专题报道 ■特游加工技术[ SPECIAL REP。R 特种加工的新工艺方法及微细制造的最新进展 编者按:第15届国际电加工会议于2007年4月在美国举行,有24个国家和地区的代表出席了会议。这个全球业界的最高盛 会,历来被视为国际特种加工领城发展趋势的风向标。该会议3年一度,2010年,第16届国际电加工会议将在中国上海举行。 第15届国际电加工会议共发表论文115篇,集中反映了特种加工的基础研究、新工艺方法、微细加工、电化学加工、激光加工、 复合加工等方面的最新研究成果。本文仅摘编了部分微细制造技术的最新进展及新工艺方法研究成果并刊登如下,愿对读者 有所裨益。 1傚细制造的最新进 公司的 G Cusanelli等采用一个辅助的工具电极夹紧装 1.微细电火花加工 置,使用微细电火花加工方法,加工出应用于柴油机和汽 德国马格德堡大学的 HP. Schulze等通过大量实验闸油机喷嘴的倒锥形微孔(图3),这种孔加工技术有很高的 明了在电火花侵蚀过程中气泡产生和传播的原因。气泡可重复性,且不需要对加工件进行去毛刺和材料处理。 产生主要是因为工作液物理和化学的特性,与去离子水 哈尔滨工业大学 馈电电极 工作液相比,在高脉冲能量下碳氢化合物会更多地分解杨晓冬及东京农业大 工具电极 而产生气泡;气泡结构也与脉冲参数有关,尤其是脉宽,因学 Masahito kimori等 为它决定了前一个气泡受迫破裂的时间;此外气泡体积研究了一种采用静电 会通过分裂和在放电通道底部的跳动而减小,但这种可感应给电方式的微细 能性很难控制,只作为辅助因素。因此,选择适当的加工能电火花加工的方法。微 量源并控制脉冲参数,可以控制气泡的结构并使其适合细电火花加工的回转 于微细加工。 主轴通常采用电刷来 为获得最佳的微对电极给电,由于是接 孔加工条件,韩国理工触式供电方式,长时间 2大学 Ju Kyoung. Lee等摩擦会造成发热和接图4静电感应给电方式的微细 人采用预先制备的小触不良等问题。用非接 电火花加工方法原理图 孔对工具电极进行修触给电方式有望解决上述问题。在此方法中(图4),由于 整的方法(图1),成功电源与工具电极之间相当于串联一个电容,使得单个脉 极钨工具电极;负极:黄铜溥钣地加工出直径73μm、冲能量的最小值可以进一步降低,因而更有利于微细加 图1采用预孔侧面修整工具长452μm的微细电工。此外,在工具电极与工件之间并联一个二极管,使加 电极方法的原理图 极,加工时间为884s。工中只允许单一极性的电火花放电。此方法可通过改变 日本筑波科技大放电极性来改变电蚀坑的大小,减小工具损耗,同时增加 电极扫描方向 电源学的 Takayuki tani等材料去除率。 采用扫描电火花加工 德国弗劳恩 金属板 方法,将旋转电极横向霍夫协会的S 图2扫描电火花加工方法的切入一个金属板,以获Plz等针对回转 原理图 」得微细工具电极(图体类零件的微细 2)。采用狭缝跟踪电火花加工方法进一步控制加工电极加工,研究了盘状 的尺寸,安置2个间距极小且相互绝缘的金属板,通过测电极圆柱体电火 ( a)CEDG方法 b)WEDG方法 量2个金属板的电流,控制工具电极沿中心轨迹通过2花磨削(CEDG)方 图5加工样品 个平板间隙,并成功制法,并用直径为50μm的线电极放电磨削(WEDG)进行了 备直径为35μm的工微细电火花加工方法研究,另外还研究了微细工具电极 具电极。进而采用辅助电火花毛化技术(EDT),加工出了不同形状尺寸的回转 电极方法,在绝缘的类零件(图5),并分析了电效应、热效应和流体效应对加 SiN4陶瓷上加工出直工过程的影响。 径30μm、深200μm的 日本名古屋工业大学的 FItoigawa等人用一个转动 电极直径:1m;锥形孔深度:lm微细孔和微型槽。 的双金属微型工具电极,在进行电火花沉积加工同时将 图3微细电火花加工的锥形孔 瑞士 Posalux s.A.两种金属材料原位合成一种合金材料(图6),且具有均
专题报道 特辞加工技7It蠢匿蚕墨圈E圆圈 特种加工的新工艺方法及微细制造的最新进展 1 微细制造的最新进展 ． J 微 细 电 火花加 工 德国马格德堡大学的 HP．Schulze等通过大量实验阐 明了在电火花侵蚀过程 中气泡产生和传播的原 因。气泡 产生主要是因为工作液物理和化学 的特性，与去离子水 工作液相 比，在高脉冲能量下碳氢化合物会更多地分解 而产生气泡 ；气泡结构也与脉 冲参数有关，尤其是脉宽，因 为它决定了前一个气泡受迫破裂 的时间 ；此外，气泡体积 会通过分裂和在放 电通道底 部的跳动而减小，但这种可 能性很难控制，只作为辅助因素。因此，选择适 当的加工能 量源并控制脉 冲参数，可 以控制气泡 的结构并使其适合 于 微细 加 工 。 为获得 最佳 的微 孔加 工条件 ，韩 国理工 大学 JuKyoung．Lee等 人 采用 预先制 备 的小 孔对 工具 电极 进行修 整 的方法 (图 1)，成 功 地加工 出直径 7．31xm、 长 4521xm 的 微 细 电 极 ，加工时间为 884s。 日本 筑 波科 技大 学 的 TakayukiTani等 采用 扫描 电火花 加工 方法 ，将旋转电极横 向 切入一个金属板 ，以获 得微 细工具 电极 (图 2)。采用狭缝跟踪 电火花加工方法进一步控制加工 电极 的尺寸 ，安置 2个 间距极小且相互绝缘 的金属板 ，通过测 量 2个金属板 的电流 ，控制工具 电极沿 中心轨 迹通过 2 个平板 间隙，并成功制 备 直 径 为 351~m 的工 具 电极。进而采用辅助 电极 方法 ，在 绝缘 的 SiN 陶瓷上加 工 出直 径 30lxm、深 200txm 的 微细孔和微型槽。 瑞 士 PosaluxS．A． 公 司的 G．Cusanelli等采 用一个辅 助 的工具 电极夹 紧装 置 ，使用微细 电火花加工方法 ，加工出应用于柴油机和汽 油机喷嘴的倒锥形微孔 (图 3)，这种孔加工技术有很高的 可重复性 ，且不需要对加工件进行去毛刺和材料处理。 哈尔 滨工 业大 学 杨 晓冬及 东京农业 大 学 MasahitoKimori等 研究 了一种 采用静 电 感应 给 电方 式 的微 细 电火花加工 的方法。微 细 电火 花加工 的 回转 主轴通 常采用 电刷来 对电极给电 ，由于是接 触式供 电方式 ，长时间 摩擦会 造成发 热和接 触不 良等问题。用非接 馈电电极 工具电极 (c) 图 4 静 电感应给 电方式 的微细 电火花加工方法原 理图 触给电方式有望解决上述问题 。在此方法 中(图 4)，由于 电源与工具 电极之间相 当于串联一个电容 ，使得单个脉 冲能量的最小值可以进一步降低 ，因而更有利于微细加 工 。此外 ，在工具 电极与工件之 间并联一个二极管 ，使加 工 中只允许单一极性 的电火花放 电。此方法可通过改变 放 电极性来改变电蚀坑的大小 ，减小工具损耗 ，同时增加 材料去除率。 德 国弗 劳恩 霍 夫 协 会 的 S． Piltz等 针对 回转 体类 零 件 的微 细 加工 ，研究 了盘状 电极 圆柱 体 电火 花磨 削(CEDG)方 法 ，并用直径为 50txm的线 电极放 电磨削 (WEDG)进行 了 微细电火花加工方法研究 ，另外还研究了微细工具 电极 电火花毛化技术 (EDT)，加工 出了不 同形状尺 寸的 回转 类零件 (图 5)，并分析了电效应 、热效应和流体效应对加 工过程的影 响。 日本名古屋工业大学的 F．Itoigawa等人用一个转动 的双金属微型工具 电极 ，在进行电火花沉积加工同时将 两种金属材料原位合成一种合金材料 (图 6)，且具有均 机械工程师 2008年第 11期 1
专题报道 PQ;特鹴加工技术 工精度(图9)。研究结果对实现微细群孔结构高精度和高 效率加工具有指导意义。 F Na等学者采用直径10μm 图6双金属工具电极 的铂金属丝作为电极,用微 匀的材料结构。沉积合金的化学组成成分可以通过双金细电解线切割加工方法在 属工具电极中两种金属的横截面面积比控制。 不锈钢板上进行了加工实 哈尔滨工业大学李刚及上海交通大学赵万生等研制验。选用超短脉冲电源最小 (a)微型槽 了精密微细电火花加工(μEDM机床其包括高精度花化加工间隙,研究脉冲电 岗岩机床本体和工作台、精密旋转主轴、微能脉冲电源和压、脉宽和脉间对加工性能 CCD机器视觉显微系统等。针对微细电火花分层铣削加的影响。应用最优化加工参 工,提出了分层策略、电极运动轨迹规划方法、电极损耗数,在304sS钢材料上成功 补偿策略等,开发了微细电火花铣削加工专用CAM软加工出微型槽和厚度小于 件。采用此系统成功地加工出直径4μm的微细轴、直径20μm的薄片(图10)。 10μm的微细孔和复杂微三维结构(图7)。 扬州大学朱永伟等利图10微细电解线切割加 用不同截面的微细工具电 工的微型槽和薄片 极开展了一系列超声电解复合微细加工方法的基础实验 (图11)。实验表明,由超声震荡产生的冲击波和负压力 可消除在微小电流密度下生成的阳极电解钝化膜,使微 (a)微细轴 (b)微细孔 (c)复杂微三维结构 细电解加工可不断进行,证实了这种复合技术的可行性 图7微细加工的样品 和艺优点。 台北科技大学许东 亚等采用微细电火花加 工方法并结合线电极放 电磨削(WEDG)技术,成 功地在聚晶金刚石 sOhum (PCD)材料上加工出直 T其电极材料钨:厚度:02m;径约为4m的微孔,微 图11超声电解复合微细加工结果 直径:0.04mm 孔的圆度误差仅为,.3纳米加工 图8PCD材料微细电火花05gm(图8)。另外还用 美国 Nebraska-Lincoln大学AH. Alkhalee等人在 加工微孔 WEDG技术加工出直径金属铜材料上,用原子力显微镜(AFM)制造纳米凹坑和 40μm、长0.8mm的PCD微细轴。 纳米凹槽。此方法采用超短脉冲电源并以去离子水作为 比利时鲁汶天主教大学KLi等人对 Si3NaTiN复合工作液。采用AFM方法加「的纳米凹坑具有很好的可重 陶瓷材料进行了微细电火花磨削加工实验,研究不同技复性。加工出不同尺寸的微槽,如长13μm,深15mm 术参数对工具电极损耗率、材料去除率、表而完整性(表200m宽的凹槽(图12)。通过稳定性研究发现,对样本 面粗糙度及微观结构)的影响。 Si,NoTiN复合陶瓷材料被重复扫描会使加工表面的形貌产生变形 用于微型燃气涡轮叶片(直径 小于 1.2微细电解加工 南京航空航天大学曲宁 松、朱荻等人采用微细圆柱群 (a)群电极 电极进行了了微细群孔电解加 工工艺试验,研究了加工电压 图12纳米加工样品 脉冲宽度、电解液浓度、成分等 在纳米级加工中必须避免接触摩擦、爬行作用的影 因素对群孔加工精度的影响。响。利用材料的弹性变形可以将位移控制在几个纳米的 结果表明,减小加工电压和脉范围内。基于这个原则并采用并联机构,瑞士 AGIE SA (b)群孔 冲宽度,采用低浓度钝化性电公司的 Ivano beltram等人采用3个线性电机移动来挖 图9 解液可以显著提高群孔电解加制由6个弹性平行四边形所组成的并联机构及直线编码
专题报道 特种加工投木 匀 的材料结构 。沉积合金 的化学组成成分可以通过双金 属T具电极中两种金属的横截面面积比控制。 哈尔滨工业大学李刚及』=．海交通大学赵万生等研制 了精密微细电火花加工( 一EDM)机床 ，其包括高精度花 岗岩机床本体和工作 台、精密旋转主轴 、做能脉冲电源和 CCD机器视觉 微系统等 。针对微细电火花分层铣削加 工 ，提J叶J了分层 策略 、电极运动轨迹规划方法 、电极损耗 补偿策略等 ，开发 了微细电火花铣削加 工专用 CAM软 件。采用此系统成功地加 rtt{直径 4 m的微细轴 、直径 10 n的微细孔和复杂微三维结构(图 7)。 台北科技 大学许东 亚等采用微细电火花加 T方法并结合线 电极放 电磨削(WEDG)技术 ，成 功 地 在 聚 品 金 刚 石 (PCD)材料上加工 出直 径约为 40p．m的做孔 ，微 孑L的 圆 度 误 差 仅 为 0．51xm(图 8)。另外还用 WEDG技术加工 出直径 401xm、长 0．8mm的 PCD微细轴。 比利时鲁汶天丰教大学 K．Liu等人对 SiN42TiN复合 陶瓷材料进行 r微细电火花磨削加工实验 ，研究不同技 术参数对工具电极损耗率 、材料去 除率 、表而完 整性 (表 面粗糙度及微观结构 )的影响。SiN2TiN复合 陶瓷材料被 用于微型燃气涡轮叶片 (直径 小于 20mm)。 ，．2 微 细 电解加 _T- 南京 航 空 航 天 大学 曲宁 松 、朱荻 等人采用微细 圆柱群 电极进行 了了微细群孔 电解加 工工艺试验 ，研究了加T 电压 、 脉 冲宽度 、电解液浓度 、成分等 冈素 对群孔 加 工精 度 的影 响。 结果表明 ，减／l,hl：r电压和脉 冲宽度 ，采用低浓度钝化性 电 解液 日丁以显著提高群孔 电解加 棚 椭 T程 师 PNNA年 笛 11苴日 工精度(图 9)。研究结果对实现微细群孔结构高精度和高 效率加丁具有指导意义。 韩 同汉城 大学 的 C．W． Na等学 者 采用直径 l0 m 的铂金属丝作为电极 ，用微 细 电解线切 割加工方 法在 不锈 钢板 进 行 了加 工实 验 。选用超短脉冲电源最小 化加 工间 隙 ，研 究脉 冲 电 压 、脉宽和脉间对加丁性能 的影响。应用最优化加工参 数 ，在 304SS钢材料 成功 加工 出微型槽 和厚度 小于 201xm的薄片(图 10)。 扬 州大学朱 永伟 等利 用不 同截 面的微细 丁具 电 极开展了一系列超声 电解复合微 细加～12方法 的基础实验 (图 11)。实验表明，由超声震荡产生的冲击波和负压力 可消除在微小 电流密度下生成的阳极电解钝化膜 ，使微 细 电解加工可不断进行 ，证实了这种复合技术的可行性 和1艺优点。 美 国 Nebraska-Lincoln大学 A．H．Alkhalee等 人在 金属铜材料上 ，用原子力显微镜 (AFM)制造纳米 凹坑和 纳米 凹槽 。此方法采用超短脉冲电源并 以去离子水作为 工作液。采用 AFM方法加．r的纳米凹坑具有很好的可重 复性 。加工出不 同尺寸的微槽 ，如长 l3 m，深 l5nM、 200nm宽 的凹槽 (图 12) 通过稳定性研究发现 ，对样本 重复扫描会使加T表面的形貌产生变形 在纳米级加T中必须避免接触摩擦 、爬行作用 的影 响。利用材料的弹性变形 可以将位移控制在几 个纳米的 范围内。基于这个原则并采用并联机构 ，瑞士 AGIESA 公司 的 Iva130Beltrami等人采用 3个线性电机移动来控 制 由 6个弹性平行 四边形所组成 的并联机构及直线编码
专题报道 特聊加工技术 SPECIAL REPORT 器,使加工定位精确度达到±0.1μm(±100nm) 类似于近干式电火花加工 2新的工艺方法研究 它以高压雾气代替油基工 上海交通大学的赵万生、作液作为放电介质。其原理 电极 顾琳等提出以集束电极制作三如图16所示 维自由型面电极的新方法。这 喷雾电火花加工的放数 种方法不是采用切削加工获得电间隙比干式电火花加工 成型电极的自由型面,而是将大,因而可有效地减小短路图16喷雾电火花铣削 (a)成型电极 定数量的细棒状或管状电极率。通过压缩空气、氧气或 加工的原理 电极单元 捆成一束,再调整每根电极单氮气与水所生成的雾气具有成本低的优势。与传统电火花 元的长度进而形成近似的电极加工相比,喷雾电火花加工可大大减少火灾发生的可能 型面。其制备原理图如图13所性。更为重要的是,喷雾电火花加工对环境的影响很小。初 示。集束电极主要应用于三维步试验的结果证明,喷雾电火花铣削加工是可行的。 电极基座 型腔材料大去除量的粗加工。 山东大学徐明刚、张勤 (b)集束电极 使用中空或圆形棒状电极单元河等针对气中电火花加工 旋转密封装置 图13成型电极及集 较传统三维型面成形电极更适技术进行深入研究。提出了 束电极示意图 合内冲液,从而有更好的冲液种工具电极超声振动辅流一气转轴 效果,因此放电更加稳定,加工性能更好 助气中放电加工方法。图超声换能器 美国密西根大学的JTao, A.Shih提出了一种新的17为旋转超声供气系统 电火花加工方法。它采用喷射的气液混合物作为放电介图。与一般气中电火花加工 质。文中研究了如何在干式和近干式加工中获得高材料相比,该方法的材料去除率 去除率或低表面粗糙度值。同时 CC Kao, J.Tao and A..有所提高,短路率大为降 Shi等人进一步研究了干式湿式近干式条件下的电火低。材料去除率随峰值电图17旋转超声供气 系统示意图 花线切割和电火花穿孔加工,其相关水雾输送装置分别压、放电时间、峰值电流和 如图14和图15所示。 气体压力的增加而提高,随脉冲间隔和电极管壁厚的增 加而降低。 日本大阪大学 T.Ishida等突破传统观念中认为钻孔 线电极 方法只能加工直孔的观念,发展了一种用电火花加工的 方式加工曲线孔的新方法。通过改进设备,减小曲线孔直 径,克服了研究初始阶段由于加工的孔径太大而无法将 加工方向 )俯视 (b)侧视 这种加工方法应用于实践的问题 图14近干式电火花线切割加工的水雾输送 O月25日,在上海举行的中国工程机械 管状电极加工方向 工业协会工业车辆分会2008年会上,河北景 管状电极 县被命名为中国叉车货又生产基地 景 的块发果曲小到大,到,已发县 (a)俯视 1果成为该县域经济新的增长点近年来,成 中 图15近干式电火花钻孔的水雾输送 水平”的工作思路,积极引导扶持货叉行业发 研究表明与干式加相比近干式电火花加的展在景县,各大货又生产企业注重加入国 更新设备,采用先进的生产工艺,实行现代企 料去除率高,加工边缘清晰没有熔融金属的再粘着:与业管理制度,建立了积极向上的企业文化,企 湿式电火花加工相比,在小脉冲能量条件下其材料去除 业的科技水平、管理水平和竟争实力得到大幅 率相对较高,而放电间隙较小。但近干式电火花加工电极 受车货叉生 的热载荷太大,导致线切割加工时易断丝、穿孔时电极损 提升,货叉企业全部通过了Is09000国际质量 耗率高。他们在假定放电间隙由加工间隙和材料去除深 管理体系认证以及ISO14000国际环境管理体 度组成的前提下,对放电间隙建立了一个与水雾的绝缘系认证。 基 强度和粘度有关的数学模型。 目前,景县共有规模以上货叉生产厂家3 上海交通大学顾琳、赵万生等提出喷雾电火花加工家年产又车货又40万辆占全球慈产量的13 地
器，使加工定位精确度达到±0．1bm(+lOOnm)。 2 新的工艺方法研究 上海交通 大学 的赵万 生 、 顾琳 等提 出以集束电极制作三 维 自由型面 电极的新方法 。这 种方法不是采用切削加工获得 成型电极 的 自由型面 ，而是将 一 定数量的细棒状或 管状 电极 捆成一束 ，再调整每根 电极单 元 的长度进而形成 近似 的电极 型面 。其制备原理图如图 l3所 示 。集束电极主要应用于三维 型腔材料 大去除量 的粗加工 。 使用 中空或圆形棒状 电极单元 较传统三维型面成形 电极更适 合 内冲液 ，从 而有更好 的冲液 效果 ，因此放 电更加稳定 ，加工性能更好 。 美 国密西根大学 的 J．Tao，A．J．Shih~提出 了一种新 的 电火花加工方法 。它采用喷射的气液混合物作为放 电介 质。文 中研究 了如何在干式和近干式加工中获得高材料 去除率 或低表 面粗糙度值 。同时 C．C．Kao，J．TaoandA．J． Shih等人进一步研 究了干式 、湿式 、近干式条件下的电火 花线切割和电火花穿孔加工 ，其相关水雾输送装置分别 如 图 14和图 15所 示 。 研究表 明，与干式加工相比 ，近干式电火花加工的材 料去 除率高 ，加工边缘清晰 ，没有熔融金属 的再粘着 ；与 湿式 电火花加工相 比，在小脉 冲能量条件下其材料去 除 率相对较高 ，而放 电间隙较小 。但近干式 电火花加工电极 的热载荷太大 ，导致线切割加工 时易断丝 、穿孔时电极损 耗率高。他们在假定放 电间隙由加工间隙和材料去除深 度组成的前提下 ，对放 电间隙建立 了一个 与水雾的绝缘 强度和粘度有关 的数学模型。 上海交通大学顾琳 、赵万生等提出喷雾电火 花加工 类似于近干式电火花加工 ， 它 以高压雾气代替油 基工 作液作为放电介质。其原理 如图 16所示 。 喷雾 电火 花加工 的放 电间隙 比干式 电火花加 工 大 ，因而可有效地减小短路 率。通过压缩空气、氧气或 专题报道 特鄱加工技7It 图 16 喷雾 电火花铣削 加工的原理 氮气与水所生成 的雾气具有成本低 的优势。与传统电火花 加工相 比，喷雾 电火花加工可大大减少火灾发生的可能 性。更为重要 的是 ，喷雾电火花加工对环境的影响很小。初 步试验的结果证 明，喷雾电火花铣削加工是可行的。 J_JlJ东大学徐 明刚 、张勤 河等针 对气 中 电火 花加工 技术进行深入研究 。提出了 一 种工 具 电极 超声振 动辅 助气 中放 电加工 方法 。 图 l7为 旋 转 超 声 供 气 系 统 图。与一般气中电火花加工 相 比，该方法的材料去除率 有 所提 高 ，短路 率大 为降 低 。材料 去除率 随峰值 电 压 、放 电时间 、峰值 电流和 气体压力的增加而提高 ，随脉 冲间隔和电极管壁厚的增 加而降低。 日本大阪大学 T．Ishida等突破传统观念 中认 为钻孑L 方法只能加工直孔 的观念 ，发展了一种用电火花加1二的 方式加工曲线孔的新方法。通过改进设备 ，减小曲线孑L直 径 ，克服了研究初始阶段 由于加T 的孔径太大而无法将 这种加工方法应用于实践的问题 。 1O月 25日，在 上海举行的 中国工程机械 工业协会 工业车辆 分会 2008年会 上 ，河北景 县被命 名为 中国叉车货叉生产基地。 景县货 叉行业正式起 步于 1997年 ，经过 11年 的快速发展 ，由小到大、由弱到强 ，已经发 展 成为该县县域 经济新 的增 长点。近年 来，景 县 坚持 “聚集优 势 、扩 大规 模 、塑造品牌 、提 升 水平 ”的工作 思路 ，积极 引导扶 持货 叉行 业发 展 。在景县 ，各大货叉生产企业注重加 大投入 、 更新设备 ，采 用先进 的生产 工 艺 ，实行现代 企 业 管理制度 ，建立 了积极 向上的企 业文化 ，企 业的科技 水平 、管理水平和 竞争 实力得到 大幅 提 升 ，货 叉企业全部 通过 了 IS09000国际质 量 管理体 系认证 以及 ISO14000国际环境 管理 体 系认证 。 目前 ，景县共有规模以上货叉生产厂 家 3 家，年产叉车货叉 40万辆 ，占全球总产量的 1／3。 士n T 里 l【 nnno 直 11 甘日§ ) 享二严壁管极一。、嘴喷=嚎屑iT道通、雾＼；眍一t一■-●● 盛