微細(xì)電火花三維凹模加工中錐度問題的研究

于騰龍，余祖元，李 偉，鞏向偉，丁青旺，李劍中

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，微小型產(chǎn)品扮演著舉足輕重的角色，同時(shí)，產(chǎn)品的微型化也是許多領(lǐng)域未來發(fā)展的方向，微孔、微槽及微型元件等都在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。微細(xì)電火花加工工藝是在工具與工件之間施加脈沖電源，當(dāng)工具與工件達(dá)到一個(gè)很小的距離（放電間隙）時(shí)，極間就會形成放電通道，產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫可將工件與工具上的材料熔化和部分汽化去除。因此，微細(xì)電火花加工可用于加工所有導(dǎo)電材料，而不受材料硬度等機(jī)械性能的影響。由于加工過程中不存在工具與工件的機(jī)械接觸，故可采用硬度較低的導(dǎo)電材料作為工具電極。這些優(yōu)點(diǎn)使微細(xì)電火花加工廣泛應(yīng)用于微孔、微小零部件和微型模具的加工[2-4]。

然而，微細(xì)電火花加工仍存在一些缺點(diǎn)限制著它的發(fā)展。?p?z等[5]在加工盲孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工到一定深度時(shí)，由于電極的徑向損耗，電極端部會變尖，加工出的孔也會變尖。Diver等[6]在加工通孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，電極進(jìn)給到預(yù)定深度時(shí)，孔的出口處直徑會變小。這是由于當(dāng)孔被加工通透時(shí)，絕緣介質(zhì)可從出口流出，使懸浮在絕緣介質(zhì)中的加工產(chǎn)物濃度減小，進(jìn)而導(dǎo)致二次放電現(xiàn)象減少。Hung等[7]利用類似鉆頭的螺旋電極和超聲振動工件的方式加工孔，并進(jìn)行光整加工，能很好地減小孔出、入口的直徑差；但這種螺旋電極不易加工。Kim等[8]利用圓柱電極和超聲振動，并采用后期增大電容的方式加工通孔，能將孔出、入口的直徑差減小到1 μm；但使用大電容會導(dǎo)致孔的表面質(zhì)量降低及產(chǎn)生明顯的放電痕跡。

雖然目前對上述現(xiàn)象的研究還僅限于孔，在微細(xì)電火花三維加工中還未見相關(guān)研究的報(bào)道，但本課題組在微沖裁模具的加工過程中已發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象同樣存在于三維微模具的加工中，即凹模型腔的入口處尺寸會大于出口處尺寸，這將導(dǎo)致落料困難。本文通過立式微細(xì)電火花加工設(shè)備對該問題進(jìn)行研究，并通過增大電極進(jìn)給深度的方法使問題得到了較好的解決。

1 實(shí)驗(yàn)方法及加工條件

在加工三維型腔時(shí)，由于電極損耗、電極與工件之間二次放電等原因，導(dǎo)致型腔入口尺寸大于出口尺寸，在此將其差值稱為“錐度”。為簡化加工過程，且使型腔具有一定代表性，本文選用加工深度為500 μm的正方形通透型腔對錐度問題進(jìn)行研究。電極材料為鎢，工件材料為黃銅，方腔設(shè)計(jì)尺寸為 500 μm×500 μm。

為減少加工時(shí)間，提高加工效率，先采用直徑300 μm的鎢電極和較大的放電能量，在方腔中心位置鉆孔，去除大部分材料，加工參數(shù)見表1；再通過線電極電火花磨削工藝[9]加工出尺寸適當(dāng)?shù)碾姌O，并利用層層銑削的加工方法[10]和較小的放電能量，按方腔輪廓的軌跡加工出通透的方腔，加工參數(shù)見表2。表中所示的層厚為每層進(jìn)給量，進(jìn)給深度為工具電極的總進(jìn)給深度。

表1 鉆孔參數(shù)

表2 銑輪廓參數(shù)

2 超聲輔助振動工作液加工方腔

在微細(xì)電火花加工中，隨著加工的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物逐漸增多且堆積在加工區(qū)，這會引起電極與工件之間的二次放電，使工件入口處尺寸增大。采用超聲波輔助振動工作液的方法，在加工區(qū)下方放置超聲波振動器（圖1），通過振動工作液的方式，將加工區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物加速沖出，能減少電極與工件之間發(fā)生二次放電的機(jī)會。超聲波振動器的振動頻率為1700 kHz，功率為19 W，額定工作電壓為24 V。

圖1 超聲波振動器

為研究超聲波振動對加工的影響，在僅改變超聲波振動電壓、其余加工參數(shù)不變的條件下進(jìn)行了6組實(shí)驗(yàn)。電壓值從12 V逐漸增加至17 V，每次增加1 V。在不同的振動電壓下得到的錐度值見圖2?？煽闯觯?dāng)振動電壓為13 V時(shí)，錐度值最小。

圖2 不同振動電壓下的錐度

加工時(shí)間與振動電壓之間的關(guān)系見圖3?？煽闯?，無論振動電壓值如何變化，甚至不施加超聲振動，加工時(shí)間都在50 min以上，且變化不大。這是因?yàn)樵诩庸とS型腔時(shí)，加工區(qū)的狀態(tài)并不像加工孔時(shí)那么惡劣，且為了加工的型腔邊緣鋒利，放電能量和每層的層厚并不是很大，加工產(chǎn)物沒有加工孔時(shí)那么多，所以加工過程中短路信號很少。因此，振動對加工時(shí)間的影響不明顯。

圖3 加工時(shí)間與振動電壓的關(guān)系

電極軸向損耗與振動電壓的關(guān)系見圖4?？煽闯?，施加超聲振動后的電極軸向損耗明顯小于未施加超聲振動的電極軸向損耗，且隨著振動電壓的增加，電極軸向損耗有所減小。這是因?yàn)槌曊駝佑兄诩庸ぎa(chǎn)物的排出，但振動電壓不能太大，否則加工出的型腔錐度也會變大。

圖4 電極軸向損耗與振動電壓的關(guān)系

綜合以上3個(gè)參數(shù)的變化，超聲振動電壓宜選擇13 V。

3 電極變形對錐度的影響

在微細(xì)電火花加工中，加工時(shí)產(chǎn)生的爆炸力可能會使電極發(fā)生變形，電極的長短不同，發(fā)生變形的程度也不同。前述實(shí)驗(yàn)都是在電極長度為1.5 mm時(shí)進(jìn)行的，在此使用長度為1 mm的電極做對比實(shí)驗(yàn)。加工條件見表1、表2，振動電壓為13 V。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電極長度為1 mm時(shí)加工出的方腔錐度為3.7956 μm，電極長度為1.5 mm時(shí)加工出的方腔錐度為3.0563 μm?？梢妰煞N電極加工出的方腔錐度相差很小，差值可能是由于測量誤差引起的。因此，電極長度在此范圍內(nèi)，電極的變形對方腔的錐度基本無影響。

4 進(jìn)給深度對錐度的影響

為研究進(jìn)給深度對錐度的影響，在此分別選用厚度為0.1、0.5 mm的銅片，進(jìn)行鉆孔和加工方腔的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)施加超聲振動，振動電壓為13 V。為了對鉆孔和加工方腔進(jìn)行對比，鉆孔的加工參數(shù)與加工方腔輪廓的參數(shù)一樣。由于二次放電的發(fā)生與加工時(shí)間有關(guān)，加工時(shí)間越長，發(fā)生二次放電的機(jī)會越多，所以調(diào)整鉆孔的加工時(shí)間，使其盡量與銑方腔的加工時(shí)間相近。

圖5和圖6分別是在0.1、0.5mm厚的銅片上鉆孔得到的孔的錐度與進(jìn)給深度之間的關(guān)系?？煽闯觯S著進(jìn)給深度的增加，能在一定程度上減小孔的錐度，但減小趨勢逐漸變緩。如圖5所示，當(dāng)進(jìn)給深度從200 μm增加至600 μm時(shí)，錐度減小1.0811 μm；當(dāng)進(jìn)給深度從600 μm增加至1200 μm時(shí)，錐度減小0.2704 μm。這是因?yàn)榭妆患庸ねㄍ笗r(shí)，加工產(chǎn)物從出口排出，懸浮在加工區(qū)域絕緣介質(zhì)中的加工產(chǎn)物濃度減小，使出口處的材料去除量減少。此外，由于電極與工件之間的加工間隙逐漸增大，二次放電的能力逐漸減弱，導(dǎo)致加工速率變慢。

圖5 在0.1mm厚的銅片上加工孔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

圖6 在0.5mm厚的銅片上加工孔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

圖7 是在0.1mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度之間的關(guān)系?？煽闯?，隨著進(jìn)給深度的增加，錐度明顯降低。這是由于加工過程中電極會有損耗，且電極端部的損耗比電極根部多，導(dǎo)致加工出的方腔入口處尺寸大于出口處尺寸。同時(shí)，在電極與工件之間還會出現(xiàn)二次放電現(xiàn)象，加工時(shí)間越長，二次放電越嚴(yán)重，這進(jìn)一步使加工出的方腔入口處尺寸大于出口處尺寸，且在銅片剛剛被加工透時(shí)差值最大，即錐度最大。當(dāng)銅片加工透后，電極繼續(xù)進(jìn)給，電極未使用的部分會對方腔出口處未加工掉的材料繼續(xù)進(jìn)行加工，使錐度繼續(xù)減小。此外，隨著加工的進(jìn)行，方腔入口處的電極與工件之間的加工間隙逐漸增大，二次放電的能力減弱，加工的速率會減慢；而方腔出口處剛剛被加工透，電極與工件之間的加工間隙還很小，二次放電的能力較強(qiáng)，加工的速率也會比入口處快，從而進(jìn)一步減小方腔錐度。因此，當(dāng)電極進(jìn)給到600 μm時(shí)，方腔的錐度已減小至0.3705 μm。

圖7 在0.1mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

圖8是在0.5mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系?？梢姡?dāng)進(jìn)給深度由600 μm增至 1200 μm時(shí)， 方腔的錐度由 3.0563 μm降至0.6935 μm。因此，通過增大進(jìn)給深度，能有效地減小型腔的錐度。

圖8 在0.5mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

5 結(jié)語

在電火花加工過程中，電極端部損耗會使其形成端部細(xì)、根部粗的錐形，反映到工件上，就會出現(xiàn)工件入口處尺寸大于出口處尺寸的情況。同時(shí)，加工產(chǎn)物逐漸增多且堆積在加工區(qū)，將引起電極與工件之間的二次放電，也會使工件入口處尺寸增大。雖然在加工過程中施加超聲振動有助于排出加工產(chǎn)物，但不可能完全消除二次放電，只能在一定程度上減少二次放電的幾率，使錐度減小。

本文用不同長度的電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出電極長度在一定范圍內(nèi)、電極變形對方腔的錐度基本無影響的結(jié)論。通過研究進(jìn)給深度與錐度的關(guān)系可知，采用增大進(jìn)給深度的方法，能有效地減小型腔的錐度。該方法不僅適用于加工通透的型腔，對非通透的型腔加工，可在電極加工至預(yù)定深度后，將電極的端部適當(dāng)截?cái)?，再進(jìn)行型腔加工即可。

[1] Masuzawa T.State of the art of micromachining[J].Annals of the CIRP，2000，49（2）：473-488.

[2] 余祖元，郭東明，賈振元.微細(xì)電火花加工技術(shù)[J].中國科技論文在線，2007，2（3）：214-220.

[3] Uhlmann E，Piltz S，Doll U.Machining of micro/miniature dies and moulds by electrical discharge machining-recent development[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，167：488-493.

[4] Pham D T，Dimov S S，Bigot S，et al.Micro-EDM-recent developments and research issues[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149：50-57.

[5] ?p?z T T，Ekmekci B，Erden A.An experimental study on the geometry of microholes in microelectric discharge machining [J].Materialsand ManufacturingProcesses，2009，24（12）：1236-1241.

[6] Diver C，Atkinson J，Helml H J，et al.Micro-EDM drilling of tapered holes for industrial applications[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149：296-303.

[7] Hung J C，Lin J K，Yan B H，et al.Using a helical microtool in micro-EDM combined with ultrasonic vibration for micro-hole machining[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16：2705-2713.

[8] Kim D J，Yi S M，Lee Y S，et al.Straight hole micro EDM with a cylindrical tool using a variable capacitance method accompanied by ultrasonic vibration[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16：1092-1097.

[9] Masuzawa T，F(xiàn)ijino M，Kobayashi K.Wire electrodischarge grinding for micromachining[J].Annals of the CIRP，1985，34（1）：431-434.

[10]Yu Zuyuan，Masuzawa T，F(xiàn)ujino M.Micro-EDM for three-dimensional cavities[J].Annals of the CIRP，1998，47（1）：169-172.