用于绝缘陶瓷电火花加工技术的导电涂覆材料及利用其制备辅助电极的方法

摘要

用于绝缘陶瓷电火花加工技术的导电涂覆材料及利用其制备辅助电极的方法，属于电火花加工绝缘陶瓷的技术领域。所述导电涂覆材料由以下组分制备而成：每10-30ml无水乙醇配兑20-50ml铜粉导电漆、5-15g铁磁粉末和/或5-15g导电石墨粉。辅助电极的制备方法步骤如下：将上述导电涂覆材料均匀涂覆在绝缘陶瓷基体待加工表面，室温干燥或烘干；利用铜箔导电胶带沿切割方向绕涂覆导电涂层的待加工面包裹绝缘陶瓷，使铜箔导电胶带与绝缘陶瓷导电涂层表面连接成导电回路。本发明所制备的辅助电极不受绝缘陶瓷大小、形状限制，对平面、曲面及不规则表面的绝缘陶瓷工件均适用，且制备简单、周期短及具有高导电性能。

说明书

技术领域

本发明属于电火花加工绝缘陶瓷的技术领域，涉及一种用于辅助绝缘陶瓷导电，使之实现电火花加工的一种新型导电涂覆材料及利用其制备辅助的电极方法。

背景技术

绝缘陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀及良好的化学稳定性，在汽车、飞机、航空、航天、机械、电子、医疗卫生等领域的应用日益广泛。但陶瓷的高强度、高硬度等特性，传统机械加工方法难以实现低成本、高质量的成型加工及精加工。比如，工程陶瓷的加工成本占总制造成本的80%以上，因此严重影响其在工业中的应用。为此近年来各国学者致力于寻求电火花加工的手段，在绝缘陶瓷表面附加辅助电极的方法，实现高质量的电火花加工。辅助电极在初始放电加工过程时，辅助电极紧密贴合在绝缘陶瓷表面，充当绝缘陶瓷导电电极，起着构成放电回路的作用。当加工到辅助电极与绝缘陶瓷的分界面时，辅助电极加工区域被电火花蚀除，同时陶瓷基体加工区域可生成一层碳黑导电膜，它与未被加工的辅助电极桥接，继续构成放电回路，因此电加工方法可以持续加工绝缘陶瓷。

长期以来，传统的电火花加工绝缘陶瓷有四种方法制作辅助电极：1）绝缘陶瓷表面附着导电铜板，用夹具进行机械夹紧，铜板即可充当辅助电极，实现放电加工。然而当加工曲面绝缘陶瓷工件时，需要制定专用夹具实现辅助电极的装夹。因此该方法成本高，制作周期长且难以加工曲面绝缘陶瓷工件。2）绝缘陶瓷表面喷涂银粉导电漆。由于银粉具有良好的导电能力，可充当辅助电极，但由于银粉价格昂贵，该方法难以实现广泛应用。3）预先在绝缘陶瓷基体表面添加一层石墨粉，连同陶瓷一起高温烧结，烧结形成的石墨层能紧密吸附陶瓷基体表面，且其具有良好的导电效果，可充当辅助电极，实现电火花放电加工，但该方法制作耗时且工序繁琐。4）利用物理真空蒸镀（PVD）的方法制备辅助电极，该方法可制备厚度均一、导电性良好的辅助电极，但需要昂贵的离子镀膜设备，不利于技术的推广。综上所述，上述方式辅助电极制作成本高、周期长且不易加工曲面工件，因此不利于电火花加工绝缘陶瓷技术的推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备简单、周期短及高导电性能的导电涂覆材料及利用其制备辅助电极的方法。

本发明提出一种全新的绝缘陶瓷的导电涂覆材料，该导电涂覆材料有助于电火花稳定加工绝缘陶瓷，其组分配比为：每10-30ml无水乙醇配兑20-50ml 铜粉导电漆、5-15g铁磁粉末和/或5-15g导电石墨粉。制作过程如下：按上述配比，以无水乙醇为介质将铜粉导电漆进行稀释，然后掺杂铁磁粉末和/或导电石墨，混合均匀。

    本发明将导电涂覆材料的涂覆与铜箔导电胶带的包裹相结合制备辅助电极，具体步骤如下：

    1）导电涂覆材料的涂覆：用手工涂覆或机械喷涂方法，将上述制备的导电涂覆材料，均匀涂覆在绝缘陶瓷基体待加工表面，室温干燥或50-80℃烘干，干燥后涂层厚度为100-500μm。

2）铜箔导电胶带的包裹：利用铜箔导电胶带沿图1或图2中所示的包裹方向包裹绝缘陶瓷，使铜箔导电胶带与绝缘陶瓷涂层表面连接成导电回路，包裹厚度为100-500μm。

本发明提出了一种全新的绝缘陶瓷导电涂层的制备方法，依据电火花加工类型及加工工艺路线，利用铜箔导电胶带包裹涂覆导电涂覆材料的绝缘陶瓷表面，以构成辅助电极的策略，该策略能使电火花加工技术对绝缘陶瓷实现稳定加工。本发明通过长期试验研究发现，制备辅助电极时，涂覆面的选择及铜箔导电胶带的包裹方式取决于电火花加工的类型及加工工艺路线。在电火花成型加工时，绝缘陶瓷基体表面可直接包裹铜箔导电胶带，铜箔导电胶带可充当辅助电极，实现电火花成型加工。

本发明所制备的辅助电极具有良好的导电性，放电过程中陶瓷表面循环生成一层约为30μm的导电碳黑膜可以构成引电回路，保证电火花加工绝缘陶瓷稳定进行。与现有技术的辅助电极相比，本发明具有如下优点：

1）辅助电极制备简易，制作工序简单。

2）辅助电极添加的是铁磁材料或导电石墨，导电性能良好。

3）辅助电极不受绝缘陶瓷大小、形状限制，对平面、曲面及不规则表面的绝缘陶瓷工件均适用。

4）铜箔导电胶带可显著减小工作液对导电涂层的侵蚀，使辅助电极稳定导电，因此可提高电火花加工的稳定性和加工效率。

附图说明

    图1 为块状绝缘陶瓷辅助电极制作方法示意图，面1：右表面，面2：前表面，面3：左表面，面4：后表面，面5：上表面，面6：下表面，包裹方向1：沿切割方向绕面2、面4的缠绕方向，包裹方向2：沿切割方向绕面1、面3的缠绕方向。

图2为管状绝缘陶瓷辅助电极制备方法及加工进给路线示意图，面1：右侧面，面2：圆周面，面3：左侧面，方向1：进给方向1，方向2：进给方向2，方向3：进给方向3。

图3为具体实施方式二中块状绝缘陶瓷辅助电极示意简图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5 为具体实施方式三中块管绝缘陶瓷辅助电极示意简图；

图6为图5的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合较佳实施方式对本发明的技术方案作进一步解释说明，但并不限定本发明的保护范围，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式按照如下步骤制备辅助电极：

1）导电涂层制备：一种能够实现电火花稳定放电加工绝缘陶瓷的导电涂覆材料，其组分配比为：每10ml无水乙醇配兑20ml铜粉导电漆及5-15g铁磁粉末或5-15g导电石墨粉。制作过程如下：按上述配比，以无水乙醇为介质将铜粉导电漆进行稀释，然后掺杂铁磁粉末和/或导电石墨，混合均匀。

    2）导电涂层的涂覆：用手工涂覆或机械喷涂方法，将步骤1）制备的导电涂覆材料，均匀涂覆在绝缘陶瓷基体待加工表面，室温干燥或50-80℃烘干，干燥后涂层厚度为100-500μm。

3）铜箔导电胶带的包裹：利用铜箔导电胶带沿图1或图2中所示的包裹方向包裹绝缘陶瓷，使铜箔导电胶带与绝缘陶瓷导电涂层表面连接成导电回路，包裹厚度为100-500μm。

    本实施方式中所述的绝缘陶瓷为氮化硅、氧化锆、氧化铝等工程陶瓷材料。

本实施方式中所述的铁磁粉末为市售铁粉、钴粉及镍粉，在步骤1）的5-15g配比范围内，三者混合掺杂使用或者单独使用，其粒度≤50μm。

本实施方式中所述的导电石墨粉为市售导电石墨粉末，其粒度≤75μm。

本实施方式中所述的铁磁粉末及导电石墨粉，在步骤1）的5-15g配比范围内，可混合掺杂使用或单独使用，对混合的比例没有特殊的要求。

    本实施方式中所述的无水乙醇为市售无水乙醇，其浓度大于95%。

    本实施方式中所述的机械喷涂方法为喷枪喷涂等方法。

    本实施方式中所述的铜粉导电漆为市售的喷涂于电子产品壳体内部用于屏蔽电磁辐射的导电漆。

    本实施方式中所述的铜箔导电胶带铜箔基材厚度为0.025-0.1mm。

本实施方式中铜箔导电胶带的包裹方式与绝缘陶瓷的加工工艺有关，若为电火花成型加工，则可以直接用铜箔导电胶带包裹工件的表面；若为电火花线切割加工块状绝缘陶瓷，辅助电极制备需要按照上述步骤1）、2）、3）进行，且电火花线切割只能对涂有导电涂覆材料的基体表面进行稳定加工。因此涂覆面的选择与铜箔导电胶带的包裹路径需根据电火花线切割的加工路径来制定。对于块状绝缘陶瓷工件，导电涂层的涂覆与铜箔导电胶带的包裹，如图1所示，本发明提出以下三种通用组合：

1）涂覆绝缘陶瓷四周表面1至4与上下表面5至6，铜箔导电胶带按照包裹方向1或包裹方向2包裹绝缘陶瓷。此组合所制备的辅助电极，进行电火花线切割时，可从面1至6任意一个面切入绝缘陶瓷工件。

2）涂覆面1至面4，铜箔导电胶带按照包裹方向1或包裹方向2包裹绝缘陶瓷。此组合可以节省导电涂覆材料，进行电火花线切割时，可以从面1至4任意一个面切入绝缘陶瓷工件，实现稳定加工。

3）涂覆面2、4、5、6 ，铜箔导电胶带按照包裹方向2包裹绝缘陶瓷，进行电火花线切割时，可从面2、4、5、6中任意一个面切入绝缘陶瓷工件，实现稳定加工。此外其他的组合亦可根据电火花线切割加工过程中的切割工艺路线制定。

电火花线切割加工管状绝缘陶瓷的典型辅助电极制作方法, 如图2所示：涂覆面1至面3，铜箔导电胶带绕管状绝缘陶瓷轴线包裹绝缘陶瓷，电火花线切割沿进给方向1至3对管状绝缘陶瓷外表面进行稳定加工。

    具体实施方式二：本实施方式以块状绝缘陶瓷工件的电火花线切割加工为例。

预备一块长80mm、宽60mm、厚10mm的3摩尔氧化钇稳定氧化锆绝缘陶瓷。

辅助电极的制备方法为：1）制备导电涂层，其配方如下：铜粉导电漆40ml；浓度95%的无水乙醇20ml，钴粉10g，钴粉粒度为2μm，三者均匀混合。2）如图1所示，沿选定绝缘陶瓷基体表面1至面4涂覆导电涂覆材料，60℃烘干，干燥后涂层厚度为150μm。3）铜箔导电胶带按照图1所示的包裹方向1包裹绝缘陶瓷，铜箔导电胶带包裹厚度为100μm。

块状绝缘陶瓷辅助电极制备完毕后的示意简图，如图3、图4所示。电火花线切割的加工参数为：开路电压U=100V；脉宽T_on=10 μs；脉间T_off=60μs；峰值电流I_p=20A。实验结果表明：电火花线切割能够从涂覆导电涂覆材料的四个面稳定地切入绝缘陶瓷，加工速度为10mm²/min。

    具体实施方式三：本实施方式以管状氮化硅绝缘陶瓷工件的电火花线切割加工为例。

准备一件外径为30mm，内径为10mm，长60mm的管状氮化硅绝缘陶瓷。

辅助电极的制备方法为：1）导电涂覆材料，其组分如下：铜粉导电漆40ml；浓度95%的无水乙醇20ml，导电石墨10g，导电石墨粒度为6μm，三者均匀混合。2）如图2所示，沿陶瓷基体外表面1至面3均匀涂覆导电涂料，60℃烘干，干燥后涂层厚度为80μm。3）铜箔导电胶带绕图2中所示的管状电极轴线包裹绝缘陶瓷，包裹厚度为100μm。

管状绝缘陶瓷辅助电极制备完毕后的示意简图，如图5、图6所示。电火花线切割的加工参数为：开路电压U=100V；脉宽T_on=10μs；脉间T_off=60μs；峰值电流I_p=20A。实验证明，电火花线切割能够从绝缘陶瓷外表面稳定地切入绝缘陶瓷，加工速度为8mm²/min。

本发明所述的导电涂层的涂覆面的选择与铜箔导电胶带包裹方法不限于以上几种方式，它可根据电火花放电加工的类型与加工工艺路线及绝缘陶瓷几何形状，可行进行优化组合。