超声复合微细电火花加工机理与试验 竺志大,王占和,范仲俊 (扬州大学机槭工程学院,江苏扬州225009) 摘要:微结构电火花加工短路、断路或电弧放电作用,降低加工效率及精度。提出将超声频振动与 微细电火花加工复合,利用电极与工件之间的超声频相对运动,产生规则的、参数可控的微细脉冲放电; 构造、完善超声复合微细电火花试验系统,进行微结构超声复合电火花加工试验,有效避免短路、断路及 电弧脉冲,有效提高加工精度与效率 关键词:超声加工;电火花加工;复合微细加工;复合放电加工试验 中图分类号:TG662文献标志码:A The Mechanism and Tests of Ultrosonical Combined Electrical Micro-machining ZHU Zhida, WANg Zhanhe College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China) Abstract: The machining precision and the productivity of electrical discharged machining micro-structures are reduced with the short circuit, brea king circuit and electrical arc discharged. It is advanced that ultrosonical vibration combined el rical discharged machining for to improve the gap course of electrical discharged machining. By the ultrosonical vibration between electrode and work piece, the regular electrical discharged can be attained and the electrical discharged paran may be controlled automatically. The system of ultrasonically combined electrical improved. The tests are carried for ultrasonically combined electrical discharged cuit, breaking circuit and electrical arc discharged are escaped. The machining precision and the productivity are improved effectivel Key words: ultrasonically machining, electrical discharged machining, combined micro-machining, combined el 电火花加工( Electro Spark Erosion)又称为放 电加工( Electro Discharge Machining)和电蚀加工 1微细电火花加工的实现条件 ( Electroerosion Machining),在日本称为放电加工 虽然加工机理上微细电火花加工与传统的电火 在前苏联称为电蚀加工2。他是利用两极间脉冲花加工没有本质区别,从理论上分析,只须使用能产 放电产生的电腐蚀现象,对材料进行加工的方法。生极微能量并且可控性良好的脉冲电源,再配以高 电火花加工是一种利用电热能量进行加工的方法,分辨率的伺服进给系统和高精度的机床本体即可以 在加工过程中,工具与工件间不断产生脉冲性火花实现微细电火花加工。但由于加工对象及所使用工 放电,放电产生的局部、瞬时高温来蚀除金属材料。具尺度的微型化,以及加工中微能放电等问题,要达 电火花加工时,工具电极接脉冲电源的一极,工到微细加工的尺寸精度和表面质量要求,做细电火 件接另一极,两极间充满液体介质,放电间隙自动控花加工在性能要求与技术实现上都要具有一定的特 制工具电极向工件移动。当两极间达到一定距离殊性。主要表现在以下几个方面2 时,极间的绝缘液体介质被击穿,发生脉冲放电,使 1)加工表面质量 工件被蚀除出1个小坑穴,工具电极也会因放电而 微细电火花加 出现损耗。放电后的电蚀产物由液体介质排至放电的工件结构要素 间隙之外,同时经过短暂的间隔时间,使极间恢复绝尺寸一般在数十微 缘,即消电离。然后再在另1处进行下1次脉冲放米到数百微米之间 电,在工件表面蚀除另1个微小坑穴,如此不断地进在这种尺度上要达 行放电蚀除,工具电极不断地向工件移动,维持合理到所要求的尺寸精图1电火花加工放电凹坑 的放电间隙,就能在工件上加工出与工具电极形状度和表面质量,就要 断面几何形状 相似、凹凸相反的型孔或型腔。 求微细电火花加工过程中的放电凹坑及其所形成的 表面粗糙度值低。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 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2009年第1期
超声 复合微细电火花加工机 理与试验 竺 志 大 ．王 占和 ，范 仲俊 (扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 ，江 苏 扬 州 225009) 摘 要 ：微 结构 电火花加 工短路 、断路 或 电弧放 电作 用 ，降低 加 工效 率及 精度 。提 出将超 声频 振 动与 微 细 电火花加 工复合 ，利 用电极 与X-件 之 间的超 声 频 相对 运 动 ，产 生规 则 的 、参 数 可控 的微 细脉 冲放 电； 构 造 、完善 超 声复合微 细 电火花试 验 系统 ，进 行微 结 构超 声复 合 电 火花加 工试 验 ，有 效避 免 短路 、断路 及 电弧脉 冲 ，有 效提 高加 工精度 与 效率 。 关键 词 ：超 声加 工 ；电火花加 工 ；复合 微 细加 工 ；复合放 电加 工试 验 中图分类 号 ：TG 662 文献 标志码 ：A The M echanism and TestsofU ItrosonicalCom bined ElectricalM icro-m achining ZHU Zhida，W ANG Zhanhe，FAN Zhonjun (CollegeofM echanicalEngineering．Yangzhou University，Yangzhou 225009，China) Abstract：Themachining precision and theproductivityofelectricaldischargedmachiningm icro—structuresarereduced with theshortcircuit，breakingcircuitandelectricalarcdischarged．Itisadvancedthatultrosonicalvibration com binedelec— tricatdischarged machining forto im prove thegap courseofelectricaldischarged machining． By theultrosonicalvibration betweenelectrodeand work piece，theregularelectricaldischarged canbeattained and theelectricaldischarged parameters maybecontrolled automatically． Thesystem ofultrasonically combined electricaldischarged micro machining isbuiltand improved． Thetestsarecarried forultrasonically combinedelectricaldischargedmachiningmicro—structures．Theshortcir— cult，breakingcircuitandelectricalarcdischargedareescaped． Themachining precision and the productivity are improved effectively． Keywords：ultrasonically machining，electricaldischarged machining，combined micro—machining，combined electrical dischargedmachining test 电火 花加 工 (ElectroSparkErosion)又称 为放 电加 工 (ElectroDischargeMachining)和 电蚀 加 工 (ElectroerosionMachining)，在 日本称 为 放 电加 工 ， 在前 苏联 称 为 电 蚀加 工 l2 。他 是 利 用 两 极 间脉 冲 放 电产 生 的 电腐 蚀 现 象 ，对 材 料 进 行 加 工 的方 法 。 电火 花加 工是一 种利 用 电、热 能量进 行加 工 的方法 ， 在 加工过 程 中 ，工具 与 工 件 问不 断 产 生脉 冲性 火花 放 电 ，放 电产生 的局部 、瞬 时高温来 蚀除 金属材 料 。 电火 花加 工时 ，工 具 电极接脉 冲 电源 的一 极 ，工 件 接另一极 ，两极 间充 满液体 介质 ，放 电间隙 自动控 制工具 电极 向工 件 移 动 。当 两 极 间 达 到 一 定 距 离 时 ，极 间的绝缘 液体 介 质 被击 穿 ，发 生 脉 冲放 电 ，使 工 件被蚀 除 出 1个 小坑 穴 ，工 具 电极 也会 因放 电 而 出现损耗 。放 电后 的电蚀 产物 由液体介 质排 至放 电 间隙之外 ，同时经过短 暂 的间隔 时间 ，使 极 问恢 复绝 缘 ，即消电离 。然后再 在 另 1处 进 行下 1次 脉 冲 放 电 ，在工 件表 面蚀除 另 1个 微小 坑穴 ，如此不 断地 进 行放 电蚀 除 ，工具 电极不 断地 向工件移 动 ，维 持合 理 的放 电间隙 ，就能 在工 件 上 加工 出与 工 具 电极 形 状 相似 、凹凸相 反 的型孔 或 型腔 。 1 微 细 电 火 花 加 工 的 实 现 条 件 虽 然加 工机理 上微 细 电火花 加工 与传统 的 电火 花加工 没有 本质 区别 ，从 理 论上分 析 ，只须使 用能产 生极微 能量 并且 可 控性 良好 的 脉 冲 电源 ，再 配 以高 分辨率 的伺 服进 给系统 和 高精度 的机 床本体 即可 以 实现微 细 电火花 加工 。但 由于加 工对 象及 所使用 工 具尺度 的微 型化 ，以及 加工 中微 能放 电等 问题 ，要 达 到微 细加 工 的尺 寸 精 度 和表 面 质 量 要求 ，微 细 电火 花加工 在性 能要求 与技 术 实现上 都要 具有一 定 的特 殊性 。主 要表现 在 以下几 个方 面_1 。 1)加工表 面质 量 微 细 电 火 花 加 工 的 工 件 结 构 要 素 尺 寸 一 般 在 数 十 微 米 到数 百 微 米 之 问 ， 在 这 种 尺 度 上 要 达 到 所 要 求 的 尺 寸 精 度 和表 面质 量 ，就 要 图 1 电 火 花 加 工 放 电 凹坑 断 面 几 何 形 状 求 微细 电火 花加工 过程 中的放 电 凹坑及 其昕彤 成 的 表 面粗糙 度值 低 。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 · 76 · 《新技 术新 工艺》·热加 工工 艺技术 与材 料研 究 2009年 第 1期
坑的形状与放电时的等温面基本相似,其断面几何范围内,这就要求伺服控制机构具有很高的伺服进 形状如图1所示。 给精度和进给分辨率。此外,良好的间隙控制系统 凹坑的两个关键几何尺寸是放电凹坑直径D也是保证微细电火花加工能否持续稳定进行的必备 和放电凹坑深度H,基于热源模型假设,并经过大条件。 量的试验,得出放电凹坑直径的经验公式 目前,微细电火花加工技术已广泛用于宇航、航 D=0.151r0te (1)空、电子、原子能、计算机技术、仪器仪表、电机电器 式中,D为放电凹坑直径,μm;Im为脉冲电流幅值;机密机械、汽车拖拉机、轻工业等行业,以及科学研 t为放电持续时间。 究部门。它具有以下优点以及局限性。 微细电火花加工的表面粗糙度与放电凹坑的深 微细电火花加工的优点3: 度H相关。考虑到在重复放电过程中,由于每个脉 1)“以柔克刚”,工具电极与工件材料不接触, 冲放电的凹坑相互重叠,则其放电凹坑的实际深度两者之间基本没有宏观机械作用力,因此能用“软” 一般都小于H,但大于H的1/3。实际表面粗糙度的工具电极加工“硬”的工件。如用石墨,纯铜电极 Rmn还会因为熔融金属的飞溅和粘结镀覆在电极表可加工淬火钢、硬质合金,甚至金刚石。 面,比以此计算出的值要大些。考虑到表面粗糙度、 2)“精密微细”,由于脉冲放电的能量密度可精 放电凹坑深度与放电凹坑直径的数值关系,为了达确控制,两极间又无宏观机械作用力,因此可实现精 到微细电火花加工的要求,应适当选择单向放电脉密微细的加工。如模具、窄缝、窄槽、微小孔等加工, 冲能量的限制条件。 加工精度可达微米级,甚至亚微米级 2)脉冲电源 3)“仿形逼真”,计算机技术实现加工过程的自 微细电火花加工对脉冲电源的要求是单脉冲放动化、智能化,使加工工件仿形更加逼真 电的能量小而且可控。这是因为电火花加工是靠工 4)直接利用电能加工,便于实现自动化,并减 具与工件电极间周期性的脉冲放电来进行加工的,少机械加工工序,加工周期短,劳动强度低。 其加工所需的能量全部是由脉冲电源提供。因此 微细电火花加工的局限性 脉冲电源的电参数对电火花加工的各项工艺指标起 1)主要用于加工金属等导电材料,但在一定条 着决定性的作用。所以,要实现微细电火花加工,得件下也可以加工半导体和非导体材料 到微细加工所要求的表面质量与表面粗糙度,设计 2)加工速度较慢。多采用切削加工来去除大 可控性良好的微能脉冲电源是其要解决的关键技 部分余量,再用电火花精加工,以提高生产率 问题之一。因此,采用新的电力电子技术与设计理 3)“存在电极损耗”。由于电极损耗多集中在 念,设计可控性良好的微能脉冲电源应是未来微细尖角或底面,影响成形精度 电火花加工脉冲电源的一大发展方向。在此方面的 因此,在实际生产应用中,可将微细电火花与其 研究中,目前的主要工作集中在如何有效地减小极他方法相结合,进一步提高生产率。例如微细超声 间杂散电容上,如采用非金属材料床身结构使用尽电火花复合加工技术,即采用超声振动来改善电火 可能短的屏蔽电缆等。 花放电过程中的排屑条件,可以取得明显的效果。 3)微细工具电极的制造和安装 要实现微细轴、孔及微三维结构的电火花加工 2微细超声电火花复合加工机理分析 必须使用极为微细的工具电极。线电极电火花磨削2.1微细超声电火花复合加工过程 (WEDG)技术的成功应用,很好地解决了微细工具 在微细超声电火花复合加工(超声频间隙脉冲 电极的制作与安装问题。为提高微细工具电极的制放电加工)过程中始终有一个恒定的电压作用在工 作和安装精度,可在加工机床上同时安装反拷块及具电极和工件之间,因此,间隙脉冲需要有足够的脉 WEDG装置,用反拷块对工具电极进行微细电极在冲距离和频率,使火花放电后有足够的消电离时间, 线放电加工,实现微细电极的精确制作与精确定位。避免在同一点因产生连续的放电而形成稳定的电 4)伺服控制系统 弧。超声电火花复合加工是在高频脉冲电源作用 要提高微细电火花加工的加工效率,最为有效下,通过工具电极与工件之间的周期性相对运动产 的途径是提高脉冲的有效利用率。由于微细电火花生规则的、参数可控的脉冲放电,实现对工件的热蚀 加工要求单个脉冲的放电能量很小,放电蚀除凹坑加工。这与传统的电火花加工必须使用专用电源实 深度在1pm左右,因此,要使电火花放电正常进现脉冲放电不同,但超声电火花复合加工的物理过 行,伺服进给系统的进给量就必须保持在微米级的程和传统的电火花加工十分相似,都是通过极间脉 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2009年第1期
坑 的形状 与放 电时 的等 温 面基 本相 似 ，其 断 面几 何 形 状如 图 1所示 。 凹坑 的两 个 关 键 几 何 尺 寸 是 放 电 凹坑 直 径 D 和放 电 凹坑 深 度 H，基 于热 源 模 型假 设 ，并经 过 大 量 的试验 ，得 出放 电 凹坑 直径 的经 验公式 D一 0．151 ￡ (1) 式 中，D 为放 电凹坑 直径 ，m；I 为脉 冲电 流 幅值 ； t 为放电持续 时间 。 微 细电火花 加工 的表面粗糙 度与放 电 凹坑 的深 度 H 相 关 。考 虑到在重 复放 电过程 中 ，由于每个 脉 冲放 电的凹坑相 互 重叠 ，则 其 放 电 凹坑 的实 际深 度 一 般都小 于 H，但 大于 H 的 1／3。实际表 面粗糙 度 R… 还会 因为熔融金 属 的飞溅 和粘结 镀 覆 在 电极表 面 ，比以此计算 出的值要 大些 。考虑 到表面粗 糙度 、 放 电凹坑 深度 与放 电 凹坑直 径 的数值 关 系 ，为 了达 到微细 电火花加 工 的要 求 ，应适 当选 择单 向放 电脉 冲能量 的限制条 件 。 2)脉 冲电源 微 细电火花 加工对 脉冲 电源的要求 是单 脉冲放 电 的能量小 而且 可控 。这是 因为电火 花加工是 靠工 具 与工件 电极 间周 期性 的脉 冲放 电来 进 行 加工 的 ， 其加工 所需 的能量 全 部 是 由脉 冲 电源 提供 。因此 ， 脉 冲电源 的电参数对 电火花加 工 的各 项工艺 指标起 着决 定性 的作 用 。所以 ，要实 现微细 电火花 加工 ，得 到微细 加工所 要求 的表 面 质量 与表 面粗 糙 度 ，设 计 可控性 良好 的微能脉 冲电源是 其要解 决 的关 键技术 问题之一 。因此 ，采 用 新 的电 力 电子 技术 与 设计 理 念 ，设计 可控性 良好 的微能 脉 冲 电源 应是 未 来 微 细 电火 花加工脉 冲 电源 的一大 发展方 向 。在此 方面 的 研究 中 ，目前 的主要 工 作集 中在 如何 有效 地 减 小极 间杂散 电容 上 ，如采 用非金 属材料床 身结构 、使用尽 可 能短的屏 蔽电缆 等 。 3)微 细工具 电极 的制造和安 装 要实现 微细轴 、孔 及微 三维结构 的电火 花加工 ， 必须 使用极 为微细 的工具 电极 。线 电极 电火 花磨 削 (WEDG)技术 的成功应用 ，很好 地解 决 了微 细工具 电极的制作 与安装 问题 。为 提高微 细工具 电极 的制 作 和安装精 度 ，可 在加 工 机床 上 同 时安装 反拷 块 及 WEDG装置 ，用反拷块 对工具 电极 进行 微 细 电极在 线放 电加工 ，实现微 细 电极 的精确制 作与精 确定位 。 4)伺 服控制 系统 要 提 高微 细 电火 花加 工 的加 工效 率 ，最为 有效 的途径是 提高脉 冲 的有效 利用 率 。由于微细 电火花 加 工要求 单个脉 冲 的放 电 能量 很 小 ，放 电蚀 除 凹坑 深度在 1 m 左 右 ，因此 ，要 使 电火 花 放 电 正 常 进 行 ，伺 服进 给 系统 的进 给量 就 必须 保持 在 微 米级 的 范 围 内 这就 要求 伺服 控 制 机构 具 有很 高 的 伺服 进 给精 度和进 给分 辨 率 。此外 ，良好 的 间隙 控 制 系统 也是 保证微 细 电火 花加工 能否持续 稳定 进行豹 必备 条件 。 。 目前 ，微 细 电火 花加工 技术 已广泛用 于宇航 、航 空 、电子 、原 子能 、计 算机技 术 、仪 器仪表 、电机 电器 、 机密 机械 、汽车拖 拉 机 、轻工 业 等行 业 ，以及科 学 研 究部 门。它具有 以下优点 以及局 限性 。 微细 电火花加 工 的优 点 ]： 1)“以柔 克 刚”，工 具 电极 与 工 件材 料 不 接 触 ， 两 者之 间基本没有 宏 观 机械 作用 力 ，因此 能用 “软” 的工 具 电极 加工 “硬 ”的工 件 。如 用石 墨 ，纯铜 电极 可加 工淬火 钢 、硬 质合金 ，甚至金 刚石 。 2)“精密微 细”，由于脉 冲放 电的能 量密 度可 精 确控 制 ，两极 间 又无宏观 机械作用 力 ，因此可实 现精 密 微细 的加工 。如模具 、窄缝 、窄槽 、微 小孔等 加工 ， 加工 精度可 达微 米级 ，甚 至亚微 米级 。 3)“仿形 逼真 ”，计 算机技 术实 现加 工过 程 的 自 动化 、智 能化 ，使加 工工件 仿形更 加逼 真 。 4)直 接利 用 电 能加 工 ，便 于实 现 自动化 ，并 减 少 机械加 工工序 ，加工周 期短 ，劳动强 度低 。 微细 电火花加 工 的局限性 ： 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)加工 速度 较 慢 。多 采用 切 削加 工来 去除 大 部 分余量 ，再用 电火花精 加工 ，以提高 生产率 。 3)“存在 电极 损耗 ”。 由于 电 极损 耗 多 集 中在 尖 角或底 面 ，影 响成形精 度 。 因此 ，在实 际生产应 用 中 ，可将微 细电火花 与其 他 方法 相结合 ，进 一步 提 高 生产 率 。例如 微 细 超声 电火花 复合加工 技术 ，即采 用超 声 振 动来 改 善 电火 花 放 电过 程 中的排 屑条 件 ，可 以取得 明显的效 果 。 2 微 细 超 声 电火 花 复合 加 工 机理 分 析 2．1 微 细超声 电火花 复合加 工过程 在微 细超声 电火 花 复合 加 工 (超 声频 间 隙 脉 冲 放 电加工 )过程 中始 终 有一 个 恒定 的电压 作 用 在工 具 电极 和工件 之间 ，因此 ，间隙脉 冲需 要有足够 的脉 冲距离 和频率 ，使火花 放 电后 有足够 的消 电离时间 ， 避免在 同一 点 困产 生 连 续 的 放 电 而形 成 稳 定 的 电 弧 。超声 电 火 花 复合 加 工 是 在 高频 脉 冲 电源 作 用 下 ，通过 工具 电极 与工 件之 问的周 期 性 相对 运 动产 生 规则 的 、参数 可控 的脉 冲放 电 ，实现 对工件 的热蚀 加 工 。这 与传统 的电火 花加工 必须使 用专用 电源实 现 脉 冲放 电不 同 ，但 超 声 电火 花复 合 加工 的物理 过 程 和传统 的电火 花加 工 十分 相 似 ，都是 通 过 极 间脉 《新 技术新工 艺》·热加工 工艺技 术与材 料研究 2009年 第 l期 ·77 ·
冲火花放电加热工具材料,使其熔化或汽化蚀除。态具有明显改善作用。 因此,其单个脉冲放电的物理过程可分为电离击 1)超声波对放电间隙的影响 穿、放电-热蚀、抛出消电离3个阶段 如图3,h,h分别为极间最小、最大放电间隙。 1)电离击穿阶段。当高频脉冲电源将电压作放电加工中,工作液介质被击穿形成放电通道的间 用在两电极之间时,两电极之间立即形成1个电场,隙很小,一般只有几微米。只有工具电极和工件电 见图2a。开始时,因为工作液介质的绝缘作用,极极间的距离满足h,h时,极间没有电流通过,不能形成放 及偶极子将迅速汇集到电场强度最大的区域,形成电通道,工具电极必须向下进给。由于进给驱动装 1个由导电微粒组成的小桥,见图2b。当极间的间置惯性的存在,小距离移动时,很容易发生超调,形 隙减小到一定程度时,形成了全电离的等离子放电成电弧放电或开路状态,导致加工过程中的放电利 通道,即极间的工作液介质被击穿,极间有电流流用率很低,材料去除率难以提高 过,极间电压下降,见图2c。 2)放电热蚀阶段。极间工作液介质击穿后, 大量电子从阴极射出,通过放电通道到达阳极。同 时,通道中的正离子奔向阴极,使电流剧增,见图 放电电压U 2d,放电通道中心形成很高的温度,同时,放电通道 周围的液体介质也受热汽化,形成气泡向外扩张,见 图2e。当极间的距离又开始增大,此时气泡壁继续 放电电流 扩张,压力开始下降,有熔融的材料抛出加工区,见 图2f 3)抛出-消电离阶段。极间距离进一步增大到 定值后,因空化和涡流等作用,放电通道坍塌,消 图3超声波振动放电原理图 电离开始。过热熔融材料在低压下急剧蒸发,连同 当工件附加上超声波振动后,工具端面的瞬时 熔融材料一起抛离电极表面,使表面上放电点处形位移方程式为: 成1个小凹坑,见图2g。当气泡内压力过低时,气 y(r)= Asin2ft 泡开始收缩,材料微粒充满气泡内甚至穿过气泡壁式中,A为工具端面超声波振动的振幅;∫为超声波 进入工作液介质,被迅速冷却形成加工屑,见图2h。振动的频率。得到工具电极工作面与工件表面之间 如此周而复始地重复上述3个过程。 任意时刻的距离表达式为: h(t)=h0+Asin(2mft)。 式中,h。为极间平均距离。当hh4时,工作液 很难被击穿,不能进行脉冲放电加工。由图3看出 只有工具电极与工件之间的距离h与最大放电间隙 h之间满足关系式hmn<hp<hmx时,工具电极可 以进入正常放电间隙实现正常脉冲放电加工,同时 幸还可以避免由于伺服执行机构超调导致的放电不稳 定问题,扩大了放电间隙,弥补伺服进给的机械惯性 的影响,提高了放电加工的稳定性 2)超声振动的空化作用 当工具电极接近工件时,工作液压力急剧增大, 图2微细超声电火花复合加工机理示意图 空腔闭合,引起的液压冲击波,使放电通道集中,放 2.2超声振动对脉冲放电过程的改善作用 电电流密度提高,材料蚀除量加大。当工具电极离 工具端面超声振动在复合加工过程所起的加工开工件时,极间压力下降,甚至导致局部真空,使熔 改善作用主要表现为超声波振动可以避免放电短融材料在低压下2次沸腾,抛出工作区,提高了熔融 路,超声波产生空化、泵吸和涡流作用对脉冲放电状材料抛出比;此时,超声振动在工作液内形成的大量 78· 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2009年第1期
冲火花 放 电加 热 工 具 材 料 ，使 其 熔 化 或 汽 化 蚀 除 。 因此 ，其 单 个 脉 冲 放 电 的 物 理 过 程 可 分 为 电 离一击 穿 、放 电一热 蚀 、抛 出一消电离 3个 阶段 。 1)电离一击 穿 阶段 。当高 频 脉 冲电 源将 电压 作 用在两 电极之 间时 ，两 电极 之 间立 即形 成 1个 电场 ， 见 图 2a。开始时 ，因 为 工作 液介 质 的绝 缘 作 用 ，极 间无 电流通 过 ，随着 工具 电极 的 振 动 ，极 间 间 隙 减 小 ，极 间 电场 强度 增 大 。液 体介 质 中的 导 电杂 质 以 及偶极 子将迅 速汇 集 到 电场 强 度最 大 的 区域 ，形 成 1个 由导 电微粒 组成 的小 桥 ，见 图 2b~当极 间的 间 隙减小 到一定 程度 时 ，形 成 了全 电离 的 等离 子 放 电 通道 ，即极 间 的工 作 液 介 质 被 击 穿 ，极 间有 电 流 流 过 ，极 间 电压下 降 ，见图 2c。 2)放 电一热 蚀 阶 段 。极 间 工 作 液 介 质 击 穿 后 ， 大量 电子从 阴极 射 出 ，通过 放 电 通道 到 达 阳极 。同 时 ，通 道 中 的 正 离 子 奔 向 阴 极 ，使 电流 剧 增 ，见 图 2d，放 电通 道 中心 形 成很 高 的温度 ，同 时 ，放 电通 道 周 围的液体介 质也受 热 汽化 ，形 成气泡 向外 扩张 ，见 图 2e。当极 间的距 离又 开始 增 大 ，此 时 气 泡壁 继 续 扩 张 ，压 力开始 下 降 ，有熔 融 的材料 抛 出加 工 区 ，见 图 2f。 3)抛 出一消 电离 阶段 。极 间 距离 进 一步 增 大 到 一 定值 后 ，因空化 和 涡流 等 作用 ，放 电通 道 坍塌 ，消 电离 开始 。过热熔 融 材料 在 低 压下 急 剧 蒸 发 ，连 同 熔融材 料一起 抛离 电极表 面 ，使 表 面 上放 电点 处 形 成 1个 小 凹坑 ，见 图 2g。 当气 泡 内 压力 过 低 时 ，气 泡开始 收缩 ，材 料微 粒充满 气泡 内 ，甚 至穿过 气泡 壁 进人工 作液介 质 ，被 迅速 冷却 形成 加 工屑 ，见 图 2h。 如此周 而复始 地重 复上述 3个过 程 ]。 t l； h 时 ，极 间没 有 电 流通 过 ，不 能 形成 放 电通 道 ，工 具 电极 必须 向下进 给 。由 于进 给 驱动 装 置惯 性 的存 在 ，小 距 离 移 动 时 ，很 容 易 发 生超 调 ，形 成 电弧放 电或开 路状 态 ，导 致 加 工 过程 中的 放 电利 用率 很低 ，材料 去除率 难 以提 高 。 图 3 超 声 波 振 动 放 电 原 理 图 当工 件 附加 上 超声 波 振 动后 ，工 具端 面的 瞬时 位移 方程式 为 ： (￡)=Asin2~rft。 式 中 ，A 为 工具端 面超声 波振 动 的振 幅 ；f为超 声波 振 动的频率 。得 到工 具 电极 工作 面与 工件表 面之 间 任意 时刻 的距离 表达式 为 ： ^()一 ^0+ Asin(27r )。 式 中 ，h。为极 问平 均 距 离 。当 hh 时 ，：[作 液 很难 被击 穿 ，不 能进行 脉 冲放 电加工 。 由图 3看 出 ， 只有 工具 电极与 工件 之间 的距离 h与 最大放 电间隙 hb之间满 足关 系 式 h <^P< 时 ，工具 电极 可 以进 入正 常放 电间 隙 实现 正 常 脉 冲放 电加 工 ，同时 还 可 以避 免 由于伺服 执行 机构 超调导 致 的放 电不稳 定 问题 ，扩 大 了放 电间隙 ，弥补伺 服进 给 的机械 惯性 的影 响 ，提 高 了放 电加工 的稳定 性 。 2)超声振 动 的空化作 用 当工 具 电极 接近 工件 时 ，工 作液压 力急剧 增 大 ， 空 腔闭合 ，引起 的液 压 冲击 波 ，使 放 电通 道 集 中 ，放 电电流密 度提 高 ，材料 蚀 除量 加 大 。 当工具 电极 离 开 工件 时 ，极 间压 力下 降 ，甚 至导 致 局 部 真空 ，使 熔 融 材料在 低压 下 2次 沸腾 ．抛 ill工作 区 ，提 高 了熔融 材 料抛 出 比；此时 ，超 声振 动 工作 液 内形 成 的大量 · 78 · 《新技 术新 工艺》·热 加工工 艺技 术与材 料研 究 2009年 第 1期
超声微空腔,加速了放电通道的消电离过程,防止电超声频振动使间隙大小产生超声频变化,合适间隙 弧性脉冲放电的发生。 时,高频脉冲(低压直流)电源提供的电压击穿介质 另外,当熔融金属材料液体分子之间的结合力放电;间隙过大时,放电停止 不足以承受超声波产生的交变压力作用时,熔融材 料被抛出,提高了加工材料的抛出比。所以,超声波 微细超声电火花复合加工试验 的空化对于改善电火花加工过程的稳定性、提高材 微细超声电火花复合加工试验,选用有绝缘性 料去除率和表面质量都起着关键作用。 能的无水乙 H:脉冲电压 3)超声振动的泵吸作用 醇磨料悬浮 工具电极超声振动对工作液产生高频交变压力液,超声功 H:放电电流 冲击波工作液压力高频交变极大的改善放电间隙率30W电山LL 内工作液的流动性能。当工具电极靠近工件时,极流传感器标 间工作液压力高于外部工作液压力而被排出,带走定值为5A/图5微细超声电火花复合加 加工碎屑;而当工具电极离开工件时,间隙内部压力75mV,高 工电压与电流波形图 低于外部工作液压力,新鲜工作液不断涌入加工间频脉冲电源调节超声输出频率,保持系统共振,电 隙,工具电极的往复运动还使工作区域内的工作液极端面工作液将产生雾化。使用双通道数字存储示 始终处于流动状态,避免了电蚀产物在电极间的沉波器检测超声发生器超声频电信号。加工电压与电 积,有利于电蚀产物细化和均匀分布,对电蚀产物引流波形如图5所示 起的电场畸变具有一定的“抑制校正”作用 4.1阵列圆形微凹坑超声电火花复合加工试验 4)超声振动的涡流作用 选用阵列圆形(0.5mm)微凸起工具电极,加 超声波振动在2种介质界面入射时,在界面处工参数:工件与工具间静压力2.0N;加工时间2 产生稳定的沿传播方向的静压强,即辐射压强,静压min;W10碳化硼磨料浓度为15%的无水乙醇悬浮 强引起工作液的涡流现象。涡流的存在,有效地阻液;试件材料选用硬质合金YT15和YG8、不锈钢 止了加工碎屑的沉积过程,进一步促进了电蚀产物加工结果如图6a~图6c所示。 分布的均匀性,增加了复合加工过程的稳定性;涡流 还促使工作液中的悬浮磨料对工件表面产生抛磨作 用,提高被加工表面质量。 3微细超声电火花复合加工试验系统构建 硬质合金YT15 b)硬质合金Ye8 微细超声电火花复合加工与普通的(电压脉冲) 电火花放电加工有很大程度的不同,他即可由专用 图6阵列國形微凸起超声电火花复合加工微凹坑 脉冲电源供给实现放电脉冲,也可采用价格便宜的 将加工件置于体视测量显微镜下进行观察、测 低压直流电源,通过工具电极与工件之间的周期性 量,得到超声电火花复合加工微凹坑圆孔直径与加 相对运动产生规则的参数可控的脉冲火花放电,实深度对比关0 现对工件材料的加工放电 系,如图7,由 图7可知,加工 微细超声 电火花复合加 的圆孔直径相a1 工试验系统如 对于电极直径 YT15YG8不锈钢 图4所示,由于 工具电极 略有增加,超声 材料绝对去除 电火花复合加图7超声电火花复合加工微凹坑 绝缘工作液 圆孔直径与加工深度对比图 量较小,且换能 工微凹坑深度 器本身具有振 进给机工作台大于单一超声加工,其中硬质合金Y8表面凹坑深 连通器导 y进给机被 度最大,不锈钢表面凹坑深度最小 幅放大作用,本 密封圈 试验选择不采图4微细超声电火花复合 4.2阵列正方形微凹坑超声电火花复合加工试验 用变幅杆的试 加工试验系统图 选用阵列正方形(0.5mm×0.5mm)微凸起工 验方案,将工具电极与换能器直接相联。在工具和具电极,加工参数:工件与工具间静压力2.0N;加 工件之间接入高频脉冲(低压直流)电源,工具头的工时间2min;W10碳化硼磨料浓度为15%的无水 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2009年第1期
超声微 空腔 ，加 速了放 电通道 的消 电离过 程 ，防止 电 弧性脉 冲放 电的发生 。 另 外 ，当熔 融金 属材 料 液体 分 子之 间 的结 合力 不足 以承受超声 波 产生 的交 变压 力作 用 时 ，熔 融 材 料被抛 出 ，提 高了加 工材料 的抛 出 比。所 以 ，超声 波 的空化 对于改 善 电火花 加 工 过程 的稳 定 性 、提 高 材 料去 除率 和表面质量 都起 着关键作 用 。 3)超声 振动 的泵 吸作 用 工具 电极 超声 振动对 工作液产 生高频 交变压 力 冲击波 ，工 作液压 力高频 交变 ，极 大的改善 放 电间隙 内工作液 的流动 性 能 。当工 具 电极 靠 近 工件 时 ，极 间工作液 压力高 于外 部 工作 液 压力 而 被排 出 ，带 走 加工碎屑 ；而 当工具 电极 离开工件 时 ，间隙 内部 压力 低 于外部 工作液 压力 ，新 鲜 工作 液 不断 涌 入加 工 间 隙 ，工具 电极 的往 复 运动 还 使工 作 区域 内 的工作 液 始终处于 流动状 态 ，避 免 了电蚀 产 物在 电极 间 的沉 积 ，有利 于电蚀产 物细化 和均匀分 布 ，对 电蚀产 物引 起 的 电场 畸变具 有一定 的“抑制 校正 ”作 用 。 4)超声振 动 的涡流作用 超声 波 振动 在 2种 介 质界 面入 射 时 ，在界 面处 产生稳 定 的沿传 播方 向的静压 强 ，即辐 射压 强 ，静压 强 引起工作 液的 涡流 现 象 。涡流 的存 在 ，有 效 地 阻 止 了加工碎 屑的沉 积 过程 ，进 一 步促 进 了 电蚀 产物 分布 的均匀性 ，增加 了复合加 工过程 的稳定 性 ；涡流 还促 使工作 液 中的悬 浮磨 料对工件 表面产 生抛磨作 用 ，提 高被加 工表 面质量 。 3 微 细 超 声 电火 花 复 合 加 工试 验 系统构 建 微细 超声 电火 花复合 加工与普 通 的(电压脉 冲) 电火花放 电加工有 很 大 程度 的 不 同 ，他 即可 由专 用 脉 冲 电源 供给实现 放 电脉 冲 ，也 可 采用 价 格便 宜 的 低 压直 流电源 ，通 过 工具 电极 与工 件之 间 的 周期 性 相 对运 动产 生规则 的、参数可控 的脉 冲火 花放 电 ，实 现 对工件材料 的加工放 电 。 微 细 超 声 电火 花 复 合 加 工 试 验 系 统 如 图 4所 示 ，由于 材 料 绝 对 去 除 量 较小 ，且换 能 器 本 身 具 有 振 幅放 大作 用 ，本 试 验 选 择 不 采 用 变 幅 杆 的 试 工 超声 工 ／／L一：rJ—====，巨■_生_L—兰竺 塑_L_ 连通器导管l密圭 y进给机械 图 4 微 细超 声 电火 花 复 合 加 工试 验 系统 图 工作 台 验方 案 ，将工具 电极 与换 能 器 直 接相 联 。在 工 具 和 工件之间接 入高频 脉 冲 (低 压 直 流 )电源 ，工具 头 的 超 声频振 动使 间隙 大小 产 生超 声 频变 化 ，合 适 间隙 时 ，高频 脉 冲(低 压 直流 )电源 提供 的电压 击 穿介 质 放 电 ；间隙过大 时 ，放 电停 止 。 4 微 细 超 声 电火 花 复 合加 工 试 验 微 细超 声 电火 花 复合 加工 试验 ，选 用 有绝 缘性 能 的 无 水 乙 醇磨 料 悬 浮 液 ，超 声 功 率 3OW ，电 流 传 感 器 标 脉冲 电压 放电电流 定值 为 5A／ 图 5 微细超声电火花复合加 75 mV，高 工电压与电流波形图 频 脉冲 电源 ，调节 超 声输 出频 率 ，保 持 系统 共 振 ，电 极 端面工作 液将产 生雾化 。使用 双通道数 字存储 示 波器 检测超 声发生 器超声频 电信 号 。加工 电压 与电 流 波形如 图 5所示 。 4．1 阵 列圆形微 凹坑超声 电火 花复合加 工试 验 选用 阵 列 圆形 (O．5ram)微 凸起工 具 电极 ，加 工 参数 ：工件 与 工 具 间静 压 力 2．0N；加 工 时 间 2 min；Wl0碳化 硼磨料 浓 度 为 159／5的无 水 乙 醇悬 浮 液 ；试件 材料 选用 硬质 合金 YT15和 YG8、不锈 钢 ， 加 工结果 如 图 6a～图 6c所 示 。 a)硬顺 合金YTl5 豳b)硬 质合金YG8 c)不锈钢 圈 6 阵 列 圆形 微 凸起 超 声 电火 花 复 合加 工微 凹坑 将加 工件 置 于体 视测 量 显微 镜下 进 行观 察 、测 量 ，得 到超声 电火 花复 合 加工 微 凹坑 圆孔 直径 与加 工 深 度 对 比关 0．5 系 ，如 图 7，由 旨。· 图7可知，加工委0-．23 的 圆 孔 直 径 相 0． 1 对 于 电 极 直 径 略有增加 ，超 声 电火 花 复 合 加 工 微 凹坑 深 度 O 曩 _一l 蕞 | 篓 鼍 ；鬻辇 一 ≯嚣 黪；霹 Il 鬻≯ 鬻赣ij_ ≮■ 臻 |I_ YTI5 YG8 不锈钢 图 7 超 声 电 火花 复 合 加 工 微 凹坑 圆 子L直 径 与 加 工 深 度 对 比 图 大于单 一超声 加工 ，其 中硬质 合金 YG8表面 凹坑深 度 最大 ，不锈钢 表面 凹坑深度 最小 。 4．2 阵列正 方形微 凹坑超声 电火 花复合 加工试验 选用 阵列 正方形 (0．5mm×0．5ram)微 凸起 工 具电极 ，加工参 数 ：工件 与工 具 间静 压 力 2．0N；加 工时 间 2min；Wl0碳化 硼磨 料浓 度 为 15 的 无水 《新技术 新工艺》·热加 工工艺 技术 与材料研 究 2009年 第 1期 ·79 ·
乙醇悬浮液;试件材料选用硬质合金YT15和加工效果相似,由于阵列菱形微凸起与工件接触面 YG8、不锈钢,加工结果如图8a~图8c所示。 积大于阵列圆形和正方形微凸起,加工接触应力小, 其微凹坑深度最小。 5结语 1)工具端面超声振动改善微细复合放电加工 过程,超声波产生的空化、泵吸和涡流作用明显改善 a)YT15 微细脉冲放电状态,有效避免放电短、经常性开路、 图8阵列正方形微凸起超声电火花复合加工微凹坑积碳及电弧放电造成的效率、精度下降,甚至难以加 将加工件06 工的技术缺陷 置于体视测量 2)加工系统工作稳定,无电弧放电产生,加工 显微镜下进行 观察测量,得番02 巴查幻基本以线性方式蚀除材料系统无须伺服进给系统 及循环冲液系统,设备成本大为降低;超声频振动可 到各种材料表 顺利排除加工产物,新鲜工作介质可及时循环更 面阵列正方形 YT15 YG 新;加工件表面光整,无烧伤、变质层,精度、效率 微凸起超声电图9超声电火花复合加工微凹坑正 较单纯微细电火花加工有显著提高 火花复合加工 方形边长与加工深度对比图 复合加工系统还需进一步改进,如自动定 微凹坑正方形 位、检测、工作液自动供给过滤方式及合理参数的自 边长与加工深度对比如图9所示 适应寻求等环节还需进一步完善,相信通过后续研 由图9可知,阵列正方形加工效果与阵列圆形 超声振动复合微细放电工艺会得到广泛应用。 加工效果相似,但由于阵列正方形微凸起与工件接 触面积略大于阵列圆形微凸起,加工接触应力相对 [参考文献] 较小,使正方形微凹坑深度稍小于圆形, 1]明平美,胡洋洋,朱健.微细电火花加工MEMS器件技 4.3阵列菱形微凹坑超声电火花复合加工试验 术关键分析[].微纳电子技术,2005(4): 选用阵列菱形(边长0.7mm×0.7mm)微凸起[2徐伟,陈红微细电火花加工实现条件的研究[J.机 工具电极,加工参数:工件与工具间静压力2.0N;床与液压,2007,4(4):8891 加工时间2min;工作液为浓度15%的W10碳化硼 [3]曹风国.电火花加工技术[M].北京,化学工业出版 磨料无水乙醇悬浮液;试件材料选用硬质合金 [4]张建华,张勤河,贾志新复合加工技术[M].北京化学 YT15、YG8及不锈钢,加工结果如图10a~图10c 工业出版社,2005 所示 [5]苏达土,李丹峰.推广超声一放电复合加工方法几个关 键问题[J].韶关学院学报·自然科学,2005,2(69):45-47 L6 Zhu Yongwe, Xu Yuming, Yun Naizhang, The Test Study of Ultrasonic Combined Electrochemical Micro- machi- ning, 15* International Symposium on Electromachining (ISEM XV), Pittshurgh, USA 2007: 493-498 图10阵列菱形微凸起超声电火花复合加工微凹坑 作者简介:竺志大(1965-),男,工程师,主要从事机电设备制 将加工件置08 造工艺技术设计与研究 于体视测量显微 收稿日期:2008年5月10日 镜下进行观察 责任编辑吕德龙 测量,得到各种 北四 材料表面阵列菱 形微凸起超声电图11超声电火花复合加工微凹坑 火花复合加工微 菱形边长与加工深度对比图 凹坑菱形边长与加工深度对比如图11所示。 由图11可知,阵列正方形加工效果与阵列圆形 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2009年第1期
乙醇 悬 浮 液 ；试 件 材 料 选 用 硬 质 合 金 YT15 和 YG8、不锈钢 ，加工 结果 如 图 8a～ 图 8c所 示 。 幽a)~Frl5 圈b)YG8 c)不 锈 钢 图 8 阵列 正 方 形 微 凸 起 超 声 电 火 花 复 合加 工 微 凹坑 将加 工 件 0．6 置 于体 视测量 显微镜 下进 行 观 察 测 量 ，得 到各种 材料 表 面阵列 正方 形 微 凸起 超声 电 火 花 复合加 工 微 凹坑正方 形 §0。4 0．2 边 长与 加工深 度对 比如 图 9所示 。 由图 9可 知 ，阵列 正 方形 加 工效 果 与 阵列 圆 形 加 工效果 相似 ，但 由于 阵 列正 方 形 微 凸起 与 工 件 接 触 面积 略大于 阵列 圆形 微 凸起 ，加 工 接触 应 力 相 对 较 小 ，使 正方形 微 凹坑 深度 稍小 于圆形 。 4．3 阵列菱 形微 凹坑超声 电火 花复合 加工试 验 选 用阵列 菱形 (边 长 0．7mm×0．7ram)微凸起 工具 电极 ，加 工参 数 ：工 件 与 工具 问静 压 力 2．0N； 加 工时 间 2min；工作 液为浓 度 15％的 Wl0碳 化 硼 磨 料 无 水 乙 醇 悬 浮 液 ；试 件 材 料 选 用 硬 质 合 金 YT15、YG8及不 锈 钢 ，加 工 结 果 如 图 10a～ 图 1Oc 所示 。 a)YTl5 b)YG8 c)不锈钢 图 lO 阵列 菱 形 微 凸 起 超 声 电 火 花 复合 加工 微 凹坑 将 加 工 件 置 0．8 于体视测量显微 §。· 测 量 ，得 到 各 种 ～ 材料 表 面 阵 列 菱 YT15 YG8 不锈钢 形 微 凸 起 超 声 电 图 11 超声电火花复合加工微凹坑 火 花 复 合 加 工 微 菱形边长与加工深度对比图 凹坑菱形 边长 与加工 深度 对 比如图 11所示 。 由图 11可知 ，阵列正 方形加 工效果 与 阵列 圆形 加工效 果相 似 ，由于 阵 列菱 形 微 凸 起 与工 件 接触 面 积大 于阵列 圆形 和正方 形微 凸起 ，加 工 接触应 力小 ， 其微 凹坑深 度最 小 。 5 结 语 1)工 具端 面 超声 振 动改 善 微 细 复合 放 电加 工 过程 ，超声 波产生 的空化 、泵 吸和涡 流作 用明显 改善 微细 脉冲放 电状 态 ，有 效 避免 放 电短 、经 常性 开 路 、 积碳 及电弧 放 电造 成 的效率 、精度下 降 ，甚 至难 以加 工 的技 术 缺陷 。 2)加 工 系统 工 作稳 定 ，无 电弧 放 电产 生 ，加 工 基本 以线性 方式 蚀 除材 料 ；系 统 无 须伺 服 进 给 系统 及循 环冲液 系统 ，设备 成本 大为降低 ；超声 频振 动可 顺利 排 除 加 工 产 物 ，新 鲜 工 作 介 质 可 及 时 循 环 更 新¨6]；加 工件 表面 光 整 ，无烧 伤 、变质 层 ，精 度 、效 率 较单 纯微 细 电火 花加 工有显 著提 高 。 3)复 合 加 工 系 统 还 需 进 一 步 改进 ，如 自动 定 位 、检测 、工作液 自动供 给过 滤方式 及合 理参 数 的 自 适应 寻求 等环节 还 需进 一 步 完 善 ，相信 通 过 后 续研 究 ，超 声振 动复合 微 细放 电工艺会 得 到广泛 应用 。 [参 考文献] [1]明平美 ，胡洋洋 ，朱健．微 细电火 花加工 MEMS器 件技 术关键分析EJ]．微纳电子技 术 ，2005(4)：157—163． [2]徐伟 ，陈吉红．微细 电火花 加工实 现条件 的研究 [J]．机 床 与 液 压 ，2007，4(4)：88—91． [3]曹凤 国．电 火 花 加 工 技 术 [M]．北 京 ，化 学 业 出 版 社 ，2004． [43张建华 ，张勤河 ，贾志新．复合加工技术 [M]．北 京．化学 工 业 出 版 社 ，2005． [5]苏达士 ，李丹峰．推广超 声一 放 电复合加 工方法 几个关 键问题EJ]．韶关学 院学 报 ·自然科学 ，2005，2(69)：4547． E63ZhuYongwe，XuYuming，YunNaizhang，TheTest StudyofUltrasonicCombined ElectrochemicalMicro—machi— ning， 15 International Symposium on Electromachining (ISEM XV)，Pittshurgh，USA ，2007：493—498． 作者简介 ：竺志大 (1965一)，男 ，工程师 ，主要从事 机 电没备制 造 工 艺 技 术 设 计 与 研 究 。 收 稿 日期 ：2008年 5月 10日 责 任编辑 吕德 龙 · 8O · 《新技术 新 工艺》·热加 工工 艺技术 与材 料研 究 2009年 第 1期