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标 题: [转载] 微细电火花加工关键技术研究(二)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Apr 24 19:46:14 2000), 转信
【 以下文字转载自 NTM 讨论区 】
【 原文由 oil 所发表 】
电火花加工是利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料局部熔
化和汽化，从而达到蚀除加工的目的。电火花加工由于其非机械接触加工的特点，适应微型机械
制造的要求。微小电极线放电磨削工艺［1］的开发问世，促进了微细电火花加工的实现进程。国
内外对微细电火花加工技术的不断研究探索［2，3］，已使微细电火花加工在与微型机械制造结合
及实用化方面取得了较大进展。
本研究围绕微细电火花加工的关键技术实现，开发出一种采用蠕动式微进给机构的微细电火
花加工装置，并进行了加工工艺研究。微细电火花加工装置主要由蠕动式微进给机构、微小能量
放电电源、微小电极线放电磨削制作机构、精密旋转主轴头、加工状态检测与控制系统等构成。
在工艺技术上探讨了微小轴(工具电极)、高深宽比微小孔、非圆截面形状和三维结构成型、以及
半导体硅材料等的加工方法。
1 加工系统构成
研究开发出的采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置的设计构成如图1所示，蠕动式
微进给机构直接驱动控制旋转主轴头的轴向进给运动，精密旋转主轴头与线放电磨削走丝机构相
结合制作微小轴(工具电极)，采用RC脉冲式微小能量放电电源，并利用平均充放电电流进行加工
状态的检测。加工过程中主控计算机根据由检测回路反馈的电流值识别出加工状态，经驱动电路
控制轴向伺服进给运动，以图保持最佳放电加工状态。
图1 微细电火花加工装置构成
微小工具电极的在线制作采用如图1中所示精密旋转主轴头与线放电磨削走丝机构相结合的
方法。与金属丝矫直、毛细管拉拔或金属块反拷等方法相比，容易得到更小尺寸的电极轴且易保
证较高的尺寸和形状精度。其丝线的移动实时补偿放电加工所致的直径损耗，而走丝导块保证丝
线和被加工轴之间的径向位置。在机构设计实现中，为减小分布电容的影响，电极夹头与主轴头
的联接部和线放电磨削机构的导丝部分采用了陶瓷等绝缘构件。
微细电火花加工放电间隙的减小要求在电极进给方向具有更精密的伺服进给控制。压电/电
致伸缩固体致动器的高位移分辨率和高频响特性使其在精微进给定位技术中具有特殊的魅力。研
制的用于微细电火花加工装置伺服进给控制的提高轴向刚度和输出推力的蠕动式压电/电致伸缩
微进给机构［4］如图1中所示，由沿轴向配置的圆筒状压电/电致伸缩致动件、两端的径向箝位夹
紧机构和导向固定件、以及进给驱动主轴和预紧弹簧等构成。通过采用电磁致动的柔性铰链构成
的周向分布式杠杆箝位机构提高箝位夹紧力，导向固定件提高轴向刚度和导向精度。位移行程仅
取决于主轴自身的长度，主轴的正反向运动由上下夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的动作
控制顺序决定，进给速度通过改变加于致动件的电压波形以及箝位动作频率调节。
电火花加工单个脉冲的蚀除量正比于单个脉冲放电能量，而单个脉冲放电能量Wp如下式所
示。
式中T，t分别为脉冲宽度和放电时间，u(t)，i(t)分别为放电电压和电流。微细电火花加工要求
单个脉冲放电能量的微小化，这就需要考虑放电电压和电流以及脉冲宽度的减小。但虽然对应不
同的工具电极和工件材料有所差异，放电电压和电流有一确定的取值范围才能维持连续稳定的电
火花加工，因此减小脉冲宽度是单个脉冲放电能量的微小化的合理途径。微细电火花加工的单个
脉冲放电能量约在0.1～1μJ量级，相应的脉冲宽度极小。实现微小能量的放电加工，采取RC脉
冲式放电电源不失为一简单可靠的选择。研制出的RC脉冲电源电压为60～120V无级可调，放电电
容为100～2700pF分为6级。
为实现连续正常的微细电火花放电加工，采用了平均充放电电流进行加工状态的检测。反映
加工状态处于正常加工、短路或开路的电流信号经低通滤波、A/D转换后反馈至计算机主控程
序。在主控程序中，根据平均电流反映的加工状态信息，进行了可以优化进给机构进给速度的自
适应控制。
2 加工工艺实验
影响电火花加工的因素比较多，涉及电极和工件材料、工作液、加工极性、放电脉冲能量和
频率、以及加工过程中的诸多工艺条件等。微细电火花加工对机、电两方面的加工条件要求更为
苛刻，特别是放电能量和放电间隙的减小，使微细电火花加工受加工状态的影响显著。本研究在
工具电极材料、工作液、加工极性保持不变的条件下，对微小圆孔的加工进行了实验探索，以�
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图2(a)、图2(b)所示分别为放电电容和工具电极直径对微小圆孔加工过程变化的影响，所用
工件为厚0.5mm的不锈钢板，加工电压为100V，主轴转速为1200r/min。由图可看出加工过程分为
三个阶段，在最初电极进给量约小于0.5mm，即加工深度较小时加工速度处于正常阶段；在进给
量为0.5～0.6mm阶段，由于加工深度增大导致排屑不畅，加工速度明显降低；之后工件被贯穿，
进给速度迅速提高。根据贯穿工件的厚度和电极的进给量，可知电极损耗长度约为0.1mm，即电
极损耗比约为20%。由图2(a)知，放电电容的减小直接导致单个脉冲放电能量的减少，从而降低
加工速度。但与此同时加工表面质量会相应提高，放电电容为100pF时表面粗糙度Ra可达0.1μm
量级。由于单个脉冲放电能量与放电电容和电源电压的平方成正比，加工实验亦验证了电源电压
的改变对加工速度的影响。由图2(b)知，随着加工孔径的减小，加工进给进度相对提高，而工具
电极的损耗比基本不变。
(a) 孔径190μm
(b) 放电电容1000pF
图2 微小圆孔加工进给过程
利用微小圆轴进行微小圆孔的加工一般可顺利达到0.4mm～0.5mm左右的深度，当工件厚度超
过0.5mm时，加工过程的第二阶段加长，排屑不畅使加工状态趋于不稳定，甚或加工状态恶化不
能贯穿工件。加工微小孔时利用工作液循环强制排屑很难奏效，排屑须依靠放电时产生的压力气
泡自动带出。工具电极的旋转虽然有助于排屑和提高加工稳定性，但由于侧向放电间隙较小，使
得能够加工的孔深毕竟有限。
为实现高深宽比微小孔的高效率加工，采取了修整工具电极的方法。即使电极不转但分度，
利用线放电磨削机构将电极轴二边对等削去一部分。实验中单侧削去部分约为轴径的1/5～1/4，
既不过分削弱轴的刚度和端面放电面积，又造成足够的排屑空间。在用这种削边电极加工厚度
1mm不锈钢板的进给过程中，电极随主轴旋转加工微小孔的排屑效果显著改善，能够保持稳定的
加工状态和较高的进给速度。以加工电压100V，主轴转速1200r/min，放电电容1000pF的加工条
件，贯穿1mm深的直径145μm微小孔所用时间不到4min。
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