电火花加工

综　　述

电火花加工技术的发展趋势与工艺进展

王振龙　赵万生　李文卓

(哈尔滨工业大学)

摘要　结合国内外电火花加工技术的最新进展,系统地综述了电火花加工技术的发展趋势与工艺进展。作为一种实用的加工技术,电火花加工技术仍大有可为,在我国应继续加大力度进行研究。关键词　电火花加工　发展趋势　工艺进展

术之一()　由于电火花加工中工,因此,将电火花加,使电极进给驱动系统的惯性得以大幅度减小,必将更好地发挥电火花加工技术的工艺特点。(3)新型元器件的成功应用　不断地吸收现代科技发展的精髓是任何制造技术得以生存和发展的前提。目前一些新型开关元件如IGBT,大规模集成电路芯片如FPGA、DSP,新型压电材料等均已在电火花加工机床的脉冲电源、控制系统及驱动装置上得到了极为成功的应用,大大地提高了EDM的加工性能与工艺指标。

(4)硬件软件化　软件在电火花加工机床上所占的比重日趋增大。这一趋势表明,一些新的软件平台、数控技术有可能很快地融入电火花加工技术中,从而将极大地提高电火花加工技术的快速响应能力。(5)现代制造模式的渗透　

人工智能技术、网络制造、绿色制造、敏捷制造等新概念正逐渐渗透到电火花加工领域中。

(6)新工艺的出现　借助现代化的研究手段,人们对电火花加工技术的研究正向更深层次发展,新的工艺方法不断涌现,电火花加工技术的应用领域正在拓宽。

1　前言

　　熟起来的电火花加工技术(EDM),6],电火花加工技术的研究与开发历史并不长,对其加工机理与适用范围的研究还并不充分。一般认为,这是限制其发展与应用的主要因素。但同时也应看到,正因为如此,它才可能具有较大的想象空间。

现代制造技术及其相关技术的发展,在为电火花加工技术的发展提供良好机遇的同时,也对其提出了严峻的挑战。首先,从生产模式上讲,以单元化生产为主体的EDM技术必须适应现代多品种、变批量生产的模式,与柔性制造技术、网络技术等现代技术接轨;其次,电火花加工技术本身也必须面对来自新型刀具材料的出现和日益完善的多轴数控铣削加工技术的竞争。目前数控铣削加工技术已经几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。而且相对于传统电火花加工而言,切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本和更好的加工柔性。因此国外甚至有人断言在模具制造领域,高速铣削已经可以替代EDM[2]。

2　电火花加工技术的发展趋势

　　目前电火花加工技术的研究与发展趋势主要表现在以下几个方面:

(1)加工微细化　随着工程技术领域对微型机械的迫切需求,微细加工已不再是微电子机械技术的代名词。微细电火花加工技术的应用领域已经从简单的轴孔加工逐步拓展到微三维结构型腔的制作中。微细电火花加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技

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3　电火花加工的最新工艺进展

　　任何一种实用的制造技术最终都要体现在工艺上,工艺方法的不断完善与实用化表征了该技术的生命力与存在价值。311　微细电火花加工

微细电火花加工技术的研究起步于20世纪60年代末。荷兰Philips研究所的Dsenbruggen等人用微细

《制造技术与机床》　2001年第7期

电火花加工

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μ电火花加工技术成功地加工出了直径为<30m,精度

μ为0.5m的微孔。80年代末,随着MEMS技术的蓬勃兴起,以及这一时期现代电力电子技术的发展,尤其是线电极电火花磨削(WEDG)技术的逐步成熟与应用,成功地解决了微细电极的在线制作这一瓶颈问题,使得微细电火花加工技术进入了实用化阶段,并成为微细加工领域的热点研究内容之一。

WEDG已经成为微细高精度电极在线制作的有效手段。可以说,目前的微细电火花加工与WEDG是密不可分的。利用WEDG技术,日本东京大学增泽隆久

μμ等人已可加工出<2.5m的微细轴和<5m的微细孔,

代表了当前这一领域的世界前沿。在此基础上,应用WEDG技术进行微细工具制作,他们又研究了微细冲压加工、法、的成功制作,的加工。,将其作为微型机械技术研究领域的重要发展方向之一。国内南京航空航天大学和哈工大特种加工研究所也在此方面进行了卓有成效的探索。随着微型机械的发展和WEDG技术的逐步成熟,微细电火花加工技术的研究已经逐步拓展到了三维微细结构的加工中。据统计,微细电火花加工在电火花加工中所占的比重正逐年增加,目前已接近10%。

使用微小成型电极,利用传统的电火花成型加工方法进行微细三维轮廓加工显然是不现实的。这是因为复杂形状微小成型电极本身就极难甚至无法制作,而且由于加工过程中严重的电极损耗现象,将使成型电极的形状很快改变而无法进行高精度的微细三维曲面加工。90年代后,由于微细电极的成功制作,人们开始探索使用简单形状的微细电极,借鉴数控铣削的方法进行微三维结构的电火花加工。在这一研究领域,日本学者作出了突出的贡献。

1996年,日本三菱电机(株)的真柄卓司、汤泽隆等人利用微细电火花加工技术成功地制作出了由齿顶圆直径为<1.2mm的大齿轮、齿顶圆直径为<0.2mm的小齿轮和直径为<0.1mm的内心轴构成的、最深的加

μ工尺寸为270m的齿轮铸模。以微细电火花加工为主要技术手段,1997年7月,日本东京大学增泽隆久、余祖元等人利用简单形状的微细电极,制作出了长0.

5mm、宽0.2mm、深0.2mm的微型汽车模具并用此制作出了微型汽车模型。1997年,日本松下公司制作出了

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μμ分度圆直径为<300m、齿高50m的微型齿轮及宽

μμ

5m、长150m的微槽。1999年,日本庆应义塾大学谷村尚等人利用微细电火花加工技术加工出了直径为μμ<150m、尖端部半径为2.5m的扫描探针,并用其完成了三维表面的轮廓测量。312　气中放电加工

一般认为,绝缘性工作液(如煤油或去离子水等)在电火花加工中是不可替代的,其在加工中所起的冷却、排屑和压缩放电通道等作用使电火花加工得以稳定、可靠地进行。但液中放电加工也同样带来了加工设备庞大复杂、、

废气造成环境,。日本东京农工大学国枝正典等人对4]

人振奋的实验结果[3、。

气中放电加工时一般使用薄壁管状电极,加工中管状电极作回转和轴向伺服运动,高压气体从管中高速喷出以避免加工屑反粘凝固在电极和工件表面上,同时加速了熔融和汽化金属的抛出过程,并起到冷却电极的作用。国枝正典等人的研究发现,气中放电加工的最大优越性在于其加工过程中的电极损耗率极低并且几乎与脉冲宽度无关,这暗示了用气中放电进行窄脉宽精微电火花加工的可能性。图1a是他们得出的电极损耗实验曲线,图1b是加工出的三维型面实物照片。

(a)　　　　　　　　　　　(b)

5]

图1　气中放电加工的电极损耗率及三维型面加工实例[4、

313　混粉工作液电火花镜面加工

电火花加工后的工件表面一般较为粗糙,且表层有一层厚度不均、具有微裂纹和残余拉应力的“白层”,很难满足精度和表面质量要求较高零件的设计和使用要求。为此通常需要对电火花加工后的零件表面进行抛光处理,这不但增加了产品的制造周期和费用,而且抛光后工件型面的精度也难以保证。

80年代末日本学者毛利尚武等人在研究中发现,

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电火花加工

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在工作液中添加一定数量的硅、铝等微细粉末,会显著地改善电火花加工后的表面粗糙度,达到类似镜面的效果,从而提出了混粉电火花镜面加工技术。此后诸多学者从机理与工艺等方面对这种镜面加工技术展开了大量的实验研究。研究表明,在工作液中添加适量的Si、Al、Ni等粉末时,导致加工表面粗糙度改善的原因可能有:加工中放电间隙将明显增大,使放电对工件表面产生的冲击压力减小,从而使放电熔池中的熔融金属抛出量减小,形成较浅的放电蚀坑;金属及半导体粉末与工件加工表面之间将产生微放电,使放电电流分散于整个加工表面,形成放电分散,有效地防止了放电蚀坑的多次重叠;混粉粉末还将分散极间电容,从而使极间电容减小,有效地减小了放电脉冲能量。虽然目前对该项技术的研究还远未完善,看到了用EDM应用前景。

重视,一些高校与研究机构相继对此项技术进行了较为深入的研究与探讨。应用此项技术,目前哈尔滨工业大学已可加工出面积为100mm×100mm,表面粗糙

μ度值为Ra0.107m的光整表面。

314　非导电材料的电火花加工技术

近年来随着非导电工程陶瓷材料应用范围的日趋扩大,对其表面的加工性能要求也越来越高。但这些材料大多是典型的难加工材料,用传统的接触式加工方法一般很难满足其加工性能要求。长期以来,人们一直认为电火花加工的原理本身决定了其无法胜任对非导电材料的加工。但由于电火花加工是一个非接触的热物理作用过程,因此对电火花加工过程进行重新认识,探索其对非导电材料的适应性问题成为目前电火花加工领域的又一研究热点。

日本长冈技术科学大学福泽康等人基于工作液(如煤油)在火花放电时的炭化导电现象进行了这方面的研究。其加工原理如图2所示。在非导电陶瓷(工件)端装有导电的辅助电极,

这样在工具电极与辅助电极间就会产生通常的火花放电,并进而使非导电陶瓷材料得以蚀除。315　电火花表面处理及毛化技术

通常认为电火花加工是一个热物理作用过程,加工过程中其放电点附近可形成接近10000℃的局部高温。因此适当控制加工条件,并对工作液和电极材料进行适当处理,应能在被加工表面上形成抗磨损和抗

10　

图2　非导电材料EDM原理

11工具电极　21线性可调微分变压器　31辅助电极　41陶瓷工件

氧化性能良好的加工表层。日本丰田工业大学毛利尚

6]

武等人对此进行了较为深入的研究[5、。在小脉宽正

极性精加工条件下,用Si电极对Cr13和SUS304不锈钢,及用WC-Co粉末或Ti基粉末压缩成型电极对碳钢进行表面电火花强化处理,均取得了令人满意的结果,其表面的抗腐蚀性和耐磨损性均大为提高。文献[7、8]的研究也证实了电火花表面强化技术的良好应用前

景。

英国伯明翰大学的J.Simao及SparkTech公司的EI-Menshawy等人就冷轧辊表面的电火花毛化(EDT)技术进行了一系列卓有成效的研究[9]。研究表明,EDT工艺毛化后的轧辊表面的Ra均匀,再现性好,可

通过调节脉冲放电参数(如脉宽、脉间、峰值电流及电压等)来控制Ra的大小;其毛化表面的粗糙度选定范μ围较宽,可达Ra0.

5～10m;而且由于EDT工艺不受

被加工材料硬度的限制,因此允许轧辊选用高硬度和耐磨性好的材料;此外,由于火花放电所产生的局部高温,加上绝缘工作液的作用,使EDT对轧辊表面具有淬火作用,大大提高了轧辊表面硬度及轧辊使用寿命。由于火花放电过程的随机性,因而电火花毛化表面不具有单一的层面,使得喷漆效果好,没有方向性。

利用电火花加工时的物理现象进行加工表面的强化和毛化处理已在实际生产中得到应用,并取得了良好的经济效益。

316　电火花铣削加工技术

复杂形状成型电极的设计与制造是电火花成型加工缺乏加工“柔性”的一个重要原因。据统计,在通常的电火花模具制造过程中,成型电极的制作时间与费用可达总制造周期与费用的一半以上[10]。因此,自80年代后,国内外众多学者纷纷开始尝试使用简单形状的电极(如棒状电极),借鉴数控铣削的方法进行三维轮廓的电火花加工。

电火花铣削加工技术的出现被称为电火花加工技

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术发展史上的一个重要的里程碑[11]。它给传统电火

花成型加工所带来的变化是十分巨大的。

首先,由于省去了成型电极的设计与制造过程,大大地简化了电火花加工的工艺流程,进而提高了电火花加工对多变市场的快速响应能力。

其次,由于加工中采用简单形状电极在数控系统控制下进行走刀加工,因此将大大提高复杂型腔的加工稳定性和加工质量。在传统的电火花成型加工中,随着加工面积的增大及电容效应的影响,很难获得好的表面质量。而在采用简单形状电极的电火花铣削加工中,则可在保持相对较小加工面积的状态下进行加工,从而可以有效地减小电容效应的影响,获得更好的表面质量。而且在电火花铣削过程中,可有效地解决,程中,,避免电弧放电和短路现象的产生。

电火花铣削加工技术的出现,给电火花成型加工提供了一个崭新的思路,使得现代飞速发展的CAD/CAM技术、柔性制造技术、网络制造技术等能更好地融入到电火花加工中。同时,由于电火花加工时电极与工件之间没有宏观作用力,因此其工具电极可视加工需要而有旋转、分度(如用方形电极加工多边形)或不转(如用方形电极加工方腔)等多种运动形式,这种主轴运动的多样性是机械铣削加工所无法比拟的。目前,国内外从事电火花加工研究和设备生产厂家都在

大力研究和开发此项技术,其发展潜力是十分巨大的。

从以上电火花加工技术的发展趋势和工艺进展情况不难看出,随着科技发展和社会进步,电火花加工技术必将在未来的制造领域发挥更大的作用。

参考文献

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MethodofTita2niumAlloyusingEDMProcess.ISEM-XII,1997:503～512

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10　刘光壮.基于分层去除制造的电火花铣削加工技术的研究.哈尔滨

工业大学博士学位论文,1999,11

11　沈　洪.电火花加工技术发展的里程碑.电加工,1995(4)

第一作者:王振龙,哈尔滨工业大学(本部)421信箱,150001,电话:(0451)4616323

(编辑　罗冬梅)　　

(收修改稿日期:2000-10-29)　　

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