SiC电火花加工技术研究

兰起洪，李 奔，王 勃

(中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009)

SiC作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有许多优异的物理化学性能，如高热导率与低热膨胀系数，使SiC成为制作具有很好抗热变形能力的光学元件和机械零件的最佳材料之一，同时也是目前最佳的光学反射镜材料之一，对提高未来光学产品的质量将发挥重要作用[1-4]。然而，SiC硬度高、脆性大，很难采用传统的机械加工方法对其进行加工，只能采用非常规的磨削加工，但其加工效率极低、成本高。目前亟待研究一种有效的SiC加工方式。

电火花加工是一种非接触的特种加工方法，利用电火花放电的瞬间高温熔化工件，从而达到加工零件的目的[5]，可实现利用较软的工具电极加工各种高硬度、高脆性、高强度等难加工材料[6]。其加工效率、电极损耗与工件材料的熔点相关，工件熔点越高，加工越困难，加工效率越低，电极损耗越大；反之亦然[7]。纯SiC具有高电阻率，不能用电火花进行加工，但只要有铁离子或是游离态硅(8%～10%)等杂质存在，碳化硅的电导率才能得到提高，为电火花加工提供了必要条件。但作为一种陶瓷材料，SiC熔点高达2 827 ℃，在电火花加工中也属于难加工材料，所以开展对SiC电火花加工性能的研究很有必要，有助于提高SiC的加工效率。

1 试验设备及方法

试验机床及相关设备如图1所示。本次试验的平台是基于现有的三菱VX10电火花成型机床进行的，采用的是φ8 mm紫铜电极，试验件为w(Si)=10%的SiC工件，工作液为电火花专用煤油。

图1 试验机床及相关设备

试验涉及伺服参考电压、峰值电流、脉宽时间和脉间时间这4个因素，各因素水平设置见表1。针对上述4个因素设计了四因素三水平的正交试验L9(34)[8-9]，试验指标为材料去除率，其计算式见式1。试验统一对SiC进行盲孔加工，加工深度为1 mm。

表1 SiC电火花加工控制因素的不同水平设置

材料去除率计算式：

(1)

式中，L是材料去除率，单位为mm3/min；r是电极半径，单位为mm；h是电极损耗，单位为mm；t是加工时间，单位为min。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

本次正交试验结果见表2，水平1、2、3的加工时间平均值分别用k1、k2、k3表示，极差用R表示。

表2 L9(34)正交试验结果

按极差法对试验结果进行分析可知，影响SiC电火花加工效率的因子从强到弱依次为：C→B→D→A。从试验结果可以直观地分析出第2组因素组合最好，加工效率达到了1.83 mm3/min，但结合各因素对加工结果的实际影响，得到SiC电火花加工的最佳组合为C1B2D2A1。

2.2 加工参数分析

2.2.1 伺服参考电压

伺服参考电压是电极和工件加工之间的击穿电压，只有当加载在电极和工件两端的电压超过伺服参考电压时，电火花才能击穿加工介质，达到加工的目的。伺服参考电压对加工效率影响关系图如图2所示。从图2可以看出，随着伺服参考电压的增大，加工效率越来越低，主要是因为随着伺服参考电压的增大，电火花的利用率越来越低，加工效率也会随之降低。

图2 伺服参考电压对加工效率影响关系图

2.2.2 峰值电流

峰值电流对加工效率影响关系图如图3所示。从图3可以看出，SiC电火花加工效率随着峰值电流的增大先升高后降低。造成这一现象的原因是本次试验所用的VX10机床电源属于晶体管电源，由WM=ueietON(其中，WM是释放能量；ue是维持电压；ie是峰值电流)可知，峰值电流是决定脉冲能量的主要因素之一，当峰值电流越大时单脉冲所释放的能量越大[10]；但由于SiC属于含碳量高的难加工材料，加工过程中容易形成积碳，当放电能量超过一定值时会引起拉弧或短路现象，加工效率反而降低。

图3 峰值电流对加工效率影响关系图

2.2.3 脉宽时间

脉宽时间是电流或电压随时间有规律变化的时间宽度，也是决定电源脉冲能量的主要因素，决定的是单脉冲放电持续时间。脉宽时间越大，脉冲电源放电持续时间越长，电源释放的能量越大，可以有效提高材料的电蚀量；然而，当脉宽时间较大时，放电间隙来不及冷却和消电离，容易引起拉弧、短路等有害放电现象，导致电极回退，浪费大量时间。

脉宽时间对加工效率影响关系图如图4所示。由图4可以看出，随着脉宽时间的增加，加工效率降低。这是由于本次试验SiC含碳量高，在电火花加工过程中容易造成积碳，放电时间越长反而会引起拉弧，不利于加工。

图4 脉宽时间对加工效率影响关系图

2.2.4 脉间时间

脉间时间对加工效率影响关系图如图5所示。由图5可以看出，SiC电火花加工效率随着脉间时间的增大先增大后降低，当脉间时间值为7 μs时，加工效率达到最高。这是因为当选择的电源放电脉间时间过小时，放电产物不能及时排除，放电间隙来不及冷却和充分消电离，这将使加工变得不稳定，导致电极经常回退，浪费了大量时间；而选择的放电脉间时间过大时，放电间隔时间过长，则单位时间内放电能量降低，效率也会降低。

图5 脉间时间对加工效率影响关系图

3 试验验证

通过进行SiC电火花加工的探究性试验，得到了SiC电火花加工效率的最佳参数组合C1B2D2A1，并按照该参数组合对SiC进行了盲孔加工，其加工效率为1.91 mm3/min，试验结果较为理想。为了满足产品实际加工需求，在其他参数不变的情况下，将加工深度设定为10 mm，采用C1B2D2A1参数组合进行盲孔加工，最终耗时6 h，电极损耗了2.14，加工效率为1.10。相比于浅孔加工，其加工效率有所下降，主要是因为随着加工深度的增加，排屑越来越困难，电极放电不充分。

由于传统的单电极加工限制了生产效率的提高，且由于单电极是分别制作，它们加工的精度一致性得不到保证[11]，因此，为达到提高多孔零件的加工效率和加工一致性的目的，笔者采用阵列电极(见图6a)进行了相应加工深度的盲孔加工试验。结果显示，虽然最终总体加工时间有所增加，但由于同时进行4个孔(见图6b)的加工，其加工效率大为提高，达到了2.27 mm3/min，这对将来加工具有多腔形状的SiC产品具有指导意义。

图6 SiC电火花阵列加工电极和阵列孔