割的高效加工工艺[14]。传统的电火花加工点源产生的放电波形为方波，热能不能高度集中，因此，加工工程陶瓷时材料去除率很低，未来的趋势是研究宽峰值电流的专用电源。山东工业大学的霍孟友通过专用脉冲电源放电能量的控制，进行了导电工程陶瓷材料的电火花放电加工试验研究，提供了一种稳定加工导电性工程陶瓷且能控制加工质量的电火花放电加工方法[15]。
4结束语
本文论述了国内外学者在电火花加工陶瓷机理上和工艺上的研究。工程陶瓷由于其卓越的力学、声学、化学等性能而获得越来越广泛的应用，它的加工要求也越来越高。由于电火花加工技术可加工复杂形状材料，且不受加工材料的硬度限制、不磨损加工材料，因此已成为陶瓷材料加工的良好方法之一。但如何利用电火花技术高效加工工程陶瓷仍需进一步研究探讨。
参考文献
1 W.Konig,D.F.Dauw，G.Levy,et al.EDM-future steps towards the machining of ceramics[J].Ann.CIRP，
1988，37(2)： 623～631
2 Fukuzawa Yasushi，Tani,Takayuki，Iwane,Eiji，et al. New machining method for insulating ceramics with an electrical discharge phenomenon[J].Journal of the Ceramic Society of Japan,1995,103(1202)：1000～1005
3 N.Mohri,Y.Fukuzawa,T.Tani,et al.Assisting electrode method for machining insulting ceramics[J]. Ann. CIRP，1996，45 (1)：201～204
4 N.Mohri,Y.Fukuzawa,T.Tani,et al.Some considerations to machining characteristics of insulating
ceramics-towards practical use in industry[J].Ann. CIRP，2002，51 (1)：161～164
5 Takayuki Tani,Yasushi Fukuzawa,Naotake Mohri.Machining phenomena in WEDM of insulating ceramics[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149：124～128
6 B.Lauwers,J.P. Kruth,W.Liu.Investigation of material removal mechanisms in EDM of composite ceramic materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 2004,149：347～352
7 T. Matsuo, E. Oshima. Investigation on the optimum carbide content and machining condition for wire EDM of zirconia ceramics[J].Ann.CIRP,1992，41(1)：231～234
8 I.Puertas, C.J. Luis. A study on the electrical discharge machining of conductive ceramics[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，153：1033～1038
9 J.H.Zhang,T.C.Lee,W.S.Lau.Study on the electro-discharge machining of a hot pressed aluminium
oxide based ceramic[J].J.Mater.Process.Technol.,1997，63：908～912
10 LOK,Y.K.and LEE,T.C.Processing of advanced ceramics using the wire-cut EDM process[J].Journal of Materials Processing Technology,1997，63（1-3）：839～43
11 Lee,T C,Guo,Z N,Yue,T M,Lau,W S.Exploration of shaping conductive ceramics by ultrasonic-aided wire electrical discharge machining Materials and Manufacturing[J].Processes (USA),1997，12（6）：1133～1148
12 王斌修.结构陶瓷电火花加工蚀除机理分析[J].电加工与模具，2000，（3）：18～20
13 王斌修.结构陶瓷电火花可加工性的模型化预测[J].电加工与模具，2000，（1）：29～31
14 李淑玉.结构陶瓷电火花加工蚀除机理分析[J].电加工与模具，2000，（3）：18～20
15 霍孟友.导电性工程陶瓷材料的放电加工研究[J].新技术新工艺，2000，（6）：12～14
关键词 电火花加工，工程陶瓷，研究现状
1引言
目前，工程陶瓷材料已获得越来越广泛的工程应用，但是由于传统的加工方法，如超声加工和激光加工等存在价格高、容易破坏陶瓷表面的完整性和难以加工三维立体曲面等缺点，电火花加工技术（EDM technology）以其良好的成本竞争力及优良的加工特征，成为陶瓷材料加工的标准工艺之一。电火花加工是利用工具电极和有一定电导率的工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀来蚀除多余的材料，它是一种非接触性加工，是加工高脆、超硬陶瓷材料的理想方法。但是陶瓷的电导率较低，大多低于100Ω/mm或者300Ω/mm，国内外学者对如何解决电火花技术，包括电火花成形加工、电火花线切割、电火花铣削、电火花磨削等加工陶瓷的问题进行了多方面的探讨。
2国外加工现状
1988年，W·Konig 等人研究了电导率约为100Ω/cm的工程陶瓷(Al2O3，TiO2,ZrO2,SiC,Si3N4,TiC)。结果发现，相对于传统的加工方法，电火花加工方法可达到高的去除率。与加工金属不同，陶瓷加工过程中，在材料去除率、表面粗糙度、加工材料的物理参数之间缺乏相关性，为保证加工稳定，陶瓷工件的组织结构必须均匀一致[1]。
日本长冈技术科学大学Fukuzawa和丰田工业大学N·Mohri为使电火花加工绝缘陶瓷达到适用化，提出辅助电极法加工绝缘陶瓷的方法。如图1所示，用金属盘或者金属网覆盖于陶瓷绝缘体表面作为辅助电极，这样电火花成形加工或者电火花线切割就能很容易进行。电导复合材料（包括工作液分解出的碳颗粒）不断在陶瓷表面生成，从而保证了加工的持续进行[2～4]；运用电火花线切割加工Si3N4绝缘陶瓷时，采用Mo、Cu、Cu-Zn三种不同的线电极材料，得出了电极材料对表面粗糙度、材料去除率、峰值电流间的关系图。电火花线切割的电极丝张紧力低于传统的张紧力时，可获得高加工效率。在运用Mo线电极材料加工且线速度低于4mm2/min情况下，频繁出现断丝。一般取线电极张力值为加工时张力的1/4时（2.45N），可稳定高效地加工,其它线电极材料加工时也有类似现象。运用电火花线切割加工4mm、70mm、100mm厚的陶瓷板，在100mm厚的陶瓷板上加工出直径为1mm的圆柱体（如图2），直线度和圆度分别是12μm和17μm。研究中发现为减少热应力造成的加工工件弯曲量，应改变加工路径，图3所示的是不考虑热应力时的加工路径和考虑热应力时的加工路径。结果显示，工件厚度为0.2mm时，改变加工路径可使加工工件的弯曲量为原来的1/4。另外，还在50mm3的陶瓷立方体中加工出椅子形状（如图4），加工时间虽然长达24h，但机械加工方法无法完成该工作[5]。
B·Lauwers,J·P·Kruth等人通过分析掺杂导电物质的ZrO2基、Si3N4基和Al2O3基陶瓷材料表面和亚表面的颗粒，研究了材料去除机理。他们认为，除了典型的电火花去除机理，如熔化、气化、抛离外，还有陶瓷基体材料的氧化和分解等过程，这种现象在电火花线切割Si3N4基陶瓷时尤为明显[6]。
Matsuo等研究了导电碳化物NbC和TiC掺杂对电火花线切割加工ZrO2基、Al2O3基陶瓷的加工速度和表面粗糙度的影响，得出碳化物NbC或者TiC在陶瓷中的含量比为28%～30%时材料去除率最高的结论[7]。
I·Puertas，C·J·Luis选择三种应用日趋广泛的不同的陶瓷材料B4C、SiSiC和WC-Co，研究了导电陶瓷的电火花加工方法。通过试验设计，研究了试验因子峰值电流、脉冲宽度和脉冲占空比对响应因子（表面粗糙度、材料去除率、电极损耗率）的影响，并得出了多元线形回归方程。研究发现，SiSiC、WC-Co陶瓷材料的表面粗糙度随峰值电流或者脉冲占空比的增大而增大；相反，B4C的表面粗糙度随峰值电流或者脉冲占空比增大而减小；随着峰值电流的增加，加工B4C时工具电极的损耗随之增加，而加工SiSiC、WC-Co时工具电极的损耗却随之减小到一极限值；加工B4C时，电极损耗随脉宽增加而增加，而加工SiSiC、WC-Co时，电极损耗随脉宽的增加而减少；加工B4C时，脉冲占空比越大，电极损耗越大，加工SiSiC、WC-Co时，情况正好相反；在三种加工材料中，材料去除率都随峰值电流或脉冲占空比的增大而增大[8]。
3国内加工现状
香港理工大学LEE，T.C.，ZHANG，J.H等对电火花加工陶瓷材料进行了系统的研究，提出了陶瓷表面光洁度的经验公式。他们发现，放电电流对陶瓷材料去除率和放电痕半径影响较大，而脉宽对表面粗糙度SR和White layer影响较大[9]；他们认为电火花线切割氧化物基陶瓷和非氧化物基陶瓷是可行的[10]；运用超声振动(USM)辅助电火花加工法，加强了电介质在放电间隙的流通，大大改善了表面质量，降低了白层的厚度；同时发现，电火花线切割陶瓷时，存在一极限峰值电流，当超过该值时，加工速率急剧下降[11]。
山东工程学院王斌修对结构陶瓷的电火花蚀除机理进行了分析，将其归纳为以下过程：升华、熔化、热剥离、整体颗粒移除、气化和再凝固粘附相的热剥离[12]。利用蚀除机理对加工过程进行了预测和分析[13]，李淑玉分析了工程陶瓷材料的电火花加工方法及工艺，得出了适合快走丝电火花线切割的高效加工工艺[14]。传统的电火花加工点源产生的放电波形为方波，热能不能高度集中，因此，加工工程陶瓷时材料去除率很低，未来的趋势是研究宽峰值电流的专用电源。山东工业大学的霍孟友通过专用脉冲电源放电能量的控制，进行了导电工程陶瓷材料的电火花放电加工试验研究，提供了一种稳定加工导电性工程陶瓷且能控制加工质量的电火花放电加工方法[15]。
4结束语
本文论述了国内外学者在电火花加工陶瓷机理上和工艺上的研究。工程陶瓷由于其卓越的力学、声学、化学等性能而获得越来越广泛的应用，它的加工要求也越来越高。由于电火花加工技术可加工复杂形状材料，且不受加工材料的硬度限制、不磨损加工材料，因此已成为陶瓷材料加工的良好方法之一。但如何利用电火花技术高效加工工程陶瓷仍需进一步研究探讨。
参考文献
1 W.Konig,D.F.Dauw，G.Levy,et al.EDM-future steps towards the machining of ceramics[J].Ann.CIRP，
1988，37(2)： 623～631
2 Fukuzawa Yasushi，Tani,Takayuki，Iwane,Eiji，et al. New machining method for insulating ceramics with an electrical discharge phenomenon[J].Journal of the Ceramic Society of Japan,1995,103(1202)：1000～1005
3 N.Mohri,Y.Fukuzawa,T.Tani,et al.Assisting electrode method for machining insulting ceramics[J]. Ann. CIRP，1996，45 (1)：201～204
4 N.Mohri,Y.Fukuzawa,T.Tani,et al.Some considerations to machining characteristics of insulating
ceramics-towards practical use in industry[J].Ann. CIRP，2002，51 (1)：161～164
5 Takayuki Tani,Yasushi Fukuzawa,Naotake Mohri.Machining phenomena in WEDM of insulating ceramics[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149：124～128
6 B.Lauwers,J.P. Kruth,W.Liu.Investigation of material removal mechanisms in EDM of composite ceramic materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 2004,149：347～352
7 T. Matsuo, E. Oshima. Investigation on the optimum carbide content and machining condition for wire EDM of zirconia ceramics[J].Ann.CIRP,1992，41(1)：231～234
8 I.Puertas, C.J. Luis. A study on the electrical discharge machining of conductive ceramics[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，153：1033～1038
9 J.H.Zhang,T.C.Lee,W.S.Lau.Study on the electro-discharge machining of a hot pressed aluminium
oxide based ceramic[J].J.Mater.Process.Technol.,1997，63：908～912
10 LOK,Y.K.and LEE,T.C.Processing of advanced ceramics using the wire-cut EDM process[J].Journal of Materials Processing Technology,1997，63（1-3）：839～43
11 Lee,T C,Guo,Z N,Yue,T M,Lau,W S.Exploration of shaping conductive ceramics by ultrasonic-aided wire electrical discharge machining Materials and Manufacturing[J].Processes (USA),1997，12（6）：1133～1148
12 王斌修.结构陶瓷电火花加工蚀除机理分析[J].电加工与模具，2000，（3）：18～20
13 王斌修.结构陶瓷电火花可加工性的模型化预测[J].电加工与模具，2000，（1）：29～31
14 李淑玉.结构陶瓷电火花加工蚀除机理分析[J].电加工与模具，2000，（3）：18～20
15 霍孟友.导电性工程陶瓷材料的放电加工研究[J].新技术新工艺，2000，（6）：12～14