微細電火花單道掃描加工積分蝕除機理研究

張勇斌，劉廣民，吳祉群，雷艷華

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

微細電火花單道掃描加工積分蝕除機理研究

張勇斌，劉廣民，吳祉群，雷艷華

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

針對微細電火花單道掃描加工中電極端部及試件輪廓橫截面出現(xiàn)的鈍圓現(xiàn)象，給出了其產(chǎn)生的主要影響因素，分析了放電脈沖對正負兩極的積分蝕除機理，據(jù)此開發(fā)了微細電火花單道掃描加工在正負兩極的積分蝕除仿真軟件，并進行了微細電火花單道掃描加工仿真研究?；谖⒓毥M合電加工樣機，開展了典型截面形狀工具電極的單道掃描加工實驗，對工具電極與試件截面輪廓的測量結(jié)果表明，放電脈沖在正負兩極的積分蝕除作用與多項工藝參數(shù)密切相關(guān)。

微細電火花加工；單道；掃描加工；鈍圓；積分機理

在微細電火花加工過程中，工具電極和零件不接觸，兩者間無宏觀切削力，可用軟的銅、石墨等材料加工高硬度和高強度的金屬、合金、半導(dǎo)體等導(dǎo)電材料［1-2］，能加工低剛度、彈性、薄壁、深孔、微細孔等特殊精密零件［3-4］，且相對LIGA、光刻等，微細電火花加工系統(tǒng)更簡單，制造成本更低，適應(yīng)性更廣。微細電火花加工技術(shù)以其加工特征的高一致性、高深徑比、刀具尺寸廣泛適應(yīng)性、低成本等，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域顯示了優(yōu)越性，成效顯著［5-7］。然而，隨著產(chǎn)品輕巧化的應(yīng)用需求，目前，越來越多的形狀各異、具有介觀尺度復(fù)雜特征的微小精密金屬結(jié)構(gòu)被設(shè)計出來，盡管其總體尺寸在上百毫米至數(shù)毫米量級，但其要求的特征尺寸通常在數(shù)百微米至數(shù)微米范圍內(nèi)，加工精度通常在微米至亞微米級，加工表面粗糙度通常在亞微米至納米級，它們對現(xiàn)有的微細電火花加工技術(shù)提出了日益強烈的更精密、更高效的加工要求。

針對其復(fù)雜形狀，由于微細成形電極制作困難、損耗大，自身尺寸精度難以保持，使復(fù)雜特征難以通過電火花成形加工技術(shù)完成，通常是由微細簡單形狀電極（如圓柱電極）沿設(shè)定數(shù)控軌跡分層掃描加工而成，即微細電火花掃描加工技術(shù)。該技術(shù)在細節(jié)特征精度、表面質(zhì)量和效率方面具有以下特征：

（1）細節(jié)特征精度方面

介觀特征的精度不僅要求在總長、總寬、總高3個方面達到微米級（目前技術(shù)已能滿足），同時還要求重要細節(jié)特征也滿足同樣高精度要求，如微小型腔相交面拐角半徑及介觀尺度曲面形狀等控制到微米級，尤其是大量微小型腔的底面拐角半徑要求在5 μm以內(nèi)。由于在掃描加工過程中正、負兩極放電作用后，電極端部（包括電極端面、電極邊緣）及所加工零件輪廓截面均會由初始的平面形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的鈍圓形狀，這在單道多層掃描加工過程中表現(xiàn)尤為突出（圖1）。除了電極邊緣尖角放電的原因外，更本質(zhì)的原因是各點在掃描加工過程中被累積作用的差異化，使這些鈍圓形狀不能在單道掃描加工過程中精確控制，導(dǎo)致被加工輪廓的細節(jié)特征難以獲得高精度。為避其不足，通常采用直徑遠小于微小型腔尺寸的電極，通過規(guī)劃更復(fù)雜的重疊軌跡等方法減小零件輪廓的鈍圓影響。雖然可改善細節(jié)特征的精度，但未從根本上解決鈍圓問題，且極大地限制了微小電極的長度及其加工型腔的深度，并引出了另外兩個問題。

圖1 單道掃描加工中電極端部及零件輪廓鈍圓現(xiàn)象示意圖

（2）表面質(zhì)量方面

目前，很多基于電火花掃描加工制作的介觀尺度精密型腔為了獲得更理想的物理、機械性能，均對表面質(zhì)量提出了更高的指標。然而，由于微細電火花掃描加工過程中存在電極端面的鈍圓現(xiàn)象，要獲得高精度的表面質(zhì)量，就需采用重疊率較高的掃描軌跡（圖2），掃描軌跡間的殘留量成為影響高精度表面質(zhì)量的重要因素。

（3）效率方面

針對微細電火花掃描加工而言，在追求高精度、高表面質(zhì)量的同時，提高現(xiàn)有的加工效率是一個永恒的科學(xué)問題。近年來，多個重要領(lǐng)域出現(xiàn)的介觀特征精密零件，要么單個零件的特征多，要么單個特征的零件多，甚至二者兼有，它們需要及時地制造出來。目前，分層掃描加工方法是制造此類零件的重要途徑，該方法可將分層掃描加工單層內(nèi)的軌跡提取出來，并展開成一條直線后，單層內(nèi)的運動軌跡無疑可看成是單層單道掃描加工運動，即整個三維腔體的分層掃描加工是單道掃描加工軌跡疊加得到的。然而，因為電極端部存在的鈍圓現(xiàn)象，必須采用較高的軌跡重疊率及較小尺寸的電極，這就明顯延長了加工時間，從機理上就極大限制了加工效率的提高。另外，還有一些有較大深寬比的窄槽特征類零件，要求工具電極的直徑很小、長徑比較大，同時加工效率要求較高，這類特征難以實現(xiàn)軌跡重疊，通常只能采用單道掃描加工方式，這就需要在單道掃描加工過程中抑制鈍圓現(xiàn)象，保證特征底面拐角處的尺寸精度。

圖2 為獲得高表面質(zhì)量，通常采用的重疊率較高的電火花掃描加工軌跡示意圖

綜上所述，微細電火花單道掃描加工技術(shù)是實現(xiàn)微小特征的分層掃描加工的基礎(chǔ)。上述三方面問題是微細電火花掃描加工技術(shù)亟待解決的重要內(nèi)容，其中的核心是正、負兩極在單道掃描加工過程中形狀精度的控制，本質(zhì)是正、負兩極在單道掃描加工過程中的作用機理及規(guī)律。為使微細電火花掃描加工技術(shù)滿足更高的加工精度和加工效率需求，即精密蝕除能力的需求，需深入研究單道掃描加工過程中正、負兩極出現(xiàn)鈍圓現(xiàn)象的機理，并據(jù)此探索微能電脈沖場單道掃描加工介觀特征的精密高效工藝方法等，從而為進一步發(fā)揮該技術(shù)在細節(jié)特征精度、表面質(zhì)量、效率等方面的潛力和優(yōu)勢提供理論依據(jù)和指導(dǎo)規(guī)律，這具有重要的現(xiàn)實意義。

本文針對微細電火花掃描加工技術(shù)中最基礎(chǔ)的單道掃描加工技術(shù)存在的正、負兩極鈍圓現(xiàn)象，結(jié)合典型的工藝過程給出了多個重要的影響因素，分析了放電脈沖在單道掃描加工過程中對正、負兩極的積分蝕除機理，開發(fā)了仿真軟件，并據(jù)此開展了仿真與實驗研究，加工后的工具電極及試件的截面輪廓表明，放電脈沖對正、負兩極均具有明顯的累積蝕除作用，且其蝕除結(jié)果與多項工藝參數(shù)密切相關(guān)。

1 放電脈沖積分蝕除機理分析

微細電火花分層掃描加工中，在某一層內(nèi)，其典型的單道掃描加工軌跡見圖3a。圓柱形工具電極快速旋轉(zhuǎn)的同時，沿直線進給，并使分層厚度小于放電間隙，從而控制電火花放電作用主要發(fā)生在工具電極底面與零件微小槽的底面上，盡量避免工具電極圓柱側(cè)壁與零件微小槽側(cè)壁參與放電。在此過程中，由于單位微能電脈沖場的能量通常非常小，其在正、負兩極的單次蝕除深度特征在亞微米至納米量級，這遠小于兩極的介觀尺度幾何場尺寸。因此，在掃描加工過程中，單個微能電脈沖場的蝕除作用區(qū)域可視為一點，且能將工具電極與零件的放電作用區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，如圖3b所示，網(wǎng)格的大小與單脈沖放電能量有關(guān)。

圖3 工具電極在零件表面單道掃描加工軌跡示意圖

由于放電作用的極性效應(yīng)，在某一組設(shè)定電參數(shù)條件下，分別假設(shè)單個放電脈沖在正、負兩極的蝕除體積不同，即成一定比例。工具電極在沿長度方向單層掃描進給的同時，以一定的角速度旋轉(zhuǎn)。如圖4所示，當工具電極從S1點加工到S2點的過程中，工具電極與零件上放電蝕除區(qū)域內(nèi)不同的點將具有不同的放電次數(shù)。一方面，電極上的點Ai1是圓周運動與直線運動的合成運動，即螺旋運動，每旋轉(zhuǎn)一周的放電區(qū)域?qū)ò霃綖镽Ai的圓周區(qū)域TAi；工具電極上半徑不同的點，其放電區(qū)域的大小存在差異；工具電極旋轉(zhuǎn)速度與直線進給速度的不同比值也會導(dǎo)致放電區(qū)域大小的差異。另一方面，零件上的Cj1點由于處于距中心線不同的距離上，其承受放電作用的時間及蝕除區(qū)域WCj與LCj直接相關(guān)。再者，正、負兩極端面上相互距離最小的兩點、且其距離小于放電臨界距離，就產(chǎn)生一次有效放電，而每次有效放電均在正、負兩極按一定比例分別蝕除固定體積；如果有多對點之間的距離同時小于放電臨界距離，則暫停直線進給，但保持勻速旋轉(zhuǎn)，直至所有距離均大于放電臨界距離再繼續(xù)進給。當完成一層掃描加工后，工具電極上升，然后回到起點，再下降至新的一層，重復(fù)直線掃描，如此反復(fù)循環(huán)，直至加工到設(shè)定深度。同時，單位蝕除體積恒定的條件下，不同分層厚度的差異會導(dǎo)致放電回退次數(shù)的不同，從而影響進給速度，最終導(dǎo)致電極與零件上各點放電次數(shù)的不同。這種差異的累積，將使工具電極與零件的各點隨著掃描的進行出現(xiàn)不同的加工深度，從而產(chǎn)生不同的截面輪廓。

圖4 電極與零件的點在單道掃描加工過程中的積分作用差異示意圖

綜上所述，工具電極單道掃描電火花放電加工過程中，放電脈沖在正、負兩極的蝕除作用是一個與電脈沖參數(shù)、放電間隙、分層厚度、電極幾何參數(shù)、掃描速度、旋轉(zhuǎn)速度等密切相關(guān)的綜合作用。工具電極與零件上各點隨半徑的不同，其累積蝕除的量將存在差異。正、負兩極的輪廓成形過程是一個隨放電脈沖作用不斷累積的過程，此過程中，工具電極的形狀對單道掃描加工特征的截面輪廓具有重要影響。

2 單道掃描加工仿真與實驗

2.1 仿真分析

基于放電脈沖積分蝕除機理分析，開發(fā)了一套微細電火花單道掃描加工仿真軟件，并開展了仿真實驗。設(shè)定圓柱實心工具電極直徑d=192 μm，電極與零件的放電蝕除體積比VT∶VM=1∶3，放電頻率為100 kHz，單層加工厚度為4 μm，水平進給速度為100 μm/s，加工總深度為100 μm，加工總長度為670 μm，單道單向分層掃描加工。

仿真實驗中，分別對電極旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)兩種極端情況進行測試。對比結(jié)果見表1、表2，分別給出了仿真加工結(jié)束后的試件特征與工具電極特征。從仿真結(jié)果可明顯看出，當工具電極不旋轉(zhuǎn)時，試件與工具電極兩者的截面均出現(xiàn)了明顯的鈍圓現(xiàn)象，尤其是工具電極在兩個方向上出現(xiàn)了2種差異明顯的形狀，即沿著掃描的加工方向，工具電極端面中央輪廓線平直，而與之垂直的另一個方向上，工具電極端面中央輪廓線卻呈鈍圓；當工具電極旋轉(zhuǎn)時，試件與工具電極兩者的截面均未出現(xiàn)明顯的鈍圓現(xiàn)象，可近似為平直狀態(tài)。由此可推斷，在工具電極進行單道掃描加工過程中，通過調(diào)整不同的工藝參數(shù)（如轉(zhuǎn)速）即可控制鈍圓的弧度。

表1 微細電火花單道單向掃描加工仿真結(jié)果（試件特征）

2.2 實驗研究

針對微細電火花單道掃描加工的積分蝕除機理及其仿真分析，在微細組合電加工樣機上開展實驗研究。先后在位制備了2根直徑190 μm的工具電極，并分別在電極旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)的條件下進行單道掃描放電加工。結(jié)果顯示，當工具電極不旋轉(zhuǎn)時，存在明顯的鈍圓現(xiàn)象，且工具電極在2個垂直方向的截面分別為鈍圓和平直狀態(tài)。當工具電極旋轉(zhuǎn)時，其橫截面無明顯的鈍圓現(xiàn)象，可近似為平直狀態(tài)。由此可認為，工具電極在單道掃描加工過程中，放電脈沖對零件及工具電極的放電蝕除區(qū)域存在累積蝕除差異，但該差異可通過調(diào)整工藝參數(shù)進行控制。

3 結(jié)束語

本文介紹了微細電火花分層掃描加工中，在正、負兩極存在的鈍圓現(xiàn)象，分析了單道掃描加工過程中放電脈沖對正、負兩極的積分蝕除機理，構(gòu)建了仿真軟件，開展了微細電火花單道分層掃描加工的仿真與實驗對比研究。結(jié)果表明，放電脈沖對正、負兩極各點的蝕除作用是電極底面形狀及工藝參數(shù)的積分累積作用結(jié)果，工藝參數(shù)對最終的加工結(jié)果具有重要影響。此外，單道掃描加工是微細電火花分層掃描加工的基礎(chǔ)，其加工底面形狀的工藝控制探索對進一步研究底面掃描加工過程中的軌跡重疊率、加工效率、底面精度和表面粗糙度等均具有參考意義。

［1］ Maradia U，Scuderi M，Knaak R，et al.Super-finished surfaces using meso-micro EDM ［J］.Procedia CIRP，2013，6：157-162.

表2 微細電火花單道單向掃描加工仿真結(jié)果（電極特征）

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

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［5］ 朱紅鋼，徐佩，王煥琴，等.鈦合金窄深槽電加工工藝研究［C］.2010年“航空航天先進制造技術(shù)”學(xué)術(shù)交流論文集，2010：13-20.

［6］ 陳濟輪.數(shù)控電火花加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望［J］.電加工與模具，2011（增刊）：27-30.

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Integration Mechanism on Single Channel Scanning Milling of Micro-electrical Discharge

Zhang Yongbin，Liu Guangmin，Wu Zhiqun，Lei Yanhua
（Institute of Machinery Manufacturing Technology in CAEP，Mianyang 621900，China）

Special arc shape phenomena during single channel scanning milling of micro-electrical discharge is introduced.Some main factors are analyzed for the phenomena.Integration erosion mechanism of electrical pulse discharged on both positive and negativepolesispresented.Accordingly，simulation software on single channel scanning milling is developed.Some simulation experiments have been done to find important factors.Some discharge experiments of single channel scanning milling have been carried out relative to simulation experiments based on micro-electrical compound discharge machine tool.The profiles of tool electrode and workpiece are given.The results show that the integration erosion effect on both poles of discharge pulse is closely relative to some techniques parameters.

micro-EDM；single channel；scanning milling；arc shape；integration mechanism

TG661

A

1009－279X（2015）06－0001-05

2015-08-31

國家自然科學(xué)基金資助項目（51475439）；中物院超精密加工技術(shù)實驗室重點資助項目（ZZ14005）；中國工程物理研究院發(fā)展基金資助項目（K901-14-jf）

張勇斌，男，1975年生，研究員。