特种加工
特种加工
1．特种加工的含义：特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的非传统加工方法；它与传统切削加工的不同特点主要有：1）不是主要依靠机械能；2）工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度；3）在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用（工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件）。
特种加工的优势：1）特种加工技术可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非金属材料或复合材料，2）特别适合于加工复杂、微细表面和低刚度的零件；3）还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级（原子级）的加工。
2.结合加工（增材加工）的例子：电镀、电铸、快速成形加工、激光焊接等。
3.天然金刚石刀具是精密与超精密加工的基本刀具。
4.超精密加工的实现条件：1）超精密加工的机理与工艺方法；2）超精密加工工艺装备；3）超精密加工工具；4）超精密加工中的工件材料；5）精密测量及误差补偿技术；6）超精密加工工作环境、条件等。
5.超精密机床的主轴部件：主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。
超精密加工对主轴的要求是极高的回转精度，转动平稳，无振动，而满足该要求的关键在于所用的精密轴承。
高精度的滚动轴承主轴制造困难，因此现在多使用液体静压轴承和空气静压轴承。
1）液体静压轴承主轴优点：具有回转精度高、刚度较高、转动平稳、无振动的特点（被广泛用于超精密机床）缺点：1.油温随转速的升高而升高，造成热变形，影响主轴精度 2.静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，因而降低了液体静压轴承的刚度和运动性。
2）空气静压轴承主轴优点：具有很高的回转精度，在高速转动时温升甚小，基本达到恒温状态，因此造成的热变形误差很小；缺点：与液体静压轴承相比，空气轴承刚度低，承受载荷较小。
6.主轴的驱动方式：1）柔性联轴器驱动；2）内装式同轴电动机驱动。
7.常用的导轨部件：超精密机床常采用平面导轨结构的液体静压导轨和空气静压导轨，滚动导轨也有着广泛的应用。
特种加工综合实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解特种加工的基本原理和工艺特点；2. 掌握特种加工设备的操作方法；3. 熟悉特种加工实验流程；4. 培养学生独立完成实验的能力和团队合作精神。
二、实验原理特种加工是指利用机、电、光、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工，以达到零件设计要求的各种非传统加工方法的总称。
特种加工具有微细加工、高精度、高表面质量、非接触加工等特点。
三、实验设备与材料1. 实验设备：电火花成型加工机床、数控加工中心、超声波加工设备、激光加工设备等；2. 实验材料：不锈钢、铝合金、铜合金等。
四、实验内容1. 电火花成型加工实验（1）了解电火花成型加工机床的结构和原理；（2）学习电火花成型加工工艺参数的设置；（3）进行电火花成型加工实验，观察加工效果。
2. 数控加工实验（1）了解数控加工中心的结构和原理；（2）学习数控编程方法；（3）进行数控加工实验，观察加工效果。
3. 超声波加工实验（1）了解超声波加工设备的工作原理；（2）学习超声波加工工艺参数的设置；（3）进行超声波加工实验，观察加工效果。
4. 激光加工实验（1）了解激光加工设备的工作原理；（2）学习激光加工工艺参数的设置；（3）进行激光加工实验，观察加工效果。
五、实验步骤1. 实验准备（1）检查实验设备是否正常；（2）准备好实验材料；（3）熟悉实验步骤和注意事项。
2. 电火花成型加工实验（1）设置电火花成型加工机床的参数；（2）进行加工实验，观察加工效果；（3）记录实验数据。
3. 数控加工实验（1）编写数控加工程序；（2）设置数控加工中心参数；（3）进行加工实验，观察加工效果；（4）记录实验数据。
4. 超声波加工实验（1）设置超声波加工设备参数；（2）进行加工实验，观察加工效果；（3）记录实验数据。
5. 激光加工实验（1）设置激光加工设备参数；（2）进行加工实验，观察加工效果；（3）记录实验数据。
六、实验结果与分析1. 电火花成型加工实验（1）加工效果：工件表面光滑，尺寸精度高；（2）分析：电火花成型加工具有高精度、高表面质量的特点，适用于加工形状复杂、尺寸精度要求高的零件。
列举五种特种加工方法
1.热处理：热处理是一种特殊的加工方法，它通过改变材料的组织结构，改变材料的性能，以满足特定的要求。
热处理可以改变材料的硬度、
强度、疲劳强度、耐腐蚀性、抗拉强度等性能。
2.激光加工：激光加工是一种特殊的加工方法，它利用激光束的热能，将材料表面的熔融层切割或熔化，以达到加工的目的。
激光加工可以
实现高精度、高速度、高效率的加工，并且可以实现复杂形状的加工。
3.火花机加工：火花机加工是一种特殊的加工方法，它利用火花机的高速旋转刀具，将材料表面的熔融层切割或熔化，以达到加工的目的。
火花机加工可以实现高精度、高速度、高效率的加工，并且可以实现
复杂形状的加工。
4.电火花加工：电火花加工是一种特殊的加工方法，它利用电火花的高速旋转刀具，将材料表面的熔融层切割或熔化，以达到加工的目的。
电火花加工可以实现高精度、高速度、高效率的加工，并且可以实现
复杂形状的加工。
5.气体保护焊接：气体保护焊接是一种特殊的加工方法，它利用气体保护焊接的高速旋转刀具，将材料表面的熔融层切割或熔化，以达到加
工的目的。
气体保护焊接可以实现高精度、高速度、高效率的加工，
并且可以实现复杂形状的加工。
特种加工
第一章概论1特种加工又称非传统加工（NTM）或非常规机械加工（NCM）2特种加工与切削加工的不同点：不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（电、光、声、热、化学）去处金属材料；工具硬度可以低于被加工材料硬度；加工过程中工具与工件之间不存在显著的机械切削力。
3特种加工的分类缩写：电火花加工：电火花成形加工EDM;电火花线切割加工WEDM；电化学加工：电解加工ECM；电解磨削EGM；电解研磨ECH;电铸EFM；涂镀EPM。
激光加工:激光切割、打孔LBM；激光打标记LBM；激光处理、表面改性LBT。
电子束加工：切割焊接打孔EBM离子束加工：蚀刻、镀覆、注入IBM。
等离子弧加工：切割（喷镀）PAM超声加工：切割打孔雕刻USM化学加工：化学铣削CHM；化学抛光CHP；光刻PCM快速成形：液相固化法SL；粉末烧结法SLS；纸片叠层法LOM；熔丝堆积法FDM4特种加工对材料可加工性和结构工艺性的影响：1提高了材料的可加工性；2改变了零件的典型工艺路线；3改变了试制新产品的模式；4对产品零件的结构设计带来很大影响；5对传统结构工艺性好坏需要重新衡量；6已经成为微细加工和纳米加工的主要手段。
第二章电火花加工一：定义：EDM，又称放电加工。
它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。
二：原理：在一定介质（煤油或水）基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状和表面质量预定的加工要求。
三：电火花加工的条件：必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，通常约为0.02~0.1mm；火花放电必须是瞬时的脉冲性放电；火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化液或去离子水。
四：优点1适合于任何难切削导电材料的加工2可以加工特殊及复杂形状的表面和零件局限性1主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料2一般加工速度较慢3存在电极损耗五：电火花加工的机理：1极间介质的电离、击穿，形成放电通道2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀（5000度以上）3电极材料的抛出（通道中心的压力最高）4极间介质的消电离六：影响材料放电腐蚀的主要因素1极性效应：在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。
特种加工
特种加工：特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。
激光热加工：是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。
复合加工：把两种特种加工方法复合在一起，或者把一种或两种特种加工方法和常规机械加工方法复合在一起，使之相辅相成、相得益彰的加工工艺，例如电解电火花加工、电解电火花磨削等。
极化：在外电源的作用下，使阳极的电极电位向正移（代数值增大）、阴极的电极电位向负移（代数值减少）。
这种现象称为极化极间介质消电离：电火花加工中当脉冲电压结束时，放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免总是在同一处重复放电。
光化学反应加工：是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。
包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
平衡间隙：当电解加工一定时间后，工件的溶解速度和阴极的进给速度相等，加工过程达到动态平衡，此时的加工间隙为平衡间隙。
极性效应:电火花加工时，相同材料两电极的被腐蚀量是不同的。
其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。
电极相对损耗（电火花加工中）：指工具电极损耗速度ve与工件蚀除速度vw之比的百分数，即θ=Ve/Vw×100% 。
空化作用：在超声波加工中当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合。
为什么慢走丝比快走丝加工精度高？1）电极丝：快走丝用的是往复运动的钼丝，长时间加工，丝径减小，加工尺寸就变大。
慢走丝用的是一次性的铜丝或者镀锌丝等，从工件上只进行一次放电，不错往复使用。
2）机床的丝杠和导轨检测：快走丝没有闭环检测功能。
特种加工
特种加工第一节特种加工综述一、特种加工产生背景随着工业生产及科学技术的发展，工业产品向高精度、高速度、高温、高压等方向发展，使用的材料越来越难于加工，零件形状更加复杂，零件尺寸精度要求愈来愈高，粗糙度值要求愈来愈小。
因此，仅仅依靠传统的切削加工方法，就很难满足要求。
为了解决各种难加工材料的加工问题，如对硬质合金、钛合金、不锈钢的加工；为了解决特殊、复杂表面和精密细小零件的加工，如汽轮机叶片、立体成型表面的锻模、细小孔的喷丝头等的加工；为了解决对表面质量、精度等有特殊要求的零件加工问题，特种加工新工艺逐步发展起来。
二、特种加工的特点特种加工是指切削加工以外的一些新的加工方法。
它与传统的机械加工方法相比，有以下特点：（一）特种加工不是依靠机械能，而是利用电能、声能、光能或化学能来除去工件上多余材料。
（二）机械加工用的工具硬度是不能低于加工材料的，但特种加工用的工具硬度却可以低于被加工材料的硬度，实现了“以柔克刚”。
（三）特种加工中工具与工件间不存在显著的机械切削力，不产生宏观切屑，不产生强烈的弹、塑性变形，故可获得很低的表面粗糙度Ra值。
三、各种特种加工方法的比较表7-1就各种特种加工方法的工艺能力和经济性、适用的工件形状和材料进行了综合比较。
本章就电火花加工、电解加工、激光加工的工作原理、特点及应用场合作简单介绍。
注：○最适合△适合×不适合第二节电火花加工一、电火花加工的基本原理电火花加工是基于在工具与工件之间形成脉冲火花放电时产生的电腐蚀来除去多余金属，以达到加工目的。
图7-1为电火花加工装置原理图，脉冲发生器1的两极分别接在工具电极2与工件3上，当两极在工作液4中靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电，在放电通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度（10000℃），使表面局部金属熔化甚至气化而被蚀除，形成一个微小的凹坑。
多次放电的结果，电极和工件的表面由无数极小凹坑所组成，如图7-2所示。
特种加工名词解释
特种加工名词解释
"特种加工"通常指的是对某些特殊材料或在特定环境下进行的加工处理。
以下是一些常见的特种加工名词解释：
1. 激光切割：使用高能激光束对金属或非金属材料进行切割，适用于高精度要求的材料加工。
2. 电火花加工：利用电脉冲放电原理，在导电材料上形成微小的放电火花，从而加工出精密零部件或模具。
3. 等离子切割：使用等离子弧将金属材料进行切割，适用于较厚的金属板材。
4. 化学加工：通过化学方法对金属表面进行特殊处理，如酸洗、电镀等，以改善其性能或外观。
5. 超声波加工：利用超声波振动进行加工，适用于微细加工和特殊材料的加工。
这些特种加工方式通常用于特殊材料、复杂结构或对精度要求较高的零部件制造中，以满足特定的工艺需求和产品要求。
特种加工知识点总结
特种加工知识点总结一、特种加工的基本概念特种加工是相对于普通的机械加工而言的，它的加工对象往往是一些特殊材料或者特殊形状的工件。
特种加工包括磨削加工、化学加工、电火花加工、激光加工等多种具有特殊技术要求的加工方法。
特种加工需要根据不同的加工对象和加工要求选择不同的加工方法和设备，因此对操作人员的技术水平要求较高。
二、特种加工的技术要求1. 精度要求高：特种加工往往是为了满足工件的高精度要求而进行的，因此在加工过程中需要对加工设备和工艺进行严格把控，保证加工精度的稳定和可靠。
2. 加工工艺复杂：特种加工往往需要在特殊的环境条件下进行，需要使用特殊的工艺方法和设备，操作人员需要具备丰富的经验和技术知识才能胜任。
3. 安全要求高：特种加工通常涉及到高温、高压、有毒物质等危险因素，因此需要对操作人员进行严格的安全培训，严格执行安全操作规程，确保操作人员的人身安全。
4. 对操作人员的技术水平要求高：特种加工往往需要经过专门的培训和技术储备才能胜任，要求操作人员具备丰富的经验和较高的技术水平。
三、常见的特种加工方法1. 磨削加工：磨削加工是利用磨削工具对工件进行切削加工的一种加工方法，它可以获得高精度和良好的表面质量，适用于对硬度较高的材料和高精度要求的工件进行加工。
2. 化学加工：化学加工是利用化学腐蚀或化学反应对工件表面进行加工的一种加工方法，它可以对工件进行精细的加工，尤其适用于对薄壁、复杂结构的工件进行加工。
3. 电火花加工：电火花加工是利用电火花在工件表面产生放电，通过放电烧蚀工件表面的一种加工方法，适用于对硬度很高的材料进行加工。
4. 激光加工：激光加工是利用激光束对工件进行加工的一种加工方法，它可以进行高精度、高速度、无接触的加工，适用于对特殊形状和特殊材料进行加工。
四、特种加工的应用领域1. 航空航天领域：航空航天领域对零部件的精密度和表面质量有着很高的要求，因此需要利用特种加工方法对零部件进行加工，以满足其高精度要求。
特 种 加 工
电解开始时，阴、阳极间各点距离不等，电流密 度不等，阴、阳极距离较近处的电流密度较大，电解 液的流速较高，阳极溶解速度较快，如左图所示。
由于工具相对于工件表面不断进给，故工件表面 不断被电解，电解产物不断被电解液带走，直至工件 表面形成与阳极表面基本相似的形状为止，如右图所 示。
二、加工特点
（1）电解加工可以加 工高硬度、高强度和高韧性 的材料，并且可以一次性加 工出形状复杂的型面和型腔， 且不产生毛刺。
此时的振幅一般较小，再通过变幅杆，使固定 在变幅杆端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。磨 料在工具的超声频振动（16～25kHz）作用下，以 高速不断撞击、抛磨工件表面，实现加工。
3．加工特点
（1）电火花成形加工适用于小孔、薄壁、窄槽以 及各种复杂形状零件的加工，也适用于精密微细加工。
（2）脉冲参数可任意调节，可以在不更换机床的 情况下连续进行粗、半精、精加工，并且精加工后精度 高。
（3）加工范围非常广，可以加工任何硬、脆、软 及高熔点的导电材料，在一定条件下，甚至可以加工半 导体和绝缘材料。
2．极性效应
在脉冲放电过程中，由工件和工具构成的阴、阳 电极都会被蚀除，但其蚀除速度不同，这种现象称为 极性效应。将工件接阳极加工时，称为正极性加工； 将工件接阴极加工时，称为负极性加工。
产生极性效应的基本原因是由于电子的质量小， 惯性小，能够很快地获得高速度到达阳极，轰击阳极表 面；而正离子由于质量大，惯性也大，在相同时间内获 得的速度远小于电子。
（2）电解加工中，工具电极是阴极，阴极上只发 生氢气和沉淀而无溶解作用，因此工具电极无损耗。
（3）加工过程中，无机械力和切削热的作用，因 此不存在应力和变形。
（4）电解加工的生产率较高，约为电火花加工的 5～10倍，且生产率不受加工精度和表面粗糙度的限制。
特种加工 小结
特种加工小结特种加工是一种针对特殊材料或特殊工艺加工制造的加工方式。
特种加工具有高精度、高效率、高质量的特点，被广泛应用于航空航天、军事、能源、汽车等高技术领域。
本文对特种加工进行小结，主要包括其定义和特点、应用领域以及发展趋势等方面的内容。
特种加工是指对特殊材料或特殊零件的加工制造过程。
特殊材料可以是高温合金、硬质合金、复合材料等，特殊零件可以是叶片、模具、轴承等。
特种加工主要包括磨削加工、电火花加工、激光加工、超声波加工等多种技术。
这些加工方式具有高精度、高效率、高质量的特点，可以满足复杂零件的加工需求。
特种加工在航空航天、军事、能源、汽车等高技术领域具有广泛的应用。
航空航天领域对零件精度要求高，特种加工可以满足制造高精度零件的需求；军事领域需要制造轻质高强度零件，特种加工可以加工复合材料；能源领域需要提高燃烧效率和节能减排，特种加工可以制造高效能的零件；汽车领域需要提高安全性和降低噪音振动，特种加工可以加工多孔材料和陶瓷材料。
特种加工的发展趋势主要包括三个方面。
第一，加工技术的不断创新和发展。
随着科学技术的进步，特种加工技术不断更新换代，应用范围不断扩大。
例如，激光加工技术在微加工领域有广泛应用，可以制造微型零件和微机电系统。
第二，设备的自动化和智能化程度不断提高。
特种加工设备的自动化程度越高，生产效率越高，能够满足更高的加工要求。
第三，特种加工与信息技术的融合。
特种加工与信息技术的融合可以实现全过程的数字化管理和控制，提高生产效率和产品质量。
总的来说，特种加工是一种针对特殊材料或特殊工艺加工制造的加工方式，具有高精度、高效率、高质量的特点。
特种加工在航空航天、军事、能源、汽车等高技术领域具有广泛的应用。
特种加工的发展趋势主要包括加工技术的创新和发展、设备的自动化和智能化程度的提高以及与信息技术的融合。
特种加工的发展将为高技术产业的发展提供坚实的技术支持和保证。
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3. 微 3 维结构的微细电火花加工
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 3 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 3 维曲面加工。20 世纪 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 3 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) 的汤泽隆等[10]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、 最深部的加工尺寸为 270μ m 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分度圆直径为 300μ m、齿高 50μ m 的微 型齿轮及 5μ m 宽、150μ m 长的微槽。1999 年,日本庆应义塾大学谷村尚等利用 微细电火花加工技术加工出了直径为 150μ m、尖端部·895·微细电火花加工技 术的研究进展——王振龙赵万生狄士春等半径为 2.5μ m 的扫描探针,并用其完 成了 3 维表面的轮廓测量。 微细电火花加工技术所显示出的巨大加工潜力和应用 背景也引起了欧美等国学者的高度重视。北美特种加工方面的权威研究机构 UNL 大学的非传统制造研究中心于 1998 年引进日本的微细电火花加工设备和来自日 本等国的研究人员,在国家自然科学基金(NSF)的资助下,开始了微细电火花加工 方面的研究。 美国 Optimation 公司也开展了大量的微细电火花加工的应用研究, 如加工出微型气动、 光学器件,高能激光光圈等,并将其应用到航空航天及医疗等 微型机械中。 比利时鲁文天主教大学机械系运用微细电火花加工方法开展了大量 微型机械传感器件、执行器件的加工研究,取得了大量成果。用这种方法加工出 的气体薄膜微致动器,可输出的切向力达 20μ N,驱动滑块以 5cm/s 的速度移动。 用旋转盘状电极在钛合金(Ti-6Al-4V)上加工出了宽 42μ m、深 1.02mm 深的微细 槽。在硅微细加工方面,微细电火花加工也显示出了良好的潜力,如可在 650μ m 厚的硅片上加工出 30μ m 宽的窄线。这些研究成果的取得,进一步拓宽了微细电 火花加工的应用领域,加速了微细电火花加工技术与微机电系统技术一体化的进 程,证实了用微细电火花加工技术进行微细 3 维结构加工,用半导体工艺实现运 算和控制功能的混合技术的可行性。另外,新加坡国立技术大学、印度工学院、 我国台湾中央大学等也在积极开展此方面的研究工作。 为利用简单形状的电极进 行复杂形状,尤其是具有尖角锐边的微孔加工,日本冈山大学冈田晃等提出了用 三角形截面电极进行复杂形状微孔加工的方法。 这种方法使用经过拉拔成型的三 角形截面银电极,利用精密数控技术较好地解决了成型加工中复杂成型微细电极 制作困难及线切割加工中尖角变钝等技术难题,成功地加工出了五边形及六边形 等具有尖角的微孔。虽然从原理上讲这种方法本身并没有太大的想象空间,但这 至少从另一个侧面告诉我们,用电火花加工技术实现微细加工的途径可能还有很
上。这种方法的关键点是微细成型电极的制备。通常是采用 LIGA 技术或类似的 方法。是 LIGA 电极和加工的微细齿轮。这种方法可以一次性加工多个微细性形 状。 然而,成型电极的制备和在机床上的校准是一项挑战,也不适用于任意三维微 细形状的加工。 微细轮廓加工是采用单纯形状电极,如圆形或方形电极,通过控制 其加工轨迹。
微细电火花加工
赖铭滔 摘要 :微细电火花加工作为微细加工技术的一种 , 可以在任何导电材料上加工 高精度 、 大深宽比微细三维型腔 , 以满足日益增长的产品微小型化需求，论 述了线电极电火花磨削技术的原理及在微细加工中的作用。 结合电火花加工过程 中无宏观作用力的特点 ,论述了微细电火花加工装置微小型化的可行性和几种 主要形式。 关键词：微细电火花加工/( micro electrical discharge machining ) CAD/CAM 微 3 维结构/(Micro 3 d structure)
引言
作为微细加工技术的其中之一的微细电火花加工 ,可用于加工所有导电材 料，而不考虑材 料的硬度等机械性能。由于加工过程中不存在工具与工件的机 械接触 ,因此可采用硬度较低的导电材料作为工具材料。 微细电火花加工技术广 泛应用于微孔、 微小零部件和微型模具的加工。本文将介绍微细电火花加工技术 的基本原理，三维微细电火花加工。
在微细电火花加工中,每一层的加工可以简化为图 3。每一层的电极进给(△ )z 可以分为 两部分:损耗长度(eL)和剩余电极长度(wL)。 假设剩余长度为每层的平均深度,根据相对体积消 耗率定义,可以得出损耗长度的补偿公式
式中:R 是相对体积损耗率;Se 是电极的截面积;Sw 是该层的截面积。 包括斜面和球面在内的任意三维形状可以采用 CAD/CAM 系统设计,其加工轨 迹也可以根据系统内所设计零件的几何形状和尺寸生成。由于现有的 CAD/CAM 系统是用于传统机械加工,没有考虑加工中的工具损耗问题。 因此,为了在有工具 损耗情况下加工任意三维形状,需要将均匀损耗法与 CAD/CAM 集成,并对加工轨 迹调整,以补偿工具长度的损耗。 图 4 是均匀消耗法与 CADC/AM 集成的结构简图。 以图 5 中的零件为例,它由三部分构成:方形形腔(450μmx4soμmx4oμm)有 45。 斜面,底径为 20μm和侧壁半径为 100μm的圆弧面,中 J 已、的角锥尺寸为 60μmx6oμmx120μm,。首先将该形腔按每层.05μm分割,利用 CAM 模块按均匀损 耗法规则生成铣削加工轨迹。为了获得平坦底面,每层加工轨迹按主切削角 0o 和 90。生成两套轨迹。每两层加工完成后,更换主切削角的数据,即从两套轨迹 数据中,每两层交替提取数据。每层的加工深度则根据损耗补偿模型计算实际的 电极进给深度。计算的补偿电极长度约为70μm。为加工的结果,图 7 是其他的任 意三维复杂微细形状的加工样。
多。 事实上,微细电火花加工技术与 MEMS 及其它微细加工技术是相辅相成的。表 1 列出了几种典型微细加工技术的特点及其适用的加工对象。充分发挥各自的技 术特点,将两种或两种以上的微细加工技术进行有效集成,将是新世纪微细加工 技术发展的必然趋势之一。如光刻技术一般只能进行 2.5 维加工,而微细电火花 加工则没有这种限制。 因此,用微细电火花加工技术制作硅 3 维微结构,再用光刻 等 MEMS 技术在其上进行微电路刻蚀,无疑将会使微型机械具有更好的集成性和 智能性。
用于电火花的脉冲发生器有两种:方波脉冲发生器(开关电路)和 RC 脉冲发 生器,如图 2 所示。传统电火花加工机床采用开关电路(图 2,(a)),其最小脉冲能 量为 l 协 J(放电电流=0.SA,脉宽=0.1 微秒)。 这个级别电脉冲能量在微细电火花 加工只适用于粗加工或半径加工。为了降低电脉冲能量,必须采用纳秒级电源, 进一步缩短电脉冲脉宽(on 一 itme)。 然而,击穿电极与工件之间的绝缘层需要一 定的能量(电压),实现高电压窄脉宽的能量输出具有一定的困难。另一种脉冲电 源是基于 RC 电路(图 2(b))。可以很方便地通过调节电容大小,控制脉宽,从而降 低电脉冲能量。比如,采用 ZPF 电容和电压 6OV 时,放电能量为 3.snJ。这种脉冲 发生器结构简单、经济实用,被广泛应用于微细电火花加工设备或实验装置上。
4.结论
现代制造技术的发展有两大趋势,一是现代制造系统的自动化技术;另一个 就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。探索有效实用的微细加工技术,并 使其能在工业生产中得到应用。作为一种经济实用的微细加工技术,微细电火花 加工正受到世界各国学者的普遍关注。这项技术的发展历史虽然不长,但其在微 细轴、孔加工及微 3 维结构制作方面所显示出的潜力无疑是十分巨大的,电极均 匀损耗法和电极损耗长度补偿模型,并加工了微型汽车模具;为了实现任意三维 微细形状加工,将 CADC/CAM 与均匀损耗法集成,成功地加工了复杂微细型腔;. 而且相对于其他微细加工技术而言,其设备简单,可实施性强。 因此在我国深入开 展此方面的研究具有十分重要的现实意义。
2. 微细电火花加工的基本原理
电火花加工过程如图 l 所示。 电极和工件都置于绝缘介质中;当电脉冲加载
工件和电极时 (图 1 ( a) ) , 电子和离子分别向阴极和阳极移动 , 导致电极 和工件间的绝缘层击穿,形成过程放电通道 (图 1 ( b ) ) ; 具有几千度高温的 放电通道溶化和部分汽化其两端连接电极和工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的部分 , 并汽化周围的绝缘介 质 , 形成气泡 (图 1 ( c ) ) ; 当电脉冲结束时, 周围的低温绝缘液与电极和 工件溶化的部分接触 , 产生爆炸 , 工件溶化的部分被吹入绝缘介质中, 形成 加工屑 , 在其表面留有一个浅坑 , 完成材料去除 ; 同理 , 电极部分的浅坑 表明加工过程存在工具损耗 (图 l ( d ) )
目前,微细电火花加工技术根据电极形式,可分为微细线切割、 微细成型和微细轮 廓加工三种方式。微细线切割采用 20 林 m 或 30 林 m 的钨丝或其合金,从金属薄 板上加工切割微细零件,如图 3 所示。 这种方式优点是以少量的材料去除,直接加 工微细零件。 缺点是被加工形状的最小半径受细线的直径限制;加工中空形状时, 细线穿孔难度大;为保障加工中不产生断裂,对细线的张力和加工状态控制要求 很高。微细成型电火花加工是采用微细成型电极在微细电火花加工机床上,通过 检坝(加工状态,调整电极与工件之间的间隙,将微细成型电极的形状拷贝在工件
1．微细电火花加工的的概念及发展
微细加工与微细电火花加工产品的微型化是现代生产所追求的目标之一， 而 微细加工是实现产品零部件微型化的最基本技术 ,它已成为涉及机械、电子、化 学、材料等多 种学科的现代高技术。这是因为目前条件下,光刻、沉积等微电子 机械技术一般擅长于进行平面图形或深度不是很大的直壁零件的微细加工。 而未 来社会对微细加工技术的需求很大程度上体现在 3 维微细结构的成功制作上。 LIGA 技术在微 3 维结构制作上所取得的成就令 世人瞩目 ,但其昂贵的设备投资 也同样令人却步。 从世界范围的微细加工技术的发展应用而言 ,欧 美等国倾向 于硅微结构的制作 ,即微电子机械领域;而日本则更注重用传统的加工方法和特 种加 工方法从宏观尺寸零件的加工向微观尺度的零件加工逼近。实现精密、微 细加工的一个重要条件是加工 单位尽可能小。而在电火花加工过程中 ,其加工 单 (即每次放电的蚀除量 )只取决于单个放电脉冲的能量。 随着现代电力电子技 术的发展 ,电火花加工的加工稳定地得到尺寸精度高于 0. 1μ m,表面粗糙 Ra < 0. 01μ m 的加工表面电火花加工已成为零件精微加工的有效手段之一。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 Dsenbrug gen · 894· 中国机械工程第 13 卷第 10 期 2002 年 5 月下半月 等人用微细 电火花加工技术成功地加工出了直径 为 30μ m,精度为 0. 5μ m 的微孔。但由 于当时条件下尚无法解决微细电极的在线制作问题 ,使得其加工效率偏低 ,加 工精度一致性较差 ,这一成果并未引起人们足够的重视。80 年代末,随 M EM S 技术的蓬勃兴起及其在应用过程中所出现的一系列问题 ,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 ( wire electric discharg grinding ,W EDG)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。