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1、现代制造工艺技术之电火花加工工艺摘要：电火花加工技术因其独特的优势，对于传统的切削加工难于胜任的超硬、耐高温合金等难加工材料 以及深孔、窄缝等形状的加工，成为一种不可或缺的加工方法。电火花加工技术是精密机械工程和精密仪 器科学的关键技术之一,在航空航天、医疗生物工程、微型机器人、微型传感器等众多领域中,解决了微电 子、微结构、难加工材料、新型材料的微制造技术难题,发挥了不可替代的关键作用。随着科学技术的不断 发展和实际生产需要，各行业都对电火花加工技术提出了更高的要求，而在未来电火花加工技术将朝着： 加工精密化、加工微细化、加工高效化、加工绿色化不断发展，并将为制造行业做出更大贡献。 关键词：
2、电火花加工 关键技术 发展趋势0 引言：电火花加工技术是历史最悠久的特种加工方法，在模具制造业、航空和航天、电子等 众多领域得到了广泛的应用。对于传统的切削加工难于胜任的超硬、耐高温合金等难加工材 料以及深孔、窄缝等形状的加工，电火花加工技术显示出其独特的优势，成为加工这些材料 不可缺少的加工方法1。国家科技部在 2013 年度“十二五”国家科技计划先进制造技术领域 项目中，在有关装备与工艺一栏里关于材料、结构一体化高性能构件高效复合加工工艺技术 及装备一项明确提出：针对航空发动机涡轮叶片、燃烧室喷油部等海量气膜孔加工需求，研 究微小群孔电火花-电解和激光-电解 2 种复合加工工艺，开发专用装
3、备和工具、形成技术规 范，在航空发动机企业制造示范应用，显著提高制孔效率和质量。再次将电火花加工推到研 发前沿。随着科学技术的不断发展和实际生产需要，各方面都对机械制造提出了更高的要求： 产品向小批量、多品种的柔性制造方向发展，制造精度要求越来越高，制造周期要求越来越 短。由于能源和环境保护等问题，制造业还需要实现可持续发展。在这样的背景下，电火花 加工因其自身独一无二的特点出现在世人眼里2。而且，实际加工中，电火花成形加工与其 他一些特种加工相互结合，更是起到了相得益彰的作用。如：电火花加工与高速铣削加工已 相互结合成为唇齿相依的两种加工工艺方法。在国外，高速铣削加工已经将电火花成形加工 推
4、向精加工的新高度，在电极制造和型腔预铣上提供了很大的方便，使电火花成形加工功能 的利用更合理、更有效。正因如此高速铣削加工和电火花成形加工之间联系已变为非常紧密， 市场上，高速铣削加工和电火花成形加工机床捆绑销售已成为大趋势3。1 电火花加工工艺介绍电火花加工工艺是指在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀 作用，对工件进行加工的方法。该工艺最初是在1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲 电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。50年代改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还 采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后
5、又 出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提 高。60年代出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗， 并扩大了粗精加工的可调范围。70年代出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和 可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的 进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利 用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制4。进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工 作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电
6、极向工件进给，当两电极间的间隙达 到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。 在放电的微细通 道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点 工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形 成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短 暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上 述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用， 就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。在
7、保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件 下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状 相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式， 就能加工出各种复杂的型面。工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和 钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。2 电火花加工用材料的选取与强化2.1 材料选取随着加工业的迅速发展,电火花加工技术得到普遍的应用,高速走丝电火花线切割机床是 由我国发明的、适合我国国情的机床,它的最大特点是电极丝可以循环使用,因此使用成本很
8、 低。电火花线切割加工用电极丝主要是钼丝或钼钨合金丝,最常见的是钼丝,它以价廉、韧性 好、强度高、导电性能好以及伸长率低等优点,常被选作较为理想的工具电极。可切割各种 钢材和硬质合金,加工形状极其复杂的零件,其放电加工稳定,能有效地提高模具的精度。 钼、 钨都属于难熔金属,同时也属于稀有金属品种,具有许多重要的性质,而我国也是世界上钨钼 生产与应用大国。近年来,线切割加工中钼丝的用量增加很快,在钼金属加工行业占据越来越重要的位置。 目前,国内市场的线切割钼丝牌号大部分为纯钼金属,使用中效果参差不齐,甚至部分厂家生 产的钼丝在使用中存在需频繁紧丝、使用寿命短等问题。随着现代工业的发展,高速走丝线
9、 切割技术应用对钼及钼合金的性能提出了新的要求。当温度超过1 000c时，钼丝产生再结晶 现象,组织结构由纤维状转变成等轴状,发生脆性变化5,使钼丝的使用温度范围受到一定的 限制。因此,人们为了扩大钼丝的温度使用范围,降低钼的塑脆转变温度,增加延伸性,提高钼的 再结晶温度和高温强度,对钼丝再结晶温度的提高做了大量研究,有效地提高了钼丝的性能, 取得了一定进展6。2.2 材料强化纯钼制品显示出某些性能的不足,极大地限制了其使用范围和使用效果。因此,提高钼丝 的再结晶温度,扩大钼丝的使用温度范围,提高钼丝的抗拉强度,减少断丝,延长钼丝寿命,成了 材料工作者的当务之急,目前普遍采用的方法是合金化和掺
10、杂。2.2.1 合金化处理即在钼中加入少量合金元素,常用的合金元素为锆、铪、钛。研究表明,这些合金元素可 提高钼的再结晶温度,如 TZM 就是钛、锆、钼合金。其中,钛的最佳含量约为 0.15%;而锆对钼 的强化效果要比钛好得多,锆的含量为 0.11%0.14%,可有效提高钼的再结晶温度。但这种合 金的价格较昂贵，一般用。Al、Si、K替代。钼工业在钼丝中掺入Al、Si、K等元素，提高钼丝 的再结晶温度，最早应用这种方法出现在20世纪70年代末，这种掺杂Al、Si、K的钼称为高温 钼（HTM）。和纯钼丝相比，高温钼的再结晶温度提高了约400C,且再结晶后得到长宽比大的大 晶粒组织4。而一般用到的
11、添加掺杂元素的方法主要有两种,即液-固掺杂法和液-液掺杂法。 目前,广为采用的是液-固掺杂法，即用K2SiO3、A1（NO3）3和KCl溶液与固态MoO2混合并蒸干， 但均匀性不尽如人意。故未来的发展方向是掺杂溶液与钼盐混合,然后经喷雾干燥和热解,还 原获得掺杂均匀的钼粉7。2.2.2 添加稀土元素进一步提高钼的再结晶温度和高温抗蠕变性能,必须把稀土氧化物添加到钼制品中,并显 著降低钼的塑脆转变温度,增加延伸性,改善了钼的室温脆性和高温抗下垂能力。由于稀土氧 化物添加钼材具有优异的综合性能及可加工性,人们对钼制品掺杂稀土化合物提高钼制品的 性能做了大量研究，并取得了一定成绩。常用于掺杂钼丝的主
12、要稀土有:轻稀土 La（镧）、Ce（铈）、 Pr（错）等元素和重稀土 Sm（钐）、Eu（铕）、Gd（轧）等元素。成都电子机械高等专科学校电加工高 校重点实验室科研人员针对钼丝使用过程中出现的问题,通过复合添加 W、 V 等合金元素以 及多种稀土氧化物,制备出的高性能钼丝,显示了良好的耐磨性能和抗拉强度8。钼工业的发展与进步伴随着我国线切割钼丝应用范围的扩大,因此,必须提高钼丝的再结 晶温度范围,利用稀土对钼丝制备的作用效果,制备出符合高质量高速走丝线切割加工的钼丝, 对提高加工工件的精度、加工效率以及钼丝自身的使用寿命,都有着十分重要的意义。3 电火花加工的关键技术9早在20世纪60年代末，荷
13、兰Philips研究所Dsenbruggen等人利用微细电火花成形加 工技术成功地加工出了直径30p m,精度为0.5p m的微孔。由于当时条件无法解决微细电 极的在线制作问题，使得加工效率偏低，加工精度一致性较差，这一成果当时并未引起人们 足够的重视。到了 20世纪90年代后，随着现代电力电子技术的发展，尤其是线电极电火花 磨削（Wire Electrode Discharge Grinding, WEDG）技术的逐步成熟与应用，成功地解决了微 细电极的在线制作这一瓶颈问题，使得微细电火花成形加工技术进入了实用化阶段，并成为 微细加工领域的热点研究内容之一。微细电火花成形加工的原理与普通电火
14、花成形加工无本 质区别，但也有其特殊性，具有以下5项加工关键技术。3.1 微小能量脉冲电源由于被加工对象微小，而且要达到亚微米级的加工精度及表面粗糙度，因此，必须使单 个脉冲的放电能量控制在 10-610-7J 数量级之间3-4。故针对精密微细电火花成形加工发展 的需要，国内外开展了有关微能电源方面卓有成效的研究工作，并已经形成工业产品。如山 东工业大学开发的可控RC微能电源；瑞士阿奇夏米尔公司研发的HSS节能脉冲电源、日本 三菱电机公司和沙迪克公司分别研发的FS型和SQ型超精加工脉冲电源等。清华大学的李勇 等人研制出的RC脉冲电源电压为60120 V无级可调，放电电容为1002700 pF分
15、为6级， 加工出最小直径为25p m,最大深宽比超过20的轴。但RC脉冲放电电源的可控性和加工 效率较差，所以高频数控脉冲电源的研制是微细电火花加工电源发展的方向之一。同时，吸 收和利用电力电子技术、计算机控制技术和现代控制理论等学科发展的成果，结合微细电火 花成形加工发展趋势，节能化、智能化、皮秒纳秒量级超窄脉宽是微能脉冲电源努力研发方 向。在采用 RC 弛张式脉冲电源时，脉冲宽度和峰值电流一定，随着加工面积的改变，加工 条件自然会发生相应变化，从而影响到电极损耗和加工速度的变化。而电极损耗是制约微细 电火花成形加工技术应用的一个主要问题，李勇等人对三维微细结构电火花伺服扫描加工技 术进行了
16、研究，开发出三维微细结构的电火花伺服扫描加工工艺，解决了微细电火花成形加 工的精度问题。3.2 高精度微笑进给装置由于微细电火花成形加工要求单个脉冲的放电能量很小，放电蚀除凹坑深度在1p m左 右。因此，为使火花放电正常进行，伺服进给系统的进给量必须在微米级的范围内。这就要 求微细电火花成形加工的伺服系统和执行机构具有足够高的响应速度和控制灵敏度。传统的 电机丝杠进给伺服系统传动链偏长，传动装置存在一定间隙（特别是使用一段时间之后）， 因此，无论传动精度还是系统的频率响应都较差，很难满足微细电火花成形加工技术的要求。 20世纪90年代开始出现了电极直接驱动技术，并研制了多种电极直接驱动的微型电火花成 形加工装置，其典型进给形式有：蠕动式、冲击式、椭圆式和超声式，这些装置不存在传动 中间环节，大大提高了传动精度和响应频率。目前，该类加工装置的进给精度一般可达数十 纳米级，响应频率在几赫兹至 1000Hz。3.3 微细工具电极制
