微细电火花加工技术

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河南机电高等专科学校

先进制造技术课程论文

论文题目：微细电火花加工概述

系 部： 机械工程系 专 业： 机械制造与自动化 班 级： 机制124 学生姓名： 王帅 学 号： 120114428 指导教师： 安林超

2014年 11月 5 日 2

绪论 目前,发达国家的微细电火花加工技术已进入工业应用阶段,甚至商业销售阶段,如日本松下精机、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品。其中日本松下精机的产品性能最优,该产品能稳定加工出<2.5μm的微细轴和<5μm的微细孔,但其价格昂贵,约需20万美元左右,且对我国禁运。另外,日本东京大学的增泽隆久、丰田工业学的毛利尚武等学者正在研制开发的机床也都具有很高的水平,是该研究方向上的主要代表。我国的哈尔滨工业大学和南京航空航天大学在微细电火花加工研究方面也取得了较大进展,其中哈尔滨工业大学已加工出<4.5μm的微细轴和<8μm的微细孔,达到了世界先进水平,其微细电火花加工机床已开始商品化。 产品的小型化和微型化已经成为发展的必然趋势。这不仅可以在有限的空间增加产品的功能，也可以减少对日益枯竭的自然资源，如材料和能源的消耗。这一发展趋势对微加工技术的应用和开发提出了迫切的需求。大多数微加工技术是以硅片为基础的半导体加工技术，如刻蚀和电。 现代制造技术的发展有两大趋势，一个是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，即现在制造自动化技术；另一个就是寻求现有制造技术的自身微细加工极限。 3

微细电火花加工概述 摘要：微细电火花加工技术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细微小型化需求。针对微细电火花加工中的一些关键问题。

关键词：微细加工 电火花 微细三维结构

引言：众所周知传统的机械加工并不擅长加工尺寸极小的形体，随

着工程技术领域对微型机械的迫切需求，激光、电子束、；离子束、化学腐蚀、光造型、电子光刻等微细加工技术正受到人们的普遍关注。但上述技术目前主要用来进行表面微机械加工，而真正的微三维结构制作才是未来为机械系统的主要需求。由于微细电火花加工拥有独特的优点，所以能制成各种极微细的高硬度（金刚石烧结体，硬质合金等）工具、模具及复杂形状三维工件。现对于LIGA等微电子技术而言，微细电火花加工技术造价低廉，加工精度高且适应性广，并可加工出复杂的三维曲面维系结构等特点。因此，微细电火花加工技术将会成为微细三维结构模型腔制作的主流技术之一。 4

第一章 1.1微细电火花加工特性 微细电火花加工与常规电火花成型加工在加工机理上并无本质区别，但由于微细电火花加工微小尺寸零件这一特性，使得微细电火花蚀除机理具有自身特殊性。微细电火花加工的零件尺寸很小，其尺寸精度一般在微米量级。因此、控制微细电火花加工的表面粗糙度，也就同时保证了工件的形状、尺寸精度。在维系电火花加工条件下，放电蚀坑的大小不仅对表面粗糙度产生影响，也影响了工件的尺寸精度。同时、由于微细电火花加工的是小面积上的放电加工，放点点分散范围十分有限，其位置在时间和空间上的集中，这就增加了放电过程的不未定因素，降低了火花放电的蚀除能力，同时也会因此而限制脉冲频率、脉冲利用率和加工速度的提高，从而使微细电火花加工变得困难。 1.2电火花加工对传统加工的挑战

平动头、线切割加工、数控（CNC）加工、旋转主轴、自动换刀和自适应系统等技术发展迅速，使电火花加工操作简便，精确度增加，表面粗糙度值得以改善，尽管在速度方面，它无法同传统的铣削、研磨媲美，但已经有了极大的提高。电火花加工的魅力还在于它可以实现无人管理操作，因此，在同传统加工的成本竞争时它具有极大的优势。最新型的自适应性控制是实现电火花加工无人化管理的关键，该装置能够监测火花间隙中的状态，避免直流拉弧。它可以自动检测到加工时的不稳定状态并加以调整，在电蚀开始前，调整火花间隙达到稳定状态。直流拉弧是由于蚀除下来的工件材料和电极的碎屑阻塞了火花间隙，由此产生直流电引起的。这种情况危害很大，因为它会损坏甚至彻底破坏电极和工件。现在可以完全避免直流拉弧，所以电火花机就可以长期无需人为管理了对模具设计师和模具制造工程师而言，电火花加工是一种理想的加工过程。许多机械厂已经开始考虑用电火花加工取代传统加工方法，配合现有的铣床、磨床，获得更好的加工效果。电火花在加工硬质材料和其他难以加工的材料时表现最出色，人们能够使用这种没有接触的加工方法制造加工脆性零件和薄壁零件。 5

第二章 2.1间隙内电火花加工的原理 了解电极和工件之间发生的加工情况对电火花机用户大有帮助，了解电火花加工理论的基本知识有机用户大有帮助，了解电火花加工理论的基本知识有机用户大有帮助，了解电火花加工理论的基本知识有作中却差强人意的原因，以下说明由人们已经获得的知识和电火花加工理论组成。 （1）热电模型。虽然多年来建立了众多电火花加工理念，但大部分实践都支持热电模型，热电意味着热能和电能共同作用。 尽管介质油是良好的绝缘物，但电压足够大时可以使它分解成带电离子，因此电流可以从电极间接传输到工件，悬浮在介质油中的石墨微粒和金属微粒有助于电流的传导，这些微粒（带电导体）能够参与介质油的电离，直接携带电流，还可以促进介质油被电击穿，当电极和工件表面的距离最小时，电场最强，尽管电压不断增加，电流仍旧为零。 当带电电极靠近工件时，电极和工件之间是绝缘油，即电火花加工中的介质油。随着电离（带电）粒子的增多，介质油的绝缘能力开始下降，同时在电场最强的部分开始形成一条狭窄的通道，电压达到峰点，但电流保持为零。当介质油绝缘能力下降时，电流趋于稳定，电压开始下降。随着电流的增加，热量快速积聚，电压继续下降，热量使部分介质油、工件和电极气化，形成放电通道。如有气泡试图向外膨胀，但由于离子受到强烈的电磁场作用，不断冲向放电通道，这股冲力可抑制气泡的膨胀。此时，电流不断增加，电压继续下降。当脉冲将近结束时，电流和电压都呈稳定状态，气泡中的热量和压力达到最大值，一些金属被熔蚀。此刻，直接位于柱形放电通道下的金属层处于熔融状态，受到气泡的压力而原地不动。强烈电流通过放电通道，其中充满了金属、介质油和碳气化后的过热等离子体。一旦进入间歇，电压和电流就降至零，温度骤然下降，导致气泡爆炸，熔融的金属被抛离工件表面。新的介质油涌入型腔，冲走杂质，冷却工件表面，未被抛离的熔融金属凝固成重铸层。被抛离的金属凝固成圆形小颗料和电极上掉下的碳屑一起分散在介质油中，没有破碎的气泡浮到表面，如果间歇不够长，那么杂质可能会集结起来，影响放电的稳定性，在这种情况下还可能会产生直流拉弧（二次放电），损坏电极和工件。 6

一个电火花加工周期由脉冲和间歇构成，每分钟最多可循环25万次，但在某一个指定的时刻只有一个循环，一旦了解了这个循环周期，就能通过控制脉宽和间歇，让电火花加工为我们工作服务。 （2）进入型腔内部 在工件上进行熔蚀时会形成一个型腔。型腔越深，去除杂质越困难，电极和工件的冷却也越困难，要使加工稳定进行，必须确保介质油冲过间隙，因此，冲油成了电火花加工过程中必要的组成部分。 成功的冲油可以清除放电间隙中熔蚀的工件微粒和损耗的电极微粒，让介质油顺利进入间隙，要维持稳定的加工、防止产生电弧，就必须做到以上两点。清除微粒的效果由间隙内介质油的流量决定，而流量的大小由油槽内的涡流反映，理想的油压通常是3~5Psi，事实上，冲油时压力太大会阻碍微粒从间隙中排出，而且间隙中的介质油也得不到更新，油压过高时还会增加电极损耗。 维持介质油容量和压力的平衡至关重要。进行粗加工时，放电间隙较大，因此为了达到较好的加工效果需要较大流量和较小的压力。而进行精加工时，放电间隙减小，则需要较高的压力，并加速介质油的流动。冲油的3种基本方式分别为：压力冲油、抽油和侧面冲油。冲油方式的选择应根据具体加工情况而定，电极的形状和尺寸也会限制冲油方式的选择。 ①压力冲油 作为最常用的冲油方法，压力冲油使介质油在压力作用下强行通过电极中的冲油孔进入放电间隙，与微粒一道从型腔边缘流出，由于液体从电极中通过，所以在这种方法有助于电极的冷却。另一种类似的方法是从工件上的小孔压入介质油。 二次放电和移动微粒的摩擦作用会磨损型腔侧壁，破坏表面粗糙度值。抽油法则可以避免这种缺陷。 ②二次放电 高温介质油沿着型腔侧壁流出放电间隙时能够造成大量热能的积聚，这些热能可以使型腔壁轻微膨胀。这时，沿着型腔壁移动的导电微粒会产生二次放电，由于放电总在电阻最小的地方产生，所以它可能在电极的侧面而非端面的间隙处放电。 ③抽油 7

这种方式恰好和压力冲油相反，介质油和微粒是从电极或工件上的孔吸出放电间隙的杂质，这种方法可以减少二次放电，减轻侧壁磨损。 ④侧面冲油 在这里可以使用喷嘴或软管将介质油注入放电间隙，使液体和微粒从另一面喷出。这是最不理想的冲油方式，如果冲油条件比较差，会使微粒聚集，造成直流拉弧和麻点。利用电极的间歇升起，保证足够的时间清除放电间隙可以改善这一状况，但这样做却降低了加工速度。 ⑤不可平动的电极 由于电极上没有冲油孔，这就意味著工件的对应 部位不能被蚀除，因此加工时型腔中会留下锥凸体。根据不同的切削深度，有时需要停止电火花加工，去除凸起，使冲油效果最佳化，去除锥凸的方法是人工去除或用后备电极（无冲油孔）蚀除。 ⑥平动电极 平动电极能够简化冲油操作，由于较小的电极平动时，会使放电间隙的一边相对变宽，有利于介质油和微粒从型腔中排出，电极的平动同时还有助于介质油的更新，当电极平动量大于冲油孔的半径时，工件型腔内便不会留下锥凸迹。 ⑦气泡 电火花产生的气泡集聚在盲孔中，可能像汽油机的气缸里发生的爆炸一样，会损伤电极和工件，如果气泡累积过多，还会产生火灾隐患。虽然现在自动监视装置和介质油温控设置已大大降低了火灾的可能性，我们仍然必须牢记介质油是易燃品，如果设计过程中预见到了气泡产生的可能性，就应采取措施将气泡排到表面。