微細電火花加工研究現(xiàn)狀與存在的問題

1、微細電火花加工研究現(xiàn)狀與存在的問題院（系）： 機械工程學院 班 級： 學生姓名： 學 號： 任課教師： 2012年1月2日目錄1引言12電火花加工的研究現(xiàn)狀22.1微細電火花加工的原理22.2金屬蝕除驅(qū)動力的來源解釋32.3微細電火花加工設(shè)備的最新進展43存在的問題53.1電火花加工機理53.2微細電極的制備53.3電極損耗對加工精度的影響63.4加工路徑規(guī)劃問題64下一步研究內(nèi)容74.1LIGA大批量制備復(fù)雜電極技術(shù)74.2低電壓放電加工技術(shù)74.3氣中放電沉積與去除可逆加工技術(shù)74.4電極損耗補償策略85我的建議8參考文獻91 引言由于現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，在機械工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天

2、工業(yè)，尤其是國防工業(yè)部門，要求制造技術(shù)更加精密化、自動化、系統(tǒng)化、集成化、以及加工方式多樣化方面發(fā)展，并且要求尖端科學技術(shù)產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、重載荷、抗腐蝕、大功率、小型化方向發(fā)展1,2。為了適應(yīng)這些要求，各種新結(jié)構(gòu)、新材料和復(fù)雜形狀的精密零件大量出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜，對精度要求越來越高，對加表面粗糙度和完整性要求越來越嚴格，這使得傳統(tǒng)的加工方法難以滿足上述要求，機械制造面臨著一系列嚴峻的任務(wù)3。1943年，前蘇聯(lián)拉扎林柯夫婦在研究開關(guān)觸點遭電火花放電腐蝕的過程中發(fā)明了電火花加工方法，第一次擺脫了用傳統(tǒng)切削加工去除材料的方式，開創(chuàng)了用其它形式能量來加工的新方法。電火花加工具

3、有以下一些優(yōu)點4：（1）可用于傳統(tǒng)機械加工方法難以加工的材料加工。因為材料的去除是靠放電時電熱作用實現(xiàn)的，材料的加工性主要取決于材料的熱學性質(zhì)，如熔點、比熱容、熱導(dǎo)率等，幾乎與其硬度、韌性等力學性能無關(guān)。工具電極材料不需比工件硬，所以電極制造相對容易。（2）可加工特殊、復(fù)雜形狀的零件。由于電極與工件之間沒有切削力，因此適宜于低剛度工件和細微加工。又因脈沖放電時間短，材料加工表面受熱影響范圍比較小，所以可用于熱敏性材料的加工。另外，由于加火花加工可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，所以特別適用于薄壁、低剛性、微細、彈性及復(fù)雜形狀表面的加工，如復(fù)雜的型腔模具的加工等。（3）更容易實現(xiàn)加工過程自

4、動化。加工過程中的電參數(shù)較機械參數(shù)易于實現(xiàn)數(shù)字控制、自適應(yīng)控制、智能化控制，能方便地控制粗、半精、精加工各工序，簡化工藝過程，減少人工干涉。（4）可以改變零件的工藝路線。由于電火花加工幾乎不受材料硬度影響，所以可以在淬火后進行加工，這樣可以避免淬火過程中產(chǎn)生的變形。由于電火花加工具有這些傳統(tǒng)切削加工所無法比擬的優(yōu)點，因此其應(yīng)用范圍日益擴大，目前已廣泛用于各類工業(yè)中。近些年，隨著微機械、微機電系統(tǒng)迅速發(fā)展并進入實用階段，更加先進的微細電火花加工技術(shù)在航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、國防、環(huán)境工程以及民生方面發(fā)揮著越來越重要的作用，并具有非常廣闊的前景。微細電火花加工（Micro-EDM）是指用棒狀電極或用線

5、電極電火花加工微孔、窄槽、窄縫等各種復(fù)雜形狀的加工技術(shù)，它是微制造領(lǐng)域的一項重要技術(shù)5。微細電火花加工與其它幾種典型微細加工技術(shù)的比較如下表所示6。表1 幾種典型的微細加工技術(shù)的比較微細加工方法最小尺寸精度深徑(高寬)比多維加工能力表面粗糙度加工材料LIGA金屬、聚合物、陶瓷刻蝕金屬、半導(dǎo)體微細激光加工金屬、聚合物、陶瓷微細銑削金屬、聚合物金剛石切削非鐵系金屬、聚合物微細立體印刷聚合物微細電火花加工金屬、半導(dǎo)體2 電火花加工的研究現(xiàn)狀2.1 微細電火花加工的原理精細電火花加工原理普通電火花加工大致相同，它們都是基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件相互靠近時，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通

6、道中產(chǎn)生瞬時高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將實現(xiàn)金屬的蝕除。Bernd M Schumacherd在電火花加工誕生60年時發(fā)表最新成果，他將電火花放電過程分為三個階段（如圖1）：放電的準備階段，放電階段和脈沖放電間隙階段7。圖（a-c）為第一階段，工具電極與工件電極緩慢靠近，極間的電場強度增大，由于兩電極的微觀表面是凹凸不平的，在兩極間距離最近的位置電場強度最大。工具電極與工件電極之間充滿著電介質(zhì)，電介質(zhì)中不可避免地含有雜質(zhì)及自由電子，它們在強大的電場作用下，形成了帶負電的粒子和帶正電的粒子，電場強度越大，帶電粒子就越多，最終導(dǎo)致液體介質(zhì)電離、擊穿，并形成由大量高速運動的帶正電和帶負電的

7、粒子以及中性粒子組成的等離子體放電通道。圖（d-f）為第二階段，在極間電場作用下，通道中的正離子與電子向陰極和陽極高速運動并發(fā)生劇烈碰撞，從而在放電通道內(nèi)正負兩極表面分別形成瞬時熱源（可以達到5000以上），金屬材料熔化，甚至沸騰氣化。同時，由于放電時電流產(chǎn)生磁場，磁場又反過來對電流產(chǎn)生向心的磁壓縮效應(yīng)和周圍介質(zhì)慣性動力壓縮效應(yīng)，通道擴展受到很大阻力，此時狹小的放電通道內(nèi)由高溫熱膨脹形成的初始壓力可達數(shù)十甚至上百個千帕，高壓高溫的放電通道以及隨后瞬時氣化形成的氣體急速擴展、產(chǎn)生一個強烈的沖擊波向四周傳播，依靠此熱膨脹和局部微爆炸，使熔化氣化的電極材料被拋出。在放電的同時還伴隨著光效應(yīng)和聲效應(yīng)。

8、圖（g-i）為第三階段，放電脈沖結(jié)束后，等離子通道內(nèi)消電離，電蝕產(chǎn)物排出放電區(qū)域，而氣泡還會存在相當長一段時間。圖1 放電的三個階段2.2 金屬蝕除驅(qū)動力的來源解釋在電極表面熔融放電痕（molten puddle）直徑僅幾十微米，在沒有附加的驅(qū)動力作用下，起主導(dǎo)作用的毛細力能阻止任何金屬拋出去除。迄今最被接受的理論認為，金屬的去除和拋出是由于放電脈沖的突然中止，這使得在脈沖結(jié)束金屬的猝然過熱。在對真實放電間隙精確測量中并沒有發(fā)現(xiàn)這類有高動量的反沖力。Y.F.Luo和Jia Tao認為，金屬拋出蝕除在整個脈沖放電過程都有發(fā)生，而不是只在脈沖結(jié)束的時刻。轉(zhuǎn)移二次放電（Shifting Second

9、ary Discharge，SSD）很可能就是金屬拋出蝕除的驅(qū)動力8。轉(zhuǎn)移二次放電（SSD）又被稱為暫時性點放電，它們能在主陰極根迅速轉(zhuǎn)移到一個新的放電位置。暫時性點放電能在首次放電結(jié)束時快速熄滅冷卻。圖2展示的是在二次放電中金屬的拋出去除和熔滴的形成過程。當空間中的陽離子勢能被加強的點放電耗盡時，當前的二次放電就平息了。然而，從發(fā)射點來的高能電子電離了更多的分子，同時電離出的陽離子向陰極根方向遷移。于是，陰極根表面上的正離子再一次的堆積，當?shù)仉妶鰪姸鹊玫教嵘?。接下來的那一次二次放電最可能發(fā)生在另外一個電場強度最高的地方。二次放電循環(huán)就這樣不斷進行下去，直到首次放電脈沖結(jié)束。在有新的證據(jù)被發(fā)現(xiàn)

10、前，多于一次放電的共存二次放電（coexisting secondary discharges）不包括在上述討論中。為了實現(xiàn)更高的點溫度，更少和更小的二級放電有利于電子發(fā)射的效率和消耗更少的能量。當間隙大于普通EDM 間隙時，帶狀放電（streamer discharges）可能產(chǎn)生。帶狀放電使離子被分割成枝狀，并產(chǎn)生點放電。然而，點的位置在當?shù)仃栯x子耗盡后必須轉(zhuǎn)移。SSD使材料從主陰極根上去除，并拋出到極間間隙中去。圖2 二次放電和金屬拋出蝕除2.3 微細電火花加工設(shè)備的最新進展由于微細電火花加工在現(xiàn)代加工技術(shù)，尤其是微機械制造技術(shù)中的重要地位，各工業(yè)發(fā)達國家都加大了在這方面的投入。近些年，

11、國外許多著名電加工生產(chǎn)商都推出了商用微細電火花加工設(shè)備，另外一些科研機構(gòu)也展開了研制工作，并取得重要成果。圖3 松下精機MG-ED82W日本松下精機生產(chǎn)的MG-ED82W是目前商業(yè)銷售中精度最高的微細電火花機床（如圖3），主軸的進給由伺服電動機通過減速齒輪副、螺母絲杠、杠桿推動主軸組成，主軸的進給和回退步距為0.1m9,10。其電火花脈沖電源最小脈沖能量可達10-7J。它能穩(wěn)定地加工出Ø5m的微小孔，表面粗糙度達Ra0.1m。其它最新研究進展有：線電極電火花磨削技術(shù)與微細加工，面向MEMS 的微細電火花加工技術(shù)等等。國內(nèi)開展微細電火花加工研究方面最早是在上世紀九十年代的南京航空航天大

12、學，隨后清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、大連理工大學、山東大學等高校在這一領(lǐng)域也取得了許多成果。3 存在的問題電火花加工技術(shù)迄今已有60多年的發(fā)展歷史，但隨著研究的深入和運用領(lǐng)域的擴展，仍然有許多問題沒有解決。3.1 電火花加工機理電火花加工機理的研究瓶頸除了因為放電過程本身的復(fù)雜性、隨機性以外，還由于對放電通道中帶電粒子的運動特性、電磁特性以及振蕩性認識不夠。多年來，許多學者在間隙放電通道的研究方面作了大量的工作，提出了許多假說，但是并沒有形成量化的系統(tǒng)的研究體系。Antoine Descoeudres、Hockenberry認為在一次脈沖放電期間，放電的全過程都處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。Y.F.Luo

13、和Jia Tao（2.2節(jié)）認為是等離子體內(nèi)陰極根處發(fā)生著轉(zhuǎn)移二次放電。中科院電工研究所于學文等人認為放電通道是一個高頻振蕩的微細等離子體，放電柱粗細與放電瞬時能量有關(guān)。3.2 微細電極的制備微細電極的制作是微細電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)。離線制作的微細電極經(jīng)過二次裝夾，其定位精度難以滿足微細加工的要求。日本的毛利尚武教授和武沢英樹發(fā)現(xiàn)了使用單脈沖放電形成針狀電極的現(xiàn)象。單脈沖放電能夠在瞬間把直徑100m的鎢電極加工成直徑2040m的針狀電極。用單脈沖放電的方法制作微細電極，雖然能夠大大減少加工時間、提高加工效率，但是電極形狀的重復(fù)精度較差。通過自鉆孔制備微細電極方法，這種方法的優(yōu)點是加工方法簡單，

14、電極加工前不需要調(diào)整電極的位置，具有很高的加工效率、尺寸精度和形狀重復(fù)精度，具有很好的應(yīng)用前景。圖4 不同形狀的微細電極3.3 電極損耗對加工精度的影響為了減小電極損耗對加工精度的影響，在達到在滿足加工精度的條件下，可以忽略電極的損耗。各國學者從選用損耗相對較小的電極材料、對放電波形進行調(diào)整與控制、選用適當?shù)姆烹妳?shù)以及合理地選用工作液及其供給方式等原理上入手，降低電極的損耗。但由于電極有效放電面積與工件截面積小的多，電極損耗對精度的影響也大的多。在損耗比相同的情況下，加工同等深度的型腔，電火花銑削加工時電極損耗的長度比采用傳統(tǒng)的電火花成形加工大得多。電極損耗對加工造成的影響也大的多。也可以說

15、，在微細電火花銑削加工中加工面積Sw與電極橫截面積的Se的比值，對電極的損耗放大了。它加大了電極損耗對加工精度的影響。因此，研究如何減小電極損耗是十分必要的。3.4 加工路徑規(guī)劃問題微細電火花分層銑削加工技術(shù)和等損耗理論的出現(xiàn)，奠定了微細電火花方法加工微細三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)借鑒數(shù)控銑削的方法，使用微細棒狀電極對微細三維結(jié)構(gòu)進行分層銑削加工，并根據(jù)等損耗理論，通過加工路徑的合理規(guī)劃，可使得電極端部處于等損耗狀態(tài)，因此加工中電極損耗的補償策略將變得極為簡單，使得微三維輪廓的精密電火花加工成為可能。但如何針對電極損耗（尤其側(cè)角損耗）生成最優(yōu)的軌跡，以及加工過程的在線檢測仍是個問題。圖5 Mu-Tian

16、Yan和Shr-Shiang Lin采用multi-cut工藝規(guī)劃方法加工的3D微結(jié)構(gòu)11a為金字塔形腔，b為六邊形金字塔腔、c為直角金字塔形腔，d為圓錐腔4 下一步研究內(nèi)容根據(jù)存在的問題和最新的研究成果，仍然有大量可以研究的內(nèi)容，以下列出部分內(nèi)容。4.1 LIGA大批量制備復(fù)雜電極技術(shù)單脈沖放電制備針狀電極、自鉆孔制備微細電極方法都不能大批大量生產(chǎn)，但采用LIGA技術(shù)大批量制備復(fù)雜電極。日本學者Takahata等人將微細電火花加工技術(shù)同LIGA技術(shù)結(jié)合起來，使微細電火花加工批量生產(chǎn)成為可能。（a）LIGA制作的電極陣列（b）微細電火花加工的孔陣列圖6 微細電火花批量加工的陣列孔4.2 低電壓

17、放電加工技術(shù)日本學者Kai Egashira與Katsumi Mizutani最先利用低電源電壓技術(shù)進行了放電加工的試驗，電源電壓在5V以上時，用直徑15m或7m的鎢金屬電極，分別加工出直徑Ø20m和Ø8.5m的微細孔；同時驗證了電源電壓為2V也可進行放電加工的事實；并采用20V的電源電壓，加工出直徑Ø1m的微細軸。但低電壓目前僅停留在實驗階段，尚未實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。4.3 氣中放電沉積與去除可逆加工技術(shù)名古屋工業(yè)大學的早川伸哉等人研制了一種利用電火花加工來制作微型結(jié)構(gòu)的新沉積方法，他們用線電極電火花磨削的方法制作微細電極，用鋼或鋁合金做工件，在空氣或氮氣中進行電火花

18、加工。通過對工件和工具電極的瞬時溫度分析預(yù)測了放電沉積條件，并且通過試驗，在工件表面上沉積形成了直徑Ø0.1mm、高2.2mm的微小柱體，而且沉積材料致密堅硬。這種方法突破了電火花加工僅用于去除加工的局限，擁有廣闊的發(fā)展前景。4.4 電極損耗補償策略雖然電極的損耗非常復(fù)雜，它受許多因素影響，與加工極性、加工時間、工作介質(zhì)的種類、沖油方式、電極及工件材料、電極形狀、電源類型以及電源的各項參數(shù)等都有密切關(guān)系。但是在加工過程中，電極的損耗卻有很強的規(guī)律性，通過獲得電極損耗狀態(tài)并進行在線補償?shù)姆椒ㄊ强梢詫崿F(xiàn)的。在此方面的研究中，影響較大的是大連理工大學的余祖元教授提出的均勻損耗法12。該方法

19、用簡單形狀的電極進行逐層掃描去除加工，在每一層的加工中，通過對電極路徑的規(guī)劃，在電極加工完一層后，電極可以恢復(fù)原來的形狀，從而簡化了電極的損耗補償策略。該方法通過獲得準確的電極損耗比，可準確的計算電極的損耗補償值，獲得了較高的加工精度。該方法是目前應(yīng)用較為廣泛的方法，但仍具有改進的空間。5 我的建議1、在微細電火花加工裝置方面，一些發(fā)達的工業(yè)國家已經(jīng)進入工業(yè)應(yīng)用和商業(yè)銷售階段，但其價格昂貴且對我國禁運。因此，研制高效、實用的微細電火花加工設(shè)備不僅具有重要的現(xiàn)實意義，還具有極其深遠的戰(zhàn)略意義。因此應(yīng)該加大在這方面的科研投入。2、在微細電火花加工的特點及對加工裝備的要求基礎(chǔ)上，對微細電火花加工系統(tǒng)

20、進行總體方案設(shè)計、各關(guān)鍵零部件的設(shè)計、制造和裝配；在該系統(tǒng)上能實現(xiàn)微細軸、微細孔和微三維結(jié)構(gòu)的微細電火花加工。3、對基于直線電機的微細電火花加工伺服控制系統(tǒng)進行研究，提出基于直線電機的微細電火花加工伺服控制策略。4、開發(fā)微細電火花銑削加工專用CAM軟件，主要解決電火花銑削加工中分層策略、軌跡規(guī)劃、電極損耗補償、加工仿真、NC代碼生成等技術(shù)難題。5、針對微細軸的在線制備問題進行系統(tǒng)研究，提供簡便、精確的制備方法。探索微細孔電火花加工的工藝規(guī)律，大批量地商用加工典型件（微細軸、孔和微三維結(jié)構(gòu)）。要求提高了加工質(zhì)量和加工效率，并降低了電極的相對損耗率。10參考文獻1 王潤孝.先進制造技術(shù)導(dǎo)論M.北京:科學出版社,2009.2 張建華.精密與特種加工技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2003.3 劉晉春,白基成,郭永豐,等.特種加工M.北京:機械工業(yè)出版社,2009.4 單巖,夏天.數(shù)控電火花加工M. 北京:機械工業(yè)出版社,2005.5 易茂斌,房豐洲,王慶