微细电火花加工技术

微细电火花加工技术

微细电火花加工技术的简要及背景

随着世界范围产品日益的小型化和精密化,作为非接触式精微制造方法之一的微细及小孔电火花加工技术以其超精细和高精度的加工特点倍受学术界和工业界关注,目前已经成为微机械制造领域的重要组成部分之一,在制造业中得以广泛应用。

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用，蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。

20世纪50年代初期,我国开始研究和试制电火花镀敷设备,即把硬质合金用电火花工艺镀敷在高速钢金属切削刀具和冷冲模刃口上,提高金属切削刀具和模具的使用寿命。同时我国还成功研制了电火花穿孔机,并广泛应用于柴油机喷嘴小孔的加工。60年代初,上海科学院电工研究所成功研制了我国第一台靠模仿形电火花线切割机床。随后又出现了具有我国特色的冷冲模工艺,即直接采用凸模打凹模的方法,使凸凹模配合的均匀性得到了保证,大大简化了工艺过程。60年代末,上海电表厂张维良工程师在阳极切割的基础上发明了我国独有的高速走丝线切割机床。上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。70年代随着电火花工艺装备的不断进步,电火花型腔模具成型加工工艺已经成熟。线切割工艺也从加工小型冷冲模发展到可以加工中型和较大型模具。切割厚度不断增加,加工精度也不断提高。80年代以来计算机技术飞速发展,电火花加工也引进了数控技术和电脑编程技术,数控系统的普及,使人们从繁重、琐碎的编程工作中解放出来,极大的提高了效率。目前计算机技术广泛应用于工业领域,电火花加工实现了数控化和无人化。美国、日本的一些电火花加工设备生产公司依靠其精密机械制造的雄厚实力,通过两轴、三轴和多轴数控系统、自动工具交换系统及采用多方向伺服的平动、摇动方案,解决了电火花加工技术中一系列实质性的问题。随着具有高精度、高刚度、高自动化、高加工表面粗糙度的机床不断出现,使加工的功能及范围不断扩大。如今,在国际上,电火花加工可以加工大至数十吨重的模具和零件,小至只有几微米的微孔。

微细电火花加工技术的原理

电火花加工基于电火花腐蚀原理,是在工具电极与工件电极相互靠近时,极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温,使局部金属融化,甚至汽化,从而将金属蚀除下来。

(1)极间介质的电离、击穿,形成放电通道

放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中型粒子组成,带电粒子高速运动,相互碰撞,产生大量热能,使通道温度升高,通道中心温度可达到10000摄氏度以上。由于放电开始阶段通道截面很小,而通道内有高温热膨胀形成的压力高达几万帕,高温高压的放电通道急速扩展,产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应,这就形成了肉眼所能看到的电火花。

(2)电极材料的融化,汽化热膨胀

液体介质被电离、击穿,形成放电通道后,通道间带负电的粒子奔向正极,带正电的粒子奔向负极,粒子间相互撞击,产生大量的热能,使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化,进而气化,然后高温向四周扩散,使两电极表面的金属材料开始融化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸汽瞬间体积猛增,形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时,可以看到工件与工具电极间有冒烟现象并听到轻微的爆炸声。

(3)电极材料的抛出

正负电极间产生的电火花现象,使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高,工作液和金属汽化后不断向外膨胀,形成内外瞬间压力差,高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤,抛出放电通道,大部分被抛入到工作液中。加工中看到的桔红色火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。

(4)极间介质的消电离

在电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散,那么产生的热量将不能及时传出,使该处介质局部过热,局部过热的工作液高温分解,结碳,使加工无法进行,并烧坏电极。因此为了保证电火花加工过程的正常进行,在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除,恢复放电通道的绝缘性,使工作液介质消电离实际上,电火花加工的过程远比上述复杂,它是电力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目前为止,

人们对电火花加工过程的了解还有限,需要进一步研究。

微细电火花加工技术的应用

1.陶瓷

为查明放电能量的有效性，对拥有优越绝缘性材料的机械零件化曾经是一个重要的课题。这是一项与陶瓷相关技术研制发端。作为材料的陶瓷，价格低，到手较为容易，除了绝缘性能之外，陶瓷的特点可以举出的是，拥有重量轻、刚度高、耐磨损性以及热环境状态下的稳定性优异。达到如此优越程度的材料没有被积极当作机械零件来使用的原因是，一般的常识认为韧性较低的缘故。所谓“热压件”的陶瓷确实拥有裂纹的缺点，但通过充分观察、分析、验证其加工过程有可能作为机械零件来使用不会有什么问题。在沙迪克公司电火花机床的实际生产中除了外部因素之外，陶瓷发生裂纹的机率为零。实际上，把该陶瓷作为机械零件材料，对发挥直线电机驱动的优越性却变成了一种重要的技术基础，也就是陶瓷本身的特点能最大限度的发挥出作为直线电机驱动优越性的高速、高加速、高响应的特性，同时，为了获得高精度特性在实施有成效的热对策方面带来了有效的成果。

2.直线电机驱动

旋转电机被分类成板极的直线电机驱动是一种直接驱动，无需所谓传递动力的进给丝杠，所以没有进给丝杠引起的间隙、爬行、扭曲和滞后等影响，从而确立了极为平滑的运动特性，能使优异的响应性产生高精度的轴驱动。由于采用高精度、高分辨率的直线光栅作为位置检测装置，恰好是在控制着自身的驱动。所以能成为在连续的时间轴上进行高精度位置

控制。对于电火花加工而言，高响应需要的伺服特性是支配加工性能的一个重要的因素，直线电机驱动的确是一种理想的执行元件。使用传统的进给丝杠，通过高精度的控制技术，并非不能实现一定程度的定位精度，但在纳米这种非常微小的领域中为保证优异的加工性能则需要在极高频率条件下的控制特性。因此，在进给丝杠摩擦状态中，除了磨损产生的时效变化问题之外，不能保持初期性能的这一缺点也是难以回避的。如果从一般的不利印象来看，还存在若干有关生产率、热效率和怀疑受磁力影响的声音。然而，沙迪克公司的直线电机是由自行研制的，所以对其基本性能进行了完整无缺的验证，并将每种机床所配置的控制特性皆确立了最优条件。所以，这类担心的事项一概不成问题，技术开发已全部完成。实际上，在确立停止、开动、停止这种不连续的简单动作中的安全性等方面，把不损害性能的性价比达到极限的机械构成品当作具体的事项也是重要的课题。除性能之外，应解决的众多课题皆被克服掉了，沙迪克公司已集聚了独家的技术窍门。

微细电火花加工技术在将来的应用前景

未来数控电火花加工技术的发展空间是十分广阔的。由于电火花加工过程本身的复杂性，迄今对电火花加工的机理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系统的工艺实验基础上完成的，所以对电火花加工机理的深入研究，并以此直接指导和应用于实践加工是数控电火花加工技术发展的根本。在现有技术水平的基础上，不断开发新工艺将是数控电火花加工技术发展方向。如数控电火花铣削加工是一种还不成熟的技术，值得继续研究的新工艺。数控电火花机床在结构设计、脉冲电源的开发方面将朝更合理、更具优势化的方向全面发展，提高加工性能，同时考虑降低机床制造的成本。数控电火花加工在控制技术上将朝自动化、智能化方面的更高层次发展，数控电火花加工的网络管理技术在高档机床上已有

应用，将逐步推广及应用，获取更好的系统管理效果。总之数控电火花技术以提高加工质量、提高加工效率、扩大加工范围、降低加工成本等为目标在模具工业中不断发展。在模具工业技术快速发展的新形势下，数控电火花加工技术已取得了突破性的进展，其不仅在过去及和现在的模具制造中被广泛应用，相信在今后的模具加工中其也必将发挥重要作用。量、提高加工效率、扩大加工范围、降低加工成本等为目标在模具工业中不断发展。