专利名称：电火花加工液体的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电火花加工(“EDM”)的液体，更具体地涉及精加工的EDM液体，该液体是将粉末掺和于液态电介质而生成的。
在电火花加工中，一般使用像油或水那样的液态电介质作为EDM液体。使用将导电粉末或半导电粉末掺和于液态电介质而生成的EDM液体亦为人所知，使用与导电粉末掺混的液态电介质，利用通过导电粉末的放电来加工工件，有关该技术的申请叙述于下。
公布于1977年7月13日的日本专利公开52-26357号公开了将导电粉末加入到液态电介质中并依据所需的加工尺寸控制该粉末量的方法，液态电介质供入工具电极和工件间的缝隙中。所加入的导电粉末是将粒径为5到10微米的金属粉末或石墨粉末与像直径为10到100埃的石墨和碳黑那样的切削屑相混合而产生的。然后，混合而成的导电粉末与密度为0.05-15克/升的液态电介质相掺混。
公布于1980年7月23日的日本专利公开55-27810号公开了将能蒸发的(即具有高汽压的)金属粉末与供入切削缝隙间的液态电介质相掺混的方法。该金属粉末在放电的高温下容易蒸发，分散在液态电介质中的金属蒸汽增加了导电性，由此利用施加的电压脉冲易于引起放电。用作金属粉末的是镉、铟、锌、镁、锡、铅和铋。
公布于1980年10月16日的日本专利公开55-500783公开了液态电介质与体积含量为0.001%到1%，粒径达到5微米的金属粉末或石墨那样的导电粉末相混合，可增加切削率，同时降低了电极的磨损率和改善了加工表面。
公布于1979年7月25日的日本专利公开54-20718号公开了一种电火花加工方法。在该方法中，主要包含导电粉末的粉末与液态电介质的混合物经搅和生成的膏体进入所需的切削缝隙中。用作导电粉末的是石墨、黄铜、钨、银钨合金、银、铜、铜钨合金。膏体也可由搅和导电粉末和铁酸钡及高碳钢组成的磁粉末与少量液态电介质的混合物而生成。
公布于1990年3月23日的日本专利公开2-83119号公开了利用放电形成工件表层的方法。在该方法中形成表层的材料以粉末状加到工具电极与工件之间。EDM液体中含有20克/升的与液态电介质混和的硅，硅的粒径平均为20到40微米。另外，还提出碳化钨和硼化锆那样的半导体材料，及其他材料作为粉末材料。
本发明的一个目的是提供一种EDM液体以及一种电火花加工方法，根据该方法可作出精细的、非常光滑的工件表面。
本发明的另一个目的是提供一种EDM液体以及一种电火花加工方法，根据该方法，粉末均匀分布在液态电介质中，从而将工件加工成具有一致的、高加工精度的所需形状，甚至在工具电极很大的情况下也是如此。
本发明的其他一些目的、优点和新颖性将部分陈述于下，且这些对熟悉本专业的技术人员来说，通过阅读本说明书或实施本发明后将变得更为明白。可以从本发明所附属权利要求书中实现或获得本发明的目的与优点。
从总方面看，本发明提供一种由液态电介质和硅粉末的混合物组成的、改进的EDM液体。硅粉末主要含有多晶硅与少量的无机氧化物。粉末最好是以0.1%到5.0%的重量百分比含量提供的，粉末含量为液态电介质重量的0.2%到3.0%时为更佳。另外无机氧化物包括氧化硅、氧化铁和/或氧化钙，所提供的含量为硅重量的0.01%到10%，且硅的平均粒径为0.1到100微米。
根据本发明，EDM液体是通过搅和粉末与可溶于液态电介质的液态搅和介质，制成一种液态浓缩物，并将溶液态浓缩物分散于液态电介质中而生产的。液态搅和介质最好包含油，这些油主要由摄氏15°时密度大于0.93克/毫升的芳香烃组成。
本发明的另一方面是提供使用工具电极进行放电来加工工件的EDM方法。其步骤为，将主要含有多晶硅与少量无机氧化物的硅粉末分散地混合于液态电介质中，而形成精加工用的EDM液体，所提供的粉末的含量为液态电介质重量的0.1%到5.0%，且在精加工过程中将这种精加工EDM液体供入工件与工具电极的加工缝隙中。
联系附图，通过以下详细描述将使本发明更为精晰，其中
图1是表示加工后工件表面横截面的显微照片;
图2是表示使用本发明的EDM液体进行加工后工件表面的横截面的显微照片;
图3是表示加工前工件表面的俄歇电子能谱分析结果的能谱图;
图4是表示加工后工件表面的俄歇电子能谱分析结果的能谱图;
图5是表示使用本发明的EDM液体进行加工后的工件表面的俄歇电子能谱分析结果能谱图;
图6是表示加工后工件表面粗糙度的图;
图7是表示用本发明的EDM液体进行加工后工件表面粗糙度的图。
本发明人已用实验方法详细研究了制成工业生产中需要精加工工件光滑表面的方法，充分利用了工件金属结构的特性。本发明人发现分散于液态电介质中的特殊半导体粉末的成分能够与其他成分(例如液态电介质中的成分和工件中的成分)发生作用，而形成具有所需金属结构的工件的光滑表面。
本发明涉及实验发现的现象，列于下文。
(a)尽管硅粉末被放电加热熔化，但它不会粘于工件成为其表层。
(b)当使用加入了多晶硅粉末与少量其他具有特殊成分的粉末的液态电介质进行电火花加工时，α-铁基材料的工件将形成具有硅及所加入的其他粉末中未包含的成分的合金表面。
(c)该合金是碳-铁-硅合金，且具有该合金的α-铁基材料的工件表面非常均匀。
(d)所形成的均匀的工件表面与某种物理操作无关，即与工具电极和工件之间的相互接近的移动无关。
于是，鉴于这些现象，发明人发现了本发明的EDM液体，其中多晶硅与少量无机氧化物粉末均匀地分散于液态电介质中。
硅可用来制备本发明的EDM液体的硅是多晶硅。就是说，虽然已知有非晶硅、多晶硅和单晶硅，但从实验中筛选出多晶硅来形成光滑的工件表面。
然而所有硅粉不必全是多晶硅。已发现本发明的EDM液体，除多晶硅外，甚至包含少量的其他硅，如非晶硅及另外的硅时，仍能获得所期望的优点。如果包含了其他硅，它们的含量最好不大于多晶硅重量的2%到3%。然而，某些情况时，它们的含量可大约为多晶硅重量的20%，这取决于电火花加工的条件。于是，所需多晶硅量要按大于硅粉末重量的80%来提供。
主要由多晶硅组成的硅粉分散在液态电介质中的粒径与粒径分布需满足要求。如果粉末粒经过小，易发生絮凝和沉淀。若粒径太大，则会扰乱加工过程的稳定或引起工具电极与工件之间的短路，对工件造成损坏。已发现0.01到100微米的平均粒径是可取的。平均粒径最好为0.1到80微米，因为通过研磨加工氧化的粒子表面而将削弱其导电性。更佳的平均粒径为1.0到50微米。
在工业生产实际中，经研磨变细的粉末不便于分选。在这种情况下，考虑到粒径分布，最好保证有1/3以上的粒径大约为1.0到50微米的硅粉末最好占1/3以上，以便使工件表面变得光滑。
无机氧化物无机氧化物可以是金属元素氧化物或非金属元素氧化物，它被用来制备本发明的EDM液体，形成具有碳-铁-硅合金的铁基工件表面。另外，无机氧化物可由一种或多种组成，它可与多晶硅一起，也可单独组成粉末。
无机氧化物最好由氧化硅、氧化铁和/或氧化钙组成。这样发现，若将少量的这种无机氧化物加到粉末中，则可在各种加工条件下获得光滑的工件表面。
另外，允许用少量的无机氧化物。少量的意思是，当多晶硅与无机氧化物分散于液态电介质中，通过电火花加工工艺来完成上述工件表面时的有效量。具体地说，无机氧化物最好是主要成分为多晶硅的硅的重量的0.01%到10%。
液态电介质多晶硅与无机氧化物分散于其中的液态电介质可以是水基电介质，或是油基电介质。一般使用水或含有水溶性物质的水作为水基电介质，例如水溶性寡聚物和水溶性高聚物。而矿物油一般被用作油基电介质，且油溶性物质能溶解于矿物油。然而要获得本发明的优点，最好由分子结构为若干碳原子的成份组成油。例如，使用芳香烃组成的油或加入了芳香烃的油。
制备EDM液体时，掺入液态电介质中的粉末的量最好是液态电介质重量的0.1%到5.0%，更好为0.2%到3.0%的重量百分成。只要制备EDM液态时采用了上述混合比例，就在本发明的范围内，即使在加工过程中EDM液体供到工具电极和工件之间的切削缝隙，并且后一部分粉末在电火花机床中沉淀的情况下仍是如此。
只要未削弱本发明的优点，任何添加剂，诸如加工效率促进剂、分散剂、再分散催化剂、抗氧化剂、防泡剂等都可加到EDM液体中。
分散方法可以使用任何方法在液态电介质中分散多晶硅与无物氧化物粉末。可以使用分散剂，例如表面活性剂。尤其是，环氧乙烷胶体分散剂就很有效。
本发明人已揭示了均匀分散粉末的先进方法。用该方法，粉末与溶于液态电介质的液态搅和介质靠剪切力被一起搅和而制出液体浓缩物，然后将该液体浓缩物溶解于液态电介质中。
将与液态搅和介质混合的一定量的粉末约占全部重量的10%到80%，尽管粉末量取决于粒径与粒径分布。
虽然液态电介质可作为液态搅和介质，但当使用油基电介质时，主要组成为芳香烃的油为优先选择，更佳选择是主要组成为芳香烃的、在摄氏15°时密度为0.93克/毫升的、且运动粘度在摄氏40°时超过100厘沲的高密度油，因为它可防止由于相互粘结力的减弱引起的粉末沉淀。这样，油电介质与油搅和介质的运动粘度完全不必是同一等级。
可以使用在剪切作用下搅和粉末与液态搅和介质的任何装置。搅和设备是众所周知的，一般用来处理高分子化合物和生产油漆和纸。例如，在处理高分子化合物时，使用的轧辊、搅和器、密封式混炼器和挤压机具有利用二维或三维方向的高剪切力搅和高分子化合物的机理。
浓缩物是液体而不是膏体，甚至当使用上述高密度油时，尽管它的运动粘度取决于粉末含量，但它仍是液体。已发现当利用该浓缩物制备EDM液体时，粉末不会在液态电介质中形成团，从而节省了粉末材料，并且在加工过程中不会毫无意义地扩大切削缝隙。
电火花加工方法。
在应用一般用来精加工工件的EDM的条件下，使用本发明的EDM液体，可将工件表面做得非常光滑，并具有上述金属成分。例如，下面给出有关精加工的加工电源的EDM条件。
极性工件作正极接通脉冲时间1到20微秒断开脉冲时间2到80微秒电流值0.1到10安培(短路时)另外，对实现本发明方法的备有液体供给装置EDM设备没有限制。
例EDM液体使用下列粉末材料制备多晶硅95.5重量百分比(粒径为1到80微米)二氧化硅(SiO2) 3.0重量百分比氧化铁(Fe2O3) 1.0重量百分比氧化钙(CaO2) 0.5重量百分比500克这种成份的粉末，20克环氧乙烷胶体分散剂、5克2，6双特丁基(2，6-di-tert-butyl)加入摄氏40°时的运动粘度为930厘沲、摄氏15°时的密度为0.98克/毫升的500克芳香烃中制成浓缩物。它们在摄氏60°下通过搅动1小时渐渐混合。然后，该混合物被两个转速不同的轧辊搅和直到它成为均匀的浓缩物。该浓缩物是有流动性的液态物质。该液态浓缩物又被加到在摄氏40°时运动粘度为2厘沲的矿物油基电介质中，其重量百分比为该电介质的1%，并被搅动30分钟，制备成EDM液体。
使用这种EDM液体，电火花加工在下列条件下完成。
电火花加工机床型号SodickA35MARK21工具电极φ30mm工件材料SKD-61(日本工业标准)电气情况极性工件为正极接通脉冲4微秒电流5安培(短路时)结果图1是一张放大倍数为×1000的显微照片，它示出了在与上例所使用EDM条件相同的情况下，使用同样的矿物油基电介质，但未将粉末加到电介质中，对同样的工件完成电火花加工时，工件表面的横截面。然而，图1中的工件表面所形成的层薄且不均匀。
图2是一张放大倍数为×1000的显微照片，它示出了上例中的精加工的工件表面的横截面。图2中的工件表面上形成的层相当精细，厚而光滑。
另外，工件表面的X射线分析按以下条件进行X射线源Rad-C系统阴极Cu(铜)
电压50KV电流200mA测量条件时间常数1.0秒扫描范围20到80级根据X射线分析，在加工以前，从工件上只检测到α-铁。而加工之后，从工件上检测到α-铁、γ-铁和碳(C)-铁(Fe)-硅(Si)合金。因此发现，由于热交换工件表面的α-铁部分已转变为γ-铁，以及在使用本发明的EDM液体时产生了碳-铁-硅合金。另外，当产生这样的合金时，如图2所示，在工件表面形成精细的、厚而光滑的层。
另外，在加工前与加工后，工件的表面都用俄歇电子能谱分析法进行了分析。图3示出了加工前工件表面的俄歇电子能谱分析的结果。图3中，横座标的零点表示工件的顶部表面，点“5”和点“10”分别表示5000埃和1000埃的表面深度。另外，纵座标表示元素的强度。如图3所示，加工之前在工件的顶部表面检测到相同量的铁(Fe)、碳(C)、氟(O)和少量的铬(Cr)、硅(Si)和钼(Mo)。估计检测到氧的原因可能是顶部表面复盖了氧化物。但是，从表面的顶部到5000埃的表面深度，铁(Fe)突然增加而碳(C)和氧(O)突然减少。
图4示出了，用矿物油基电介质而未使用粉末进行加工之后工件表面的俄歇电子能谱分析的结果。可以判定碳(C)在加工过程中进入了工件。
图5示出了，用本发明的EDM液体加工之后工件表面的俄歇电子能谱分析的结果。如图5所示，这种加工之后，在工件表面的顶部检测到大量的碳(C)和少量的铁(Fe)。从表面的顶部到5000埃的表面深度范围内，碳(C)突然减少，而铁(Fe)突然增加，且硅(Si)相应增加。
图6和图7分别示出了在图2和图3中的显微照片表示的所测到的工件表面粗糙度。参照图6和7，发现用本发明的EDM液体精加工的工件表面非常光滑。
为了说明与解释提出以上例子。这里并不打算完全列举本发明或将其限制于已公开的确切形式，很明显，根据上述讲解，许多修改与变化都是可能的。希望本发明的范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种经改进的由液态电介质和硅与无机氧化物的粉末的混合物组成的EDM液体。所述粉末的量按所述液态电介质重量的0.1%到5.0%提供，所述硅的80%以上(重量百分比)为多晶硅。
2.权利要求1的EDM液体，其中所述无机氧化物包括氧化硅、氧化铁和/或氧化钙。
3.权利要求2的EDM液体，其中所述无机氧化物的量按所述硅的0.01%到10%(重量百分比)提供。
4.权利要求3的EDM液体，其中所述硅的平均粒径为0.1到100微米。
5.权利要求2的EDM液体，所述EDM液体是通过搅和所述粉末与能溶于所述液态电介质的液态搅和介质，制出一种液态浓缩物，然后将所述液态浓缩物分散于所述液态电介质中而产生的。
6.权利要求5的EDM液体，其中所述液态搅和介质包括主要成份为摄氏15°时密度大于0.93克/毫升的芳香烃的油。
7.一种利用工具电极的放电来加工工件的EDM方法，其步骤包括用分散的方法将硅与无机氧化物粉末掺混于液态电介质而形成精加工EDM液体，所述粉末的量按所述液态电介质重量的0.1%到5.0%提供，多晶硅的重量占所述硅的80%以上;以及在精加工过程中，将所述精加工EDM液体供入所述工件与所述工具电极之间的切削缝隙中。
8.权利要求7的方法，其中所述无机氧化物由氧化硅、氧化铁和/或氧化钙组成。
9.权利要求8的方法，其中所述无机氧化物的量按所述硅重量的0.01%到10%提供。
10.权利要求9的方法，其中所述硅的平均粒径为0.1到100微米。
11.权利要求7的方法，其中所述掺混步骤包括，搅和所述粉末与可溶于所述液态电介质的液态搅和介质，而制成一种液态浓缩物，并将所述液态浓缩物分散于所述液态电介质中。
12.权利要求11的方法，其中所述液态搅和介质包括主要成分为摄氏15°时密度大于0.93克/毫升的芳香烃的油。
全文摘要
提供一种经改进的EDM液体，用于将工件表面制成含有碳-铁-硅合金的光滑表面，该EDM液体由液态电介质以及多晶硅和少量无机氧化物粉末的混合物组成。该粉末的量是液态电介质重量的0.1％到5.0％。无机氧化物包括氧化硅、氧化铁和/或氧化钙。另外，将该粉末与主要成分为摄氏15°时密度在0.93克/毫升以上的油搅和，而生成一种浓缩物，将该浓缩物加到电介质中，并在其中均匀分散。
文档编号B23H1/08GK1089198SQ9311968
公开日1994年7月13日 申请日期1993年11月1日 优先权日1992年11月2日
发明者高桥信之 申请人:索迪克株式会社