先进制造―微细电火花加工技术

微机械和微制造的基础——微细电火花加工技术摘要：作为一种实用的微细加工技术，微细电火花加工在加工微细轴、微小孔等小尺度的零件时具有独特的优越性。本文简略地介绍了微细电火花加工技术的原理，分析了微细电火花加工的特点和优点，研究了微细电火花加工的关键技术，并详细介绍了一种微细电火花加工装置及其应用。关键词：微细电火花加工原理特点关键技术装置应用0.引言微细加工技术是先进制造技术的重要组成部分，是实现微机械产品的最基本技术，不仅直接影响着尖端技术和国防工业的发展，而且还影响到机械产品的加工精度和加工表面质量，影响产品的国际竞争力。目前，世界各国都非常重视微细加工技术，将其作为发展先进制造技术中的优先发展内容。作为微细加工技术的一个重要分支，微细电火花加工技术因其具有设备简单、可控性好、无切削力、适用性强等一系列优点，在微小尺度零件的加工中获得大量应用，受到国内外学者的广泛关注。1.微细电火花加工的原理及特点1.1微细电火花加工原理电火花加工(ElectricalDischargeMachining)是指在绝缘介质中，通过工具电极和工件之间脉冲性火花放电时的电蚀现象对工件材料进行蚀出，以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求的一种加工方法。微细电火花加工(microElectroDischargeMachining，简称micro-EDM)的原理与普通电火花加工并无本质区别。电火花加工中电极材料的蚀除过程是火花放电时的电场力、磁力、热力、流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的过程。当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时，极间介质被击穿并形成一个极为细小的放电通道。放电通道是由数量大体相等的带正电粒子(正离子)和带负电粒子(电子)以及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体。在极间电场作用下，通道中的正离子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大量的热;同时，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的高速冲击，动能也转换为热能，在电极放电点表面产生大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源，其温度可达℃以上。另外，由于火花放电时的电流产生磁场，该磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力。故而放电开始阶段通道截面很小，而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。因此，火花放电，蚀除材料的过程是热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围狼宽的电磁辐射和爆炸冲击的综合过程，而这一过程一般只有s。微细电火花加工也是利用脉冲电源，将高频放电能量输向放电间隙，依靠产生的高温热效应等综合效应实现对材料的去除，进而达到对工件尺寸加工的目的。1.2微细电火花加工的特点和优点1.2.1微细电火花加工的特点细微电火花加工的特点有：①电火花加工的放电面积很小：微细电火花加工的电极一般在5~100um之间，对于一个5um的电极来说，放电面积不到20；②单个脉冲的放电能量很小：为保证加工的尺寸精度和表面质量，每个电火花放电的去除量应控制在0.1~0.01um的范围内，因此必须控制每个放电脉冲的能量在J之间，甚至更小；③放电蚀坑很小：由于电火花加工是基于放电时的热过程，因而放电之后在电极表面所形成的放电凹坑，其形状将与放电时的等温面基本相似，如果完成微细加工并且尺寸精度达到亚微米级，放电凹坑的尺寸也必须达到亚微米级；④放电间隙很小：由于电火花加工是非接触加工，工具与工件之间有一定的加工间隙。电火花加工的放电间隙随着加工条件的变化而变化，数值从数微米到数百微米不等；⑤脉冲电源的频率高：由于每个电火花脉冲的能量极低，为保证电火花具有一定的效率，用于微细电火花加工的脉冲电源应具有很高的频率，理论上应高于1MHz。1.2.2细微电火花加工的优点从原理上讲，微细电火花加工具有非接触、可操控性强、加工性能与材料硬度强度无关、无切削力等优点。对几何形体加工适用性而言，微细电火花加工不仅可以加工出平面和回转体，还可以加工出三维复杂自由曲面。同LIGA、光刻等MEMS技术相比，微细电火花加工方法具有设备简单、可实施性强并具有三维加工能力等优点。同时，这种方法所处理的材料非常广泛，不仅可以加工各种性能优良的金属、合金，还可加工陶瓷、以及硅等半导体材料。微细电火花加工技术具有强大的微尺度制造潜能，在微小尺度零件的加工中有着不可替代的优越性。2.细微电火花加工的关键技术微细电火花加工一般是指用棒状电极电火花加工或用线电极电火花磨削加工微孔、微槽、窄缝、各种复杂形状及微细轴类零件的技术。由于微细电火花加工与常规电火花成型加工的基本原理并无本质区别，但因涉及到微细加工尺寸范围的差异，使其又具有自身独特的技术特点。细微电火花加工的关键技术归纳如下：①高精度的微进给伺服系统：提高脉冲利用率是提高细微电火花加工效率的有效途径。这就要求相应的细微电火花加工伺服系统和执行机构要有很高的响应速度和控制灵敏度。②高精度的加工系统：加工系统的精度包括定位精度和运动精度。微米级的电火花加工要保证工具电极与工件之间的精确定位，加工系统还要具备相当高的运动精度。③放电状态的实时检测：微细电火花加工过程的准确控制是通过对放电状态的检测、跟踪、反馈和调整来实现的，是实现加工过程稳定控制的重要前提条件。④放电状态的在线预测：在微细电火花的实际加工过程中，放电状态序列往往呈现出非平稳性、非线性且内部祸合，此时依靠放电状态检测来对加工过程进行实时、准确控制已表现出明显的滞后性和不稳定性，因此必须对放电状态序列进行有效的预测，才能真正实现控制的实时性和精准性。⑤脉冲电源：在微细及小孔电火花加工中，为了克服放电面积很小(面积效应)的影响，同时也是微细及小孔零件结构要素、尺寸和精度的要求，必须使每一个单脉冲的放电痕迹能够控制在很小的尺寸范围内。为此必须研制具有微小能量的脉冲电源，并要求波形符合要求。⑥电极制备：微细电火花加工属于成型拷贝加工，电极的制造关系到加工能否实现。微细及小孔电火花加工的尺寸决定了工具电极本身尺寸的微小化，并且电极截面直径的大小至少要比所加工的尺寸缩小两个放电间隙的距离。⑦工作液及其循环系统：在微细及小孔电火花加工时，由于工具电极与工件之间的间隙很小，有可能影响工作液的正常循环流动;并且微小的扰动都会影响电极加工精度，因此一般慎用强制冲液的方法进行冷却排屑，而常选用低粘度工作液，并采取电极旋转等措施帮助工作液流动，有利于排屑。3.微细电火花加工技术的装备和应用从前述细微电火花加工的关键技术可以看出，微细电火花加工在装备的设计上需要解决一系列的关键技术问题。为此,国内外许多学者都做了大量的探索,也取得了很多令人惊喜的成果。这些装置大都采用压电陶瓷作为驱动元件,这是因为压电陶瓷具有高位移分辨率、高频响的优点,但是压电陶瓷的行程较小,为此人们不得不设计一套扩程和增大输出推力的机构,这样,整个装置的结构以及控制系统就变得较为复杂。有文献在充分分析了微细电火花加工特点的基础上,开发出了一套微细电火花加工装置。该装置具有构简单、控制方便、容易实现数控插补功能的特点,在该装置上可以进行微细轴、微细孔和微三维结构的加工。整个系统构成的实物图片以及原理图分别如图1和图2所示,整个装置的基座部分全都由花岗岩组成。x,y,z精密伺服机构构成了实现三维运动的基本部件,每个方向上的运动部件由直流伺服电机驱动,其行程范围为102mm×102mm×102mm。精密旋转主轴直接安装在z轴运动部件上,由z轴运动部件带动旋转主轴作上下进给运动。x,y轴运动部件带着旋转主轴分别作左右、前后运动,以实现旋转主轴的x向和y向进给运动。电极安装在旋转主轴头上,其中精密旋转主轴由直流伺服电机驱动,转速从1000r/min~25000r/min连续可调。线电极磨削装置用于在线制作微细电极,RC脉冲电源用于产生电火花加工用的高频脉冲。计算机用于对加工过程进行监控以及实现数控插补功能。图1装备实物图图2装备原理图加工实验表明,在该装置上可以进行微细轴、微细孔和微三维结构的加工。先期实验在该装置上已经加工出最小直径为12μm的微细轴和最小直径为25μm的微细孔,其长径比和深宽比分别超过25和10。并在半导体硅材料上实现了硅微细梁的加工,其深宽比达15以上。加工实验表明,该装置具有广泛的适用性。参考文献[1]褚旭阳.微细电火花集成加工技术的研究[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2010.[2]高升晖.微细及小孔电火花加工的关键技术研究[D].辽宁:大连理工大学,2008.[3]李勇,李芳,郑云飞,周骋.微细电火花加工技术的进展状况[J].特种加工技术,2011,52-56.[4]易茂斌,房丰洲,王庆祎.微细电火花加工装置及加工工艺的研究[J].现代制造工程,2009(3),70-74.