微細(xì)電火花微孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

解寶成　崔賀新　張?jiān)I(xiàn)禮

摘 要：微細(xì)電火花微孔加工技術(shù)是電火花加工領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。在分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了微細(xì)電火花加工微孔技術(shù)的基礎(chǔ)理論和加工工藝研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，主要介紹了微細(xì)電火花加工的蝕除機(jī)理、蝕除產(chǎn)物排出機(jī)理、微細(xì)工具電極的在線制作、加工工藝參數(shù)的選擇與輔助其他加工方法的復(fù)合加工工藝，分析了當(dāng)前微細(xì)電火花微孔加工技術(shù)存在的問題，并展望其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：微細(xì)電火花加工；微孔；基礎(chǔ)理論；加工工藝

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.005

中圖分類號(hào)： TG661

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）04-0025-06

Abstract：Microelectrical discharge machining of microhole is an important developing direction of electrical discharge machining at present. In this paper， much literature about microelectrical discharge machining of microhole has been summarized and analyzed in the theoretical and experimental aspects. The basic theory and processing technology of the microelectrical discharge machining are introduced，including material removal mechanism and debris movement mechanism， onmachine production of micro electrodes， selection of machining parameters and combined machining technology. Furthermore， the main problems and the development tendency in the future also have been evaluated and summarized.

Keywords：microelectrical discharge machining； microhole； basic theory； processing technology

0 引 言

隨著產(chǎn)品零件向精密微細(xì)化方向發(fā)展，微孔（孔徑小于0.1mm的孔）以獨(dú)特的功能結(jié)構(gòu)在航空航天、精密儀器和汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)空氣導(dǎo)管內(nèi)的阻尼襯套、高壓渦輪機(jī)前軸阻尼筒和后軸阻尼環(huán)、電子顯微鏡光柵、化纖噴絲板和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴等[1]。作為微細(xì)加工技術(shù)的重要組成部分，具有非接觸式、無明顯宏觀作用力和“以柔克剛”等加工特點(diǎn)的微細(xì)電火花加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于難加工材料微孔加工中，解決了傳統(tǒng)加工方法難以解決甚至無法解決的微孔加工難題，在航空航天、汽車、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域有著大量不可替代的需求與應(yīng)用[2]。

隨著日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所開發(fā)線電極放電磨削工藝，成功解決了微細(xì)電極的在線制作難題，為微細(xì)電火花加工技術(shù)得到快速的發(fā)展提供了有效的技術(shù)保障。盡管諸多學(xué)者在微細(xì)電火花機(jī)加工研究中已取得大量的研究成果，然而由于電火花加工過程的復(fù)雜性、隨機(jī)性，涉及流場(chǎng)、熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用，以及有效研究手段的匱乏，在電火花加工過程中存在著許多問題，諸如微細(xì)電火花加工基礎(chǔ)理論和加工工藝等問題亟待解決。為解決微孔微細(xì)電火花加工技術(shù)瓶頸，從理論分析和工藝實(shí)驗(yàn)兩大方面對(duì)微細(xì)電火花加工基礎(chǔ)理論和加工工藝進(jìn)行分析，歸納總結(jié)近年來國(guó)內(nèi)外的研究成果，并指出現(xiàn)存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)。

1 微細(xì)電火花加工基礎(chǔ)理論

電火花加工過程是利用工具和工件之間脈沖性火花放電產(chǎn)生的局部、瞬時(shí)高溫來蝕除多余的材料，其微觀蝕除過程涉及熱力、電場(chǎng)力、磁力、電化學(xué)、流體動(dòng)力和膠體化學(xué)等綜合作用，加工原理如圖1所示。由于電火花加工過程的復(fù)雜性和隨機(jī)性以及研究手段缺乏創(chuàng)新，目前尚沒有一套完整的理論解釋實(shí)驗(yàn)加工中的一些現(xiàn)象，如電極材料的蝕除過程與蝕除產(chǎn)物的排出過程。

1.1 微細(xì)電火花加工的蝕除機(jī)理

對(duì)微細(xì)電火花加工中電極材料蝕除機(jī)理的研究，主要有以下幾種不同的看法：放電爆炸力[3]、熱應(yīng)力[4]、靜電力[5]和過熱[6]。在電火花加工實(shí)驗(yàn)中，電極表面有熔融金屬重新凝固形成的白亮層的存在，而這種白亮層的形成和熱有著密切的聯(lián)系。美國(guó)研究學(xué)者Dibitonto[5]數(shù)值模擬了放電通道中陽(yáng)極和陰極的溫度場(chǎng)，并定量證明過熱是電火花放電過程的主要蝕除機(jī)制。上海交大趙萬生[7]通過靜電場(chǎng)誘導(dǎo)放電進(jìn)一步證實(shí)熱是材料蝕除的主要形式。因此，目前普遍認(rèn)為過熱是材料蝕除的主要形式。

電火花加工過程是無數(shù)個(gè)單脈沖重復(fù)循環(huán)的放電過程，因此關(guān)于電火花蝕除機(jī)理的研究都是從單脈沖放電過程展開的。山東大學(xué)張建華[8]模擬了單脈沖放電時(shí)兩極的溫度場(chǎng)分布，分析了極性、放電能量與蝕除量之間的關(guān)系，為蝕除過程的研究提供了理論基礎(chǔ)。Kuriachen[9]開發(fā)了兩種脈沖放電仿真數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了單脈沖火花放電凹坑的形狀和大小。Mujumdar[10]建立了等離子體模型和熔池模型，研究了磁場(chǎng)力對(duì)微細(xì)電火花加工中溫度分布的影響。墨西哥學(xué)者Lange[11]對(duì)目前各種熱仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，分析模型參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響。新加坡Yeo[12]依據(jù)溫度場(chǎng)分布、凹坑幾何形貌和材料去除率對(duì)五種不同熱仿真模型于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得出點(diǎn)熱源模型更加符合實(shí)際加工情況，如圖2所示為5種不同熱仿真模型得出的溫度分布圖。

目前電火花加工蝕除機(jī)理的研究主要是利用數(shù)值仿真的方法，基于經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)理論模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，對(duì)材料相變潛熱、放電通道半徑擴(kuò)張、能量在兩極與介質(zhì)的分配比例的處理沒有給出更合理的解釋、沒有考慮材料熔化氣化拋出、重新凝固對(duì)仿真結(jié)果的影響，因此，模擬結(jié)果并不能很好地符合蝕除過程的實(shí)際加工情況。

1.2 微孔電火花加工中蝕除產(chǎn)物的排出過程

在微細(xì)電火花加工過程中，極間間隙電蝕產(chǎn)物能否有效排出直接影響著電火花加工的加工效率和加工狀態(tài)，對(duì)電蝕產(chǎn)物的排出過程進(jìn)行深入的研究顯得尤為必要。

大多數(shù)學(xué)者從流體仿真的角度對(duì)電蝕產(chǎn)物的排出過程進(jìn)行研究。曹一龍[13]對(duì)小孔加工中排屑過程進(jìn)行仿真，分析了壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)對(duì)電蝕產(chǎn)物排出過程的影響。南京航空航天大學(xué)張俊清[14]對(duì)加工間隙內(nèi)工作液的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬和仿真分析，得出電蝕產(chǎn)物充分排出是加工間隙中工作液的高速流動(dòng)的結(jié)果。山東大學(xué)張勤河[15]利用Fluent軟件對(duì)低頻振動(dòng)輔助電火花銑削加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，研究沖液壓力、工具電極轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率對(duì)流場(chǎng)內(nèi)壓力、速度、蝕除顆粒分布規(guī)律的影響。土耳其Ekmekci[16]研究蝕除產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)和團(tuán)聚對(duì)盲孔加工中電極端面形狀的影響規(guī)律。大連理工韓福柱[17]建立加工間隙流場(chǎng)的三維仿真模型，模擬了氣泡與電蝕產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、氣泡擴(kuò)張對(duì)電蝕產(chǎn)物排出間隙的影響規(guī)律，以及抬刀對(duì)電蝕產(chǎn)物的排出過程的影響，如圖3所示為氣泡與電蝕產(chǎn)物的分布情況。

由于電火花加工過程加工放電間隙又很小，工件和電極均不透明，而且放電過程十分復(fù)雜，因此很難用儀器直接測(cè)量間隙流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，目前大多數(shù)研究都集中在間隙流場(chǎng)中蝕除產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)仿真，很少考慮到加工間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物團(tuán)聚以及電泳現(xiàn)象對(duì)極間放電狀態(tài)的影響，從而無法用數(shù)值仿真的方法精確地表述間隙流場(chǎng)狀態(tài)。

2 微細(xì)電火花加工的實(shí)驗(yàn)研究

微細(xì)電火花加工工藝實(shí)驗(yàn)主要涉及微細(xì)工具電極的制作、工藝參數(shù)的選擇和加工工藝方法等研究。

2.1 微細(xì)工具電極的制作

微細(xì)工具電極的制作方法分為離線制作與在線制作。離線制作主要包括車削、磨削等傳統(tǒng)方法，適合大批量電極制作，但存在著二次裝夾導(dǎo)致微細(xì)電極偏擺的問題。在線制作主要包括線電極電火花磨削法、塊電極反拷法、自鉆孔法等方法。微細(xì)電極制作精度直接影響微孔形狀精度和尺寸精度，為避免二次裝夾誤差，微細(xì)電極需要在線制作，目前常用的在線制作方法主要有塊電極反拷法和線電極電火花磨削法。

塊電極反拷法是一種較為傳統(tǒng)的線電極制作方法，加工過程是線接觸式放電，因此加工效率高，但由于工作臺(tái)面與塊電極工作面不可避免存在垂直度誤差以及塊電極工作面的平面度誤差，以及電場(chǎng)力和流體動(dòng)力的影響，因此加工精度就很難保證。線電極電火花磨削是通過一根直徑很小的電極絲，工具電極沿軸向進(jìn)給并旋轉(zhuǎn)，達(dá)到火花放電的目的，從而獲得工件電極的制作。由于線電極的移動(dòng)補(bǔ)償了自身?yè)p耗，實(shí)現(xiàn)了工具電極的“無損耗”加工，因此很容易控制電極的尺寸精度，但該方法為點(diǎn)接觸式放電，加工速度較慢，不能滿足批量化生產(chǎn)要求，還需附加線電極電火花磨削加工設(shè)備，增加了成本[18]。清華大學(xué)李勇[20]提出切向進(jìn)給的線放電磨削方法，降低了機(jī)床定位精度對(duì)微細(xì)電極制作精度的影響，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)電極一致性精度小于2μm的重復(fù)制作。華中科技大學(xué)張鴻海[21]提出了一種金剛砂輪輔助線電火花磨削加工微電極的方法，提高了線電極電火花加工的效率和精度。馬來西亞Hourmand[19]對(duì)目前微細(xì)電極制作方法進(jìn)行總結(jié)分析，如圖4所示，并提出反拷塊水平移動(dòng)的方法進(jìn)行大長(zhǎng)徑比微細(xì)電極的制作，提高了加工效率。

塊電極反拷法加工效率高，但加工精度低。線電極電火花磨削法加工精度高，卻存在著加工效率低、成本高的問題。由于塊電極反拷法和線電極電火花磨削法存在加工效率和加工質(zhì)量不能兼具的問題，臺(tái)灣大學(xué)王建源[22]提出線電極電火花磨削法和電化學(xué)組合加工微細(xì)電極的方法，先利用線電極電火花磨削法加工電極至40μm，在利用電化學(xué)進(jìn)行修正尺寸，得到長(zhǎng)1mm、直徑10μm的微細(xì)電極。哈工大王燕青[23]提出塊電極反拷法和線電極電火花磨削法組合加工微細(xì)電極，提高了微細(xì)電極的加工效率和加工精度。利用塊電極反拷法進(jìn)行粗加工，在利用線電極電火花磨削法進(jìn)行精加工的方法在一定程度上提高了加工效率和加工精度，然而卻增加了一套線電極電火花磨削裝備，產(chǎn)生了不利的經(jīng)濟(jì)影響。因此開展兼具塊電極反拷法的高加工效率和線電極電火花磨削法的高加工精度的微細(xì)電極在線快速精準(zhǔn)制作方法就顯得尤為必要。

2.2 工藝參數(shù)的選擇

微細(xì)電火花加工過程復(fù)雜，加工干擾因素眾多，需要合理地選擇工藝參數(shù)，從而提高微細(xì)電火花加工的加工效率和加工精度。

Garg[24]對(duì)加工工藝參數(shù)提出一種線性優(yōu)化方法對(duì)電火花加工間隙和材料去除率進(jìn)行了研究。印度學(xué)者Saha[25]利用脈沖識(shí)別觀測(cè)系統(tǒng)研究微細(xì)電火花微孔加工過程中放電參數(shù)對(duì)加工過程的影響，得出放電頻率增加顯著提高加工效率。印度學(xué)者Natarajan[26]在不銹鋼上進(jìn)行微小孔加工實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工件材料的熱物理屬性對(duì)加工質(zhì)量和精度影響很大，較小的電流和脈沖寬度可以得到較高的加工質(zhì)量，反之，隨著電流和脈沖寬度增大，加工質(zhì)量惡化。意大利學(xué)者DUrso[27]利用材料工藝學(xué)指標(biāo)分析了加工工藝參數(shù)、工件和工具的材料屬性對(duì)微孔加工幾何形貌、加工效率和工具磨損的影響規(guī)律。印度Chandrasekaran[28]利用回歸模型對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析以提高微小孔加工質(zhì)量。

電火花加工工藝參數(shù)之間相互影響，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，各項(xiàng)加工參數(shù)之間的相互制約，使所有工藝參數(shù)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)是微細(xì)電火花加工技術(shù)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)性任務(wù)。因此，有必要依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和大量的工藝實(shí)驗(yàn)，開發(fā)智能工藝專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝專家系統(tǒng)的智能化，達(dá)到加工過程的穩(wěn)定高效及優(yōu)化最佳加工效果。

2.3 加工工藝方法

為提高電火花加工效率和加工質(zhì)量，改善加工狀態(tài)，近年來對(duì)電火花超聲復(fù)合加工、混粉電火花加工和電火花電化學(xué)復(fù)合加工等主要加工方法展開了大量研究。

電火花超聲復(fù)合加工是在電火花加工過程輔助超聲振動(dòng)的一種加工方法，利用超聲高頻振動(dòng)的空化和泵吸作用，促使加工間隙工作液快速循環(huán)，改善極間加工狀態(tài)，提高有效脈沖放電頻率和加工穩(wěn)定性。車江濤[29]提出了工件水平超聲振動(dòng)電火花復(fù)合加工，提高了加工效率和加工精度。Lee[30]研究低頻振動(dòng)下超聲振動(dòng)的振動(dòng)頻率和振幅對(duì)加工效率的影響規(guī)律。印度Alok[31]進(jìn)行微小孔的超聲振動(dòng)輔助微細(xì)電火花加工，分析脈沖寬度、電壓和超聲對(duì)表面白層厚度、硬度和表面化學(xué)成分的影響，得出超聲振動(dòng)可以顯著減少表面白層厚度和硬度。

混粉電火花加工技術(shù)是在工作液中加入適量的微納米導(dǎo)電粉末，增大放電間隙和促使放電點(diǎn)的分散和轉(zhuǎn)移，從而改善放電加工狀態(tài)和表面質(zhì)量。國(guó)內(nèi)趙福令教授和趙萬生教授開展了混粉電火花鏡面加工技術(shù)的研究，分析了加工極性、加工參數(shù)對(duì)加工效果的影響。中國(guó)石油大學(xué)李小朋[32]研究了混粉電火花加工中多火花放電現(xiàn)象。Liew[33]在工作液中添加的碳納米纖維并輔助超聲振動(dòng)在碳化硅材料上加工出直徑為10μm，長(zhǎng)徑比大于20的微孔。印度學(xué)者Reddy[34]在工作液中添加表面活性劑和石墨微米顆粒，改善了顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了加工效率和表面質(zhì)量。印度學(xué)者Kumar[35]在工作液中添加碳納米管進(jìn)行鏡面加工，得到碳納米管濃度和峰值電流對(duì)加工表面質(zhì)量的影響程度最大。馬來西亞學(xué)者Prihandana[36]通過在工作液中添加二硫化鉬微米顆粒和輔助超聲振動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)合理的二硫化鉬濃度和超聲振動(dòng)可以很好的改善加工效率和加工質(zhì)量。巴西學(xué)者M(jìn)olinetti[37]通過在工作液中添加硅粉和錳粉顆粒進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，得到連續(xù)均勻的白層，顯著提高了表面硬度和加工質(zhì)量。

南航朱荻教授[38-39]利用電火花和電化學(xué)復(fù)合加工方法加工氣膜孔，提高了加工精度和效率，同時(shí)有效的去除了加工表面白層。在微孔微細(xì)電火花加工過程中，結(jié)合電化學(xué)加工方法進(jìn)行精加工，去除表面白層；輔助超聲振動(dòng)可防止顆粒的“納米團(tuán)聚”與沉積、提高蝕除產(chǎn)物的排出效率；工作液中添加混粉顆粒，可有效增大放電間隙、促使放電能量分散；電化學(xué)加工可有效的去除加工表面白層，都實(shí)現(xiàn)提高加工質(zhì)量和加工效率的目的。但由于每一種工藝方法都存在單一加工技術(shù)手段的問題，針對(duì)材料特性和加工要求的復(fù)合/組合加工工藝的需求越來越強(qiáng)烈，結(jié)合其他加工工藝方法改善現(xiàn)有的電火花加工工藝方法已迫在眉睫。

3 結(jié)論和展望

本文主要從微細(xì)電火花加工過程的基礎(chǔ)理論和工藝實(shí)驗(yàn)兩方面回顧了微細(xì)電火花微孔加工過程的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)微細(xì)電火花加工的蝕除機(jī)理、蝕除產(chǎn)物排出機(jī)理微細(xì)工具電極的在線制作、加工工藝參數(shù)的選擇與輔助其他加工方法的復(fù)合加工工藝進(jìn)行歸納總結(jié)，指出當(dāng)前存在的問題。最后，應(yīng)著重從如下幾方面展開進(jìn)一步的工作。

1）建立完善的電火花加工蝕除理論模型。目前針對(duì)電火花蝕除過程的理論模型過于簡(jiǎn)化，沒有合理考慮材料相變潛熱、放電通道半徑擴(kuò)張、能量在兩極與介質(zhì)的分配比例、材料熔化拋出、重新凝固對(duì)仿真結(jié)果的影響，因此有必要建立完善的電火花加工過程的蝕除模型，揭示蝕除過程的加工情況。

2）建立準(zhǔn)確的蝕除產(chǎn)物排出理論模型。目前針對(duì)電火花加工中蝕除產(chǎn)物排出過程的研究很少考慮蝕除產(chǎn)物的團(tuán)聚、電泳現(xiàn)象對(duì)極間放電的影響，無法完善的解釋微孔出口的“喇叭口”現(xiàn)象和工具電極的錐形截面現(xiàn)象，因此建立準(zhǔn)確的蝕除排出理論，改善微孔“喇叭口”現(xiàn)象和工具電極的錐形截面現(xiàn)象。

3）微細(xì)工具電極的在線快速、精準(zhǔn)可控制作方法。雖然線電極電火花磨削方法加工精度高，但加工效率低、成本高；反拷塊法效率高，但加工精度不高。因此開展兼具塊電極反拷法的高效和線電極電火花磨削法的高精度的微細(xì)工具電極在線快速制作方法研究顯得尤為必要。

4）研究復(fù)合加工工藝方法的應(yīng)用。由于每種加工方法都存在單一加工手段的問題，針對(duì)材料特性和加工要求的復(fù)合/組合加工工藝的需求越來越強(qiáng)烈，結(jié)合其他加工工藝方法改善現(xiàn)有的電火花加工工藝方法，為電火花加工技術(shù)開拓新的應(yīng)用空間已迫在眉睫。

5）智能工藝專家系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。由于電火花加工的復(fù)雜性和隨機(jī)性，在加工過程中人工的在線調(diào)整無法滿足實(shí)時(shí)加工要求，因此，有必要引入智能工藝專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝專家系統(tǒng)的智能化，提高加工精度和加工效率。

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（編輯：溫澤宇）