微细电火花加工研究现状与存在的问题

微细电火花加工研究现状与存在的问题院（系）：机械工程学院班级：学生姓名：学号：任课教师：2012年1月2日目录1引言........................................................................................................................12电火花加工的研究现状........................................................................................22.1微细电火花加工的原理...............................................................................22.2金属蚀除驱动力的来源解释.......................................................................32.3微细电火花加工设备的最新进展...............................................................43存在的问题............................................................................................................53.1电火花加工机理...........................................................................................53.2微细电极的制备...........................................................................................53.3电极损耗对加工精度的影响.......................................................................63.4加工路径规划问题.......................................................................................64下一步研究内容....................................................................................................74.1LIGA大批量制备复杂电极技术................................................................74.2低电压放电加工技术...................................................................................74.3气中放电沉积与去除可逆加工技术...........................................................74.4电极损耗补偿策略.......................................................................................85我的建议................................................................................................................8参考文献........................................................................................................................911引言由于现代科学技术的迅猛发展，在机械工业、电子工业、航空航天工业，尤其是国防工业部门，要求制造技术更加精密化、自动化、系统化、集成化、以及加工方式多样化方面发展，并且要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、重载荷、抗腐蚀、大功率、小型化方向发展[1,2]。为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，结构和形状越来越复杂，对精度要求越来越高，对加表面粗糙度和完整性要求越来越严格，这使得传统的加工方法难以满足上述要求，机械制造面临着一系列严峻的任务[3]。1943年，前苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭电火花放电腐蚀的过程中发明了电火花加工方法，第一次摆脱了用传统切削加工去除材料的方式，开创了用其它形式能量来加工的新方法。电火花加工具有以下一些优点[4]：（1）可用于传统机械加工方法难以加工的材料加工。因为材料的去除是靠放电时电热作用实现的，材料的加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、比热容、热导率等，几乎与其硬度、韧性等力学性能无关。工具电极材料不需比工件硬，所以电极制造相对容易。（2）可加工特殊、复杂形状的零件。由于电极与工件之间没有切削力，因此适宜于低刚度工件和细微加工。又因脉冲放电时间短，材料加工表面受热影响范围比较小，所以可用于热敏性材料的加工。另外，由于加火花加工可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，所以特别适用于薄壁、低刚性、微细、弹性及复杂形状表面的加工，如复杂的型腔模具的加工等。（3）更容易实现加工过程自动化。加工过程中的电参数较机械参数易于实现数字控制、自适应控制、智能化控制，能方便地控制粗、半精、精加工各工序，简化工艺过程，减少人工干涉。（4）可以改变零件的工艺路线。由于电火花加工几乎不受材料硬度影响，所以可以在淬火后进行加工，这样可以避免淬火过程中产生的变形。由于电火花加工具有这些传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用范围日益扩大，目前已广泛用于各类工业中。近些年，随着微机械、微机电系统迅速发展并进入实用阶段，更加先进的微细电火花加工技术在航空航天、医药卫生、国防、环境工程以及民生方面发挥着越来越重要的作用，并具有非常广阔的前景。微细电火花加工（Micro-EDM）是指用棒状电极或用线电极电火花加工微孔、窄槽、窄缝等各种复杂形状的加工技术，它是微制造领域的一项重要技术[5]。微细电火花加工与其它几种典型微细加工技术的比较如下表所示[6]。2表1几种典型的微细加工技术的比较微细加工方法最小尺寸精度深径(高宽)比多维加工能力表面粗糙度加工材料LIGA★★★★★★★★★★★★★★★★★金属、聚合物、陶瓷刻蚀★★★★★★★★★★金属、半导体微细激光加工★★★★★★★★金属、聚合物、陶瓷微细铣削★★★★★★★★★★★★金属、聚合物金刚石切削★★★★★★★★★—★★★★非铁系金属、聚合物微细立体印刷★★★★★★★★★★★聚合物微细电火花加工★★★★★★★★★★★★★★★★★金属、半导体2电火花加工的研究现状2.1微细电火花加工的原理精细电火花加工原理普通电火花加工大致相同，它们都是基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将实现金属的蚀除。BerndMSchumacherd在电火花加工诞生60年时发表最新成果，他将电火花放电过程分为三个阶段（如图1）：放电的准备阶段，放电阶段和脉冲放电间隙阶段[7]。图（a-c）为第一阶段，工具电极与工件电极缓慢靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，在两极间距离最近的位置电场强度最大。工具电极与工件电极之间充满着电介质，电介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，并形成由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的等离子体放电通道。图（d-f）为第二阶段，在极间电场作用下，通道中的正离子与电子向阴极和阳极高速运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道内正负两极表面分别形成瞬时热源（可以达到5000℃以上），金属材料熔化，甚至沸腾气化。同时，由于放电时电流产生磁场，磁场又反过来对电流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应，通道扩展受到很大阻力，此时狭小的放电通道内由高温热膨胀形成的初始压力可达数十甚至上百个千帕，高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体急速扩展、产生一个强烈的冲击波向四周传播，依靠此热膨胀和局部微爆炸，使熔化气化的电极材料被抛出。在放电的同时还伴随着光效应和声效应。图（g-i）为第三阶段，放电脉冲结束后，等离子通道内消电离，电蚀产物排出放电区域，而气泡还会存在相当长一段时间。3图1放电的三个阶段2.2金属蚀除驱动力的来源解释在电极表面熔融放电痕（moltenpuddle）直径仅几十微米，在没有附加的驱动力作用下，起主导作用的毛细力能阻止任何金属抛出去除。迄今最被接受的理论认为，金属的去除和抛出是由于放电脉冲的突然中止，这使得在脉冲结束金属的猝然过热。在对真实放电间隙精确测量中并没有发现这类有高动量的反冲力。Y.F.Luo和JiaTao认为，金属抛出蚀除在整个脉冲放电过程都有发生，而不是只在脉冲结束的时刻。转移二次放电（ShiftingSecondaryDischarge，SSD）很可能就是金属抛出蚀除的驱动力[8]。转移二次放电（SSD）又被称为暂时性点放电，它们能在主阴极根迅速转移到一个新的放电位置。暂时性点放电能在首次放电结束时快速熄灭冷却。图2展示的是在二次放电中金属的抛出去除和熔滴的形成过程。当空间中的阳离子势能被加强的点放电耗尽时，当前的二次放电就平息了。然而，从发射点来的高能电子电离了更多的分子，同时电离出的阳离子向阴极根方向迁移。于是，阴极根表面上的正离子再一次的堆积，当地电场强度得到提升。接下来的那一次二次放电最可能发生在另外一个电场强度最高的地方。二次放电循环就这样不断进行下去，直到首次放电脉冲结束。在有新的证据被发现前，多于一次放电的共存二次放电（coexistingsecondarydischarges）不包括在上述讨论中。为了实现更高的点温度，4更少和更小的二级放电有利于电子发射的效率和消耗更少的能量。当间隙大于普通EDM间隙时，带状放电（streamerdischarges）可能产生。带状放电使离子被分割成枝状，并产生点放电。然而，点的位置在当地阳离子耗尽后必须转移。SSD使材料从主阴极根上去除，并抛出到极间间隙中去。图2二次放电和金属抛出蚀除2.3微细电火花加工设备的最新进展由于微细电火花加工在现代加工技术，尤其是微机械制造技术中的重要地位，各工业发达国家都加大了在这方面的投入。近些年，国外许多著名电加工生产商都推出了商用微细电火花加工设备，另外一些科研机构也展开了研制工作，并取得重要成果。图3松下精机MG-ED82W日本松下精机生产的MG-ED82W是目前商业销售中精度最高的微细电火花机床（如图3），主轴的进给由伺服电动机通过减速齿轮副、螺母—丝杠、杠杆推动主轴组成，主轴的进给和回退步距为0.1μm[9,10]。其电火花脉冲电源最小脉冲能量可达10-7J。它能稳定地加工出Ø5μm的微小孔，表面粗糙度达Ra0.1μm。其它最新研究进展有：线电极电火花磨削技术与微细加工，面向MEMS的微细电火花加工技术等等。5国内开展微细电火花加工研究方面最早是在上世纪九十年代的南京航空航天大学，随后清华大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、山东大学等高校在这一领域也取得了许多成果。3存在的问题电火花加工技术迄今已有60多年的发展历史，但随着研究的深入和运用领域的扩展，仍然有许多问题没有解决。3.1电火花加工机理电火花加工机理的研究瓶颈除