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1、電火花加工技術(shù)的最新進(jìn)展“特 種 加 工 ” 課 程 講 座 之 一江 開 勇 1 微 細(xì) 電 火 花 加 工 用 電 極 制 造一 、 微 細(xì) 電 火 花 加 工1.1單 發(fā) 放 點(diǎn) 微 細(xì) 電 極 成 形 法 日本的Hideki Takezawa等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了用單脈沖放電可以形成針狀電極的現(xiàn)象。在放電電流為3050A，單脈沖放電時(shí)間為幾百微秒的加工條件下，單脈沖放電能夠在瞬間把直徑100m的 鎢 電 極 加 工 成2040m的針狀電極。圖1是在100m鎢電極上加工出的35m的針狀電極，電極尖部的直徑大約為100nm。這種方法簡單、便捷、效率極高。 1.2 用 反 拷 法 加 工 微 細(xì)
2、 陳 列 電 極 日本京都工業(yè)大學(xué)的研究人員與松下電器分別研究了利用反拷法來陳列微細(xì)電極的方法。其原理就是首先利用WEDG法制作出單根微細(xì)電極，然后在中間工具電極板上加工出陣列孔，再利用具有陣列孔的中間工具電極對最終電極進(jìn)行反拷加工，從而生成高質(zhì)量的微細(xì)陳列電極。圖2為利用這種方法加工出來的微細(xì)陳列電極和利用微細(xì)陳列電極加工的微細(xì)陳列孔。由于可以利用中間工具電極的較小孔深加工出長徑比高得多的微細(xì)圓柱電極陳列，因此這種方法所制作出來的電極陳列可以用于多次加工。 1.3 原 位 孔 微 細(xì) 電 火 花 磨 削 法 日本的Minoru Yamazaki等人提出了利用圓柱電極自鉆的原位孔制作微細(xì)圓柱電
3、極的加工方法，其原理如圖3所示。首先，將圓柱電極作為電火花加工的負(fù)極，在板狀工件上利用火花放電加工出一個(gè)孔，然后電極返回到加工前的初始位置，將電極軸線相對于已加工出的孔中心偏離一定距離。改變圓柱電極和工件的極性，對回轉(zhuǎn)的圓柱工具電極進(jìn)行電火花反拷加工。如果利用過進(jìn)給放電間隙就能加工出任意直徑的圓柱微細(xì)電極。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不用附加任何工具電極制備裝置，簡單易行；具有較高的加工效率、尺寸精度，形狀重復(fù)精度容易保證。 1.3 用 LIGA制 作 微 細(xì) 電 極 利用成形法（Sinking EDM）加工微細(xì)結(jié)構(gòu)零件時(shí)遇到的最大難題是復(fù)雜形狀的電極制作。特別是微細(xì)結(jié)構(gòu)很難用傳統(tǒng)的機(jī)械加工或電加工方式實(shí)
4、現(xiàn)。為了解決這一問題，松下電器的Takahata與美國威斯康星大學(xué)的 Gianchandani研究了利用LIGA技術(shù)制造復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)電極的方法。采用這一方法可以獲得極其精細(xì)的微細(xì)結(jié)構(gòu)和極高加工精度、很高深度比的電極，而且可以一次制作出大量重復(fù)精度很高的微細(xì)電極。圖6是用LIGA技術(shù)制作出的復(fù)雜結(jié)構(gòu)微電極陳列及其細(xì)部。由圖可知，制成的銅電極截面和側(cè)壁質(zhì)量都非常高，重復(fù)精度非常好。 圖7所示為利用上述微細(xì)電極陣列一次套料加工出多個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)微細(xì)零件。這些零件的材料是WC-Co硬質(zhì)合金。他們還利用LIGA技術(shù)制作出文本1.2中所述的微細(xì)圓柱陳 列電極，并用其加工出陳列孔。 曝光光源照射刻蝕電鑄 結(jié)構(gòu)感
5、光膠金屬 曝光光源掩模版 金屬器件 SU-8膠基底光刻 去膠電鑄顯影 2 超 低 電 壓 微 細(xì) 電 火 花 加 工 方 法 進(jìn)一步縮小單脈沖去除量是微細(xì)電火花加工向更加微細(xì)乃至納米尺度加工方向發(fā)展的重要一環(huán)。然而由于分布電容的存在。實(shí)際能夠獲得的加工間隙等效電容很難做得很小。因此難以獲得更小得單個(gè)脈沖放電能量。日本學(xué)者江頭快（Kai Egashira）與水谷騰己（Katsumi Mizutani）利用低電源電壓技術(shù)進(jìn)行了放電加工得實(shí)驗(yàn)。得到了電源電壓在5V以上時(shí)，用直徑15m或 7m得鎢金屬電極，可以進(jìn)行平均電極進(jìn)給速度為5m/min的放電加工的事實(shí)；并采用20V的電源電壓，加工出直徑為1m
6、的微細(xì)軸，如圖8所示。 3 微 三 維 結(jié) 構(gòu) 的 微 細(xì) 電 火 花 加 工 上世紀(jì)90年代中期東京大學(xué)增澤隆久和余祖元發(fā)明了等損耗電極補(bǔ)償技術(shù)和分層銑削方法，從而使復(fù)雜微細(xì)三維結(jié)構(gòu)的電火花加工技術(shù)取得了重大突破。在實(shí)際加工中，往往電極的損耗很大，嚴(yán)重地影響加工精度。因此合理地進(jìn)行加工軌跡的規(guī)劃并進(jìn)行電極損耗的補(bǔ)償，是提高微細(xì)三維結(jié)構(gòu)電火花加工精度的核心技術(shù)。采用專門設(shè)計(jì)的微細(xì)電火花銑削CAD/CAM系統(tǒng)是保證加工精度、提高加工效率的關(guān)鍵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊洋博士所開發(fā)的微細(xì)電火花銑削專用CAD/CAM系統(tǒng)能夠針對微三維結(jié)構(gòu)的形狀，選擇最優(yōu)的加工路進(jìn)，從而保證自由曲面的加工精度。圖10是利用微
7、細(xì)電火花銑削方法在長軸為1mm的橢圓截面上 加工的人臉浮雕自由曲面。 東 京 大 學(xué) 內(nèi) 村 明 高 和 增 澤 隆 久 等 人 開 發(fā)了 微 細(xì) 電 火 花 車 床 ， 回 轉(zhuǎn) 類 工 件 在 加 工 中 被裝 夾 在 主 軸 上 ， 利 用 工 具 電 極 對 被 加 工 地 各回 轉(zhuǎn) 面 進(jìn) 行 加 工 ， 也 可 以 對 工 件 進(jìn) 行 分 度 加工 出 特 定 地 形 狀 。 該 方 法 不 僅 能 夠 進(jìn) 行 外表 面 加 工 ， 還 能 進(jìn) 行 內(nèi) 階 梯 孔 加 工 。 圖 11為利 用 微 細(xì) 電 火 花 車 削 加 工 的 樣 件 。 二 、 新 加 工 工 藝1.集 束
8、電 極 加 工 上海交通大學(xué)的趙萬生、顧琳等6提出集束電極這種制作三維自由型面電極的新方法。這種方法將一定數(shù)量細(xì)的棒狀或管狀電極單元捆成一束，再調(diào)整每根電極單元的長度進(jìn)而形成近似的電極型面。其制備原理圖如圖11 所示。 集束電極主要針對三維型腔材料大去除量的粗加工。它使用中空或圓形棒狀電極單元較傳統(tǒng)三維型面成型電極更適應(yīng)內(nèi)沖液，從而有更好的沖液效果，因此放電更加穩(wěn)定，加工性能更好。 2.近 干 式 電 火 花 加 工 近干式電火花加工是由美國密西根大學(xué)的J. Tao, A.J. Shih7提出的一種新的電火花加工方法，它加工采用噴射的氣液混合物作為放電介質(zhì)。其試驗(yàn)臺(tái)如圖12所示。干式和近 干式
9、加工中獲得高材料去除率或低表面粗糙度。 。 噴 霧 電 火 花 加 工 的 放 電 間 隙 比 干 式 電 火 花 加工 大 ， 因 而 可 以 有 效 地 減 小 短 路 率 。 通 過 壓 縮 空氣 、 氧 氣 或 氮 氣 與 水 所 生 成 的 霧 氣 具 有 成 本 低 的優(yōu) 勢 。 與 傳 統(tǒng) 電 火 花 加 工 相 比 ， 噴 霧 電 火 花 加 工可 大 大 減 少 火 災(zāi) 發(fā) 生 的 可 能 性 。 3.曲線孔點(diǎn)火花加工 日本大阪大學(xué)T. Ishida 等11突破傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為鉆孔方法只能加工直孔的觀念，發(fā)展了一種新加工方法，即用電火花加工的方式加工曲線孔，其試驗(yàn)裝置如圖16
10、所示。 圖16 曲線孔加工裝置原理圖圖17 加工效果圖 4.超硬磨料砂輪電加工修整加工 圖18 在線電解修整（Electrolytic in-process dressing，ELID）圖19在線電火花砂輪修銳(In-process electro-discharge dressing，IEDD) 圖20 接觸式放電修整法(Electro-contact discharge dressing，ECDD)圖21 絲電極放電修整(Wire electrical discharge dressing，WEDD) 電火花加工的新工藝技術(shù)開發(fā)總是圍繞新的應(yīng)用領(lǐng)域展開，如陶瓷加工、電火花沉積、電火花輝光放電表面強(qiáng)化等等，這里所補(bǔ)充的內(nèi)容仍然是不完整的。
電火花加工技術(shù)進(jìn)展
