ZrB2基超高温陶瓷材料线切割加工参数研究

李志强，方明磊

（中国航发沈阳发动机研究所 115000）

摘要：通过单因素实验方法和数据分析，对ZrB2基超高温陶瓷材料进行线切割加工，获得ZrB2基超高温陶瓷材料线切割加工参数的影响因素。通过单因素分析，获得比较合理的去除率MRR（mm2/min）、表面粗糙度Ra（μm）、脉冲宽度tON(μs) 、脉冲间隙tOFF /(μs) 、峰值电流I( A) 、走丝速度f（Hz）参数及相互影响规律。对ZrB2基超高温陶瓷材料线切割加工有一定的指导意义。

1 引言

ZrB2 基超高温陶瓷复合材料具有高熔点( ＞ 3000 ℃) 、较高的电导率和热导率以及优异的化学惰性，成为超高温陶瓷家族中的重要组成部分，在航天飞行器鼻锥、翼前缘等热端部件具有很大的应用前[1-3]。但由于ZrB2 基超高温陶瓷属高脆性材料，机械加工性差，极大限制了其工程应用。因此，为了实现ZrB2基超高温陶瓷在航空发动机零部件上的应用，迫切需要开展相关工艺研究，突破加工技术瓶颈。电火花线切割加工（WEDM），利用连续移动的电极丝作为电极，通过脉冲火花放电蚀除工件材料，完成表面的切割成形。由于放电加工过程工具电极与工件材料之间基本没有宏观的作用力，也可通过高能量密度脉冲放电实现高的材料效率，因此，WEDM技术在航空航天领域的各类高硬度高脆性难加工的材料，包括高温合金、高温陶瓷等零部件的加工制造中有重要的用途。ZrB2 基超高温陶瓷材料具有较好的导电性能，因此，WEDM 是目前ZrB2 基超高温陶瓷材料零部件加工制造中的一项重要方法。本文针对ZrB2 基超高温陶瓷材料试件开展WEDM 加工试验工作，评价电加工方法对ZrB2 基超高温陶瓷材料的加工适应性，为ZrB2 基超高陶瓷材料的进一步应用奠定基础。

2 ZrB2基高温陶瓷材料线切割参数研究

2.1 实验条件

本次ZrB2 基超高温陶瓷复合材料试制加工线切割工序采用苏州大金电加工设备有限公司研制的DK7750J型数控线切割机床进行，电极丝采用φ0.2mm的钼丝，工作液为RF4型乳化皂按1：40配置的皂化液，工件厚度为17mm，宽度为15mm半圆形结构，如图1所示。

试件加工完成后，利用TESA-Rugosurf 90 G粗糙度仪来测量工件Ra，该仪测量仪具有测量精度高、测量范围宽、操作简单、便于携带、工作稳定等特点，可以广泛应用于各种金属和非金属的加工表面的检测，比较适合生产现场的使用。

为表征ZrB2 基超高温陶瓷复合材料加工的效率，一般方法是按照线切割实验件的表面积加工速度来表现，即线切割的钼丝在工作运行单位时间内，经过或切割的表面积的多少进行衡量其加工效率。

一般用加工效率值MRR（mm2/min进行表征。加工效率MRR（mm2/min）采用单位时间加工面积表示，计算公式如下，其中t（s）表示机床记录的加工时间，H（mm）表示工件高度，C（mm）为工件切割周长：

2.2 实验方法

在常规实验对比分析中，单因素实验方法是比较常用的实验方法，单因素实验方法中只有一个因素在变化，其余因素不变，通过观察一种因素的变化来确定整体实验中该因素的具体影响规律。基于本文的实验目的，主要探究各个实验参数的影响程度，采用单因素实验方法能把其他因素的影响进行“屏蔽”，只需关注目标因素的影响程度，这样的实验分析手段对于实验探究有很好的指导意义。对于复合因素的共同影响，虽然能更好的分析各个因素的共同“组合”影响，本文主要关注是单因素的影响分析，故不在探究分析范畴内。

采用单因素实验法对ZrB2基高温陶瓷线切割加工参数进行研究，对于线切割工艺，主要关注的对实验件的材料去除率MRR（mm2/min） 和表面粗糙度Ra（μm），MRR体现线切割的加工效率，因线切割的加工效率相对传统的机械加工比较慢，加工成本相对较高，因此MRR是最为关注参数。对于表面粗糙度Ra，主要体现零件的加工质量，加工质量直接影响零件的合格率，并且非常容易造成装配要求不合格，对于单件和组合件的交付都非常不利。

线切割工艺的主要参数包括四个，分别为脉冲宽度tON(μs) 、脉冲间隙tOFF /(μs) 、峰值电流I( A) 、走丝速度f（Hz）。

脉冲宽度tON(μs)是指在工件和电极丝之间持续施加电压的时间。

脉冲间隙tOFF /(μs)是指两个连续的脉冲之间无放电电流的时间间隔。

峰值电流I( A)是指线切割加工时机床单个脉冲的瞬间最大电流，在机床上由功放管数的输入设定。功放是指功率放大电路的简称。线切割高频工作电流的调节就是利用开启功放管的个数来调节工作电流大小的。

走丝速度f（Hz）是指钼丝沿着加工轨迹相对于工件移动时的切割速度，在机床上由加工限速即机床放电脉冲频率输入设定，加工限速是加工时的最快速度。

本文通过选取脉冲宽度tON(μs) 、脉冲间隙tOFF /(μs) 、峰值电流I( A) 、走丝速度f（Hz）作为单一因素，分别探究对材料去除率MRR（mm

2/min）和表面粗糙度Ra（μm）的影响程度。

2.2.1 脉冲宽度tON(μs)对ZrB2基高温陶瓷材料加工影响分析

在保证脉冲间隙tOFF /(μs) 、峰值电流I( A) 、走丝速度f（Hz）工艺参数不变的情况下，利用单因素试验法控制脉冲宽度分别在40、45、50、55、60、65μs时，对MRR和Ra的影响。

试验结果表明，随着脉冲宽度的增大，MRR增大，Ra增大。这是由于脉冲宽度增大使得作用在电极丝上的单个脉冲能量增大，增加了电腐蚀能力，提高了加工速度，故MRR增大。但单个脉冲能量的增大使得放电过程中电腐蚀凹坑的尺寸增大，导致加工工件Ra增大。因此，应该在先保证Ra的情况下再去提高线切材料去除率。

2.2.2 脉冲间隙对ZrB2基高温陶瓷材料加工影响分析

在保证脉冲宽度tON(μs)、峰值电流I( A) 、走丝速度f（Hz）工艺参数不变的情况下，利用单因素试验法控制脉冲间隙分别在2、3、4、5、6、7μs时，对MRR和Ra的影响。

试验结果表明，随着脉冲间隙的增大，MRR减小。这是由于两个连续的脉冲间无放电时间间隔增大，使得放电加工时间减少，单个脉冲能量减少，降低了电腐蚀能力，从而降低了切割速度，导致MRR降低；但Ra先减小再增大再减小，表现不稳定。这说明脉冲间隙过大或者过小都会影响Ra，脉冲间隙太小会使得消除电离不充分，电腐蚀产物不能及时排除，使加工不稳定；脉冲间隔太大也会导致加工不能连续进行，使加工不稳定，导致Ra上下波动。

2.2.3 峰值电流对ZrB2基高温陶瓷材料加工影响分析

在保证脉冲宽度tON(μs) 、脉冲间隙tOFF /(μs) 、走丝速度f（Hz）工艺参数不变的情况下，利用单因素试验法控制峰值电流分别在2、3、4、5、6、7个时，对MRR和Ra的影响。

试验结果表明，随着功放管数的增大，即峰值电流增大，MRR增大，Ra增大。这是由于峰值电流的增加使得作用在电极丝上的单个脉冲能量增大，提高了加工速度，故MRR增大。同时，单个脉冲的能量增大使得放电痕迹增大，从而导致Ra也增大。若单方面通过提高峰值电流来增大MRR，会造成电腐蚀产物颗粒大，表面质量急剧下降，严重情况还会造成断丝。

2.2.4 走丝速度对ZrB2基高温陶瓷材料加工影响分析

在保证脉冲宽度tON(μs) 、脉冲间隙tOFF /(μs) 、峰值电流I( A)工艺参数不变的情况下，利用单因素试验法控制加工限速分别在100、120、140、160、180、200Hz时，对MRR和Ra的影响。

试验结果表明，随着加工限速的增大，即走丝速度增大，MRR增大，Ra整体呈现一定波动状态。这是由于加工限速由机床放电脉冲频率设定，频率越大加工限速越高，单个脉冲的能量也就越大，钼丝的进给速度也就越大，从而缩短了加工时间，提高了MRR；相反加工时间缩短说明放电腐蚀加工的时间减少，但由于单个脉冲的能量增大导致电腐蚀能力有所增强，所以工件的Ra值呈现在一定范围内波动的情况。

3 结论

通过单因素实验数据和数据分析可以明显看出脉冲宽度tON(μs) 、脉冲间隙tOFF /(μs) 、峰值电流I( A) 、走丝速度f（Hz）四个工艺参数对工艺指标MRR和Ra的影响。但由于两项工艺指标的性质不同，MRR具有向大趋势，Ra具有向小趋势，而除了走丝速度对二者的影响具有波动外，脉冲宽度、脉冲间隙和峰值电流对MRR和Ra均有相反的期望特性。

从试验数据和影响趋势图来看，线切割脉冲宽度调整在50~60us之间较为合适，脉冲间隙在4us、峰值电流在4A左右加工效率较高且表面粗糙度也较好。走丝速度相对影响较小，只要不调整过大造成断丝即可。

需要说明的是，对于复杂构型的ZrB2 基超高温陶瓷复合材料进行线切割加工时，建议不要为了节省工艺程序而马上进行线切割加工，因为线切割作为一种典型的电加工方式，其加工成本要远高于传统的机械加工（车等），并且其加工效率会比较低，不利于高效率、批产式的加工，因此在进行结构单一、小批量的试验件或者结构件，线切割的优势比较明显。