电火花加工技术进展

电火花加工技术的最新进展“特 种 加 工 ” 课 程 讲 座 之 一江 开 勇 1 微 细 电 火 花 加 工 用 电 极 制 造一 、 微 细 电 火 花 加 工1.1单 发 放 点 微 细 电 极 成 形 法 日本的Hideki Takezawa等人在实验中发现了用单脉冲放电可以形成针状电极的现象。在放电电流为3050A，单脉冲放电时间为几百微秒的加工条件下，单脉冲放电能够在瞬间把直径100m的 钨 电 极 加 工 成2040m的针状电极。图1是在100m钨电极上加工出的35m的针状电极，电极尖部的直径大约为100nm。这种方法简单、便捷、效率极高。 1.2 用 反 拷 法 加 工 微 细 陈 列 电 极 日本京都工业大学的研究人员与松下电器分别研究了利用反拷法来陈列微细电极的方法。其原理就是首先利用WEDG法制作出单根微细电极，然后在中间工具电极板上加工出阵列孔，再利用具有阵列孔的中间工具电极对最终电极进行反拷加工，从而生成高质量的微细陈列电极。图2为利用这种方法加工出来的微细陈列电极和利用微细陈列电极加工的微细陈列孔。由于可以利用中间工具电极的较小孔深加工出长径比高得多的微细圆柱电极陈列，因此这种方法所制作出来的电极陈列可以用于多次加工。 1.3 原 位 孔 微 细 电 火 花 磨 削 法 日本的Minoru Yamazaki等人提出了利用圆柱电极自钻的原位孔制作微细圆柱电极的加工方法，其原理如图3所示。首先，将圆柱电极作为电火花加工的负极，在板状工件上利用火花放电加工出一个孔，然后电极返回到加工前的初始位置，将电极轴线相对于已加工出的孔中心偏离一定距离。改变圆柱电极和工件的极性，对回转的圆柱工具电极进行电火花反拷加工。如果利用过进给放电间隙就能加工出任意直径的圆柱微细电极。这种方法的优点是不用附加任何工具电极制备装置，简单易行；具有较高的加工效率、尺寸精度，形状重复精度容易保证。 1.3 用 LIGA制 作 微 细 电 极 利用成形法（Sinking EDM）加工微细结构零件时遇到的最大难题是复杂形状的电极制作。特别是微细结构很难用传统的机械加工或电加工方式实现。为了解决这一问题，松下电器的Takahata与美国威斯康星大学的 Gianchandani研究了利用LIGA技术制造复杂微细结构电极的方法。采用这一方法可以获得极其精细的微细结构和极高加工精度、很高深度比的电极，而且可以一次制作出大量重复精度很高的微细电极。图6是用LIGA技术制作出的复杂结构微电极陈列及其细部。由图可知，制成的铜电极截面和侧壁质量都非常高，重复精度非常好。 图7所示为利用上述微细电极阵列一次套料加工出多个复杂结构微细零件。这些零件的材料是WC-Co硬质合金。他们还利用LIGA技术制作出文本1.2中所述的微细圆柱陈 列电极，并用其加工出陈列孔。 曝光光源照射刻蚀电铸 结构感光胶金属 曝光光源掩模版 金属器件 SU-8胶基底光刻 去胶电铸显影 2 超 低 电 压 微 细 电 火 花 加 工 方 法 进一步缩小单脉冲去除量是微细电火花加工向更加微细乃至纳米尺度加工方向发展的重要一环。然而由于分布电容的存在。实际能够获得的加工间隙等效电容很难做得很小。因此难以获得更小得单个脉冲放电能量。日本学者江头快（Kai Egashira）与水谷腾己（Katsumi Mizutani）利用低电源电压技术进行了放电加工得实验。得到了电源电压在5V以上时，用直径15m或 7m得钨金属电极，可以进行平均电极进给速度为5m/min的放电加工的事实；并采用20V的电源电压，加工出直径为1m的微细轴，如图8所示。 3 微 三 维 结 构 的 微 细 电 火 花 加 工 上世纪90年代中期东京大学增泽隆久和余祖元发明了等损耗电极补偿技术和分层铣削方法，从而使复杂微细三维结构的电火花加工技术取得了重大突破。在实际加工中，往往电极的损耗很大，严重地影响加工精度。因此合理地进行加工轨迹的规划并进行电极损耗的补偿，是提高微细三维结构电火花加工精度的核心技术。采用专门设计的微细电火花铣削CAD/CAM系统是保证加工精度、提高加工效率的关键。哈尔滨工业大学杨洋博士所开发的微细电火花铣削专用CAD/CAM系统能够针对微三维结构的形状，选择最优的加工路进，从而保证自由曲面的加工精度。图10是利用微细电火花铣削方法在长轴为1mm的椭圆截面上 加工的人脸浮雕自由曲面。 东 京 大 学 内 村 明 高 和 增 泽 隆 久 等 人 开 发了 微 细 电 火 花 车 床 ， 回 转 类 工 件 在 加 工 中 被装 夹 在 主 轴 上 ， 利 用 工 具 电 极 对 被 加 工 地 各回 转 面 进 行 加 工 ， 也 可 以 对 工 件 进 行 分 度 加工 出 特 定 地 形 状 。 该 方 法 不 仅 能 够 进 行 外表 面 加 工 ， 还 能 进 行 内 阶 梯 孔 加 工 。 图 11为利 用 微 细 电 火 花 车 削 加 工 的 样 件 。 二 、 新 加 工 工 艺1.集 束 电 极 加 工 上海交通大学的赵万生、顾琳等6提出集束电极这种制作三维自由型面电极的新方法。这种方法将一定数量细的棒状或管状电极单元捆成一束，再调整每根电极单元的长度进而形成近似的电极型面。其制备原理图如图11 所示。 集束电极主要针对三维型腔材料大去除量的粗加工。它使用中空或圆形棒状电极单元较传统三维型面成型电极更适应内冲液，从而有更好的冲液效果，因此放电更加稳定，加工性能更好。 2.近 干 式 电 火 花 加 工 近干式电火花加工是由美国密西根大学的J. Tao, A.J. Shih7提出的一种新的电火花加工方法，它加工采用喷射的气液混合物作为放电介质。其试验台如图12所示。干式和近 干式加工中获得高材料去除率或低表面粗糙度。 。 喷 雾 电 火 花 加 工 的 放 电 间 隙 比 干 式 电 火 花 加工 大 ， 因 而 可 以 有 效 地 减 小 短 路 率 。 通 过 压 缩 空气 、 氧 气 或 氮 气 与 水 所 生 成 的 雾 气 具 有 成 本 低 的优 势 。 与 传 统 电 火 花 加 工 相 比 ， 喷 雾 电 火 花 加 工可 大 大 减 少 火 灾 发 生 的 可 能 性 。 3.曲线孔点火花加工 日本大阪大学T. Ishida 等11突破传统观念中认为钻孔方法只能加工直孔的观念，发展了一种新加工方法，即用电火花加工的方式加工曲线孔，其试验装置如图16 所示。 图16 曲线孔加工装置原理图图17 加工效果图 4.超硬磨料砂轮电加工修整加工 图18 在线电解修整（Electrolytic in-process dressing，ELID）图19在线电火花砂轮修锐(In-process electro-discharge dressing，IEDD) 图20 接触式放电修整法(Electro-contact discharge dressing，ECDD)图21 丝电极放电修整(Wire electrical discharge dressing，WEDD) 电火花加工的新工艺技术开发总是围绕新的应用领域展开，如陶瓷加工、电火花沉积、电火花辉光放电表面强化等等，这里所补充的内容仍然是不完整的。