提高微小孔電火花加工質(zhì)量的方法探究

孟凡榮

摘要：微小孔廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但國(guó)內(nèi)微小孔加工狀況并不樂(lè)觀，加工質(zhì)量差、效率低、成本高是目前微小孔加工的現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)微小孔電火花加工過(guò)程中的工作介質(zhì)的選擇、電極損耗的補(bǔ)償、加工質(zhì)量的控制的分析，介紹了它們存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

Abstract： Although the micro hole is used in various fields widely， the domestic situation of micro hole machining is not optimistic. The present condition of the micro hole processing are poor quality， low efficiency and high cost. The existing problems and future development trend are introduced by analysis of the selection of working medium， compensation of electrode loss and control of processing quality in micro hole EDM.

關(guān)鍵詞：微小孔;電火花加工;工作介質(zhì);電極補(bǔ)償;質(zhì)量控制

Key words： micro hole;EDM;working medium;compensation of electrode;the quality control

中圖分類(lèi)號(hào)：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0112-03

0? 引言

日本東京大學(xué)的增澤隆久等人，研制了WEDG技術(shù)，利用電火花反拷加工技術(shù)上線狀電極替代反拷模塊，解決了電火花進(jìn)行微細(xì)加工問(wèn)題，也說(shuō)明利用電火花加工技術(shù)可以加工出數(shù)微米的小孔[1]。國(guó)內(nèi)微小孔加工效率低、成品率低、精度難以保證同時(shí)加工成本大。迫切需要解決微小孔加工質(zhì)量和效率的難題。本文分析了針對(duì)微小孔加工的幾個(gè)方面問(wèn)題并提出解決措施。

1? 電火花加工過(guò)程放電機(jī)理

電火花加工中火花放電過(guò)程復(fù)雜，電火花加工的創(chuàng)始人拉扎連柯曾描述電火花放電過(guò)程，利用氣體放電過(guò)程的伏安特性曲線，如圖1。

氣體導(dǎo)電學(xué)說(shuō)認(rèn)為氣體絕對(duì)不導(dǎo)電是不存在的。工件和工具電極之間施加電壓，氣體離子做定向移動(dòng)在電場(chǎng)力的作用下，這樣形成了電流。增大電壓后，離子流速也提高，在單位時(shí)間內(nèi)，電流也增大，是由于極間運(yùn)動(dòng)的電荷量增大，符合歐姆定律，圖中OC。當(dāng)消電離速度小于氣體分子電離速度，形成輝光放電在電流急劇增大下，圖1中DA。逐漸增大電場(chǎng)強(qiáng)度，極間氣體分子越來(lái)越劇烈的碰撞，使得介質(zhì)導(dǎo)電性越來(lái)越強(qiáng)，完全破壞了介質(zhì)的耐電強(qiáng)度，導(dǎo)致電壓下降劇烈，電流驟增，火花放電就這樣形成了，圖AB。足夠大電源功率使放電過(guò)程的穩(wěn)定狀態(tài)一直持續(xù)，形成了最后一個(gè)放電形式（電弧放電），圖BH。

通過(guò)分析，放電狀態(tài)不同加工狀態(tài)和加工性能也有所區(qū)別。出現(xiàn)的空載和短路兩種情況是沒(méi)有蝕除金屬材料作用不產(chǎn)生加工作用，使加工效率低。短路情況電流較大，脈沖電源的壽命會(huì)受到影響。最好的火花放電狀態(tài)是去除金屬材料，進(jìn)行加工，提高火花率在脈沖放電過(guò)程中可以大大提高加工效率。

2? 工作介質(zhì)的選擇

傳統(tǒng)電火花加工在液體介質(zhì)中，為絕緣介質(zhì)，對(duì)電火花加工工作液的性能很重要。黏度大、密度大、介電性能好的工作液放使電通道壓縮，放電的能量密度變高，電蝕產(chǎn)物的拋出較好;黏度如果太大，電蝕產(chǎn)物的排出受到影響，放電也會(huì)影響。多數(shù)工作液會(huì)發(fā)生裂解，污染環(huán)境產(chǎn)生有毒氣體。合成型的高速電火花加工液添加劑使得成本加大，雖然污染小但是不好把握工藝，電弧現(xiàn)象還會(huì)伴隨，不太適用。工作液循環(huán)時(shí)微細(xì)電極絲受到工作液的擾動(dòng)，微小孔的加工精度會(huì)受限。

電火花加工在氣體介質(zhì)中使以上加工難題破解。電火花加工在氣體介質(zhì)中是日本教授M.Kunieda 提出，一種以氣體為介質(zhì)的新的電火花加工技術(shù)[2]，他打破了“電火花加工介質(zhì)不可少的絕緣性工作液”的論述。

氣體為介質(zhì)的新的電火花加工，工件和工具電極工作在氣體介質(zhì)，電蝕產(chǎn)物被高速氣體從極間排出。氣體介質(zhì)能量密度低、壓縮放電通道小于液體，放電凹坑深度小且增大了放電痕跡，表面質(zhì)量較好。工具電極表面有電蝕產(chǎn)物保護(hù)工具電極，電極損耗率低[3]。氣體介質(zhì)電火花加工有小的放電間隙，縮小了排屑空間，出現(xiàn)短路和拉弧，放電不穩(wěn)定，頻繁回退的工具電極使加工效率變低[4]。采用超聲輔助克服以上現(xiàn)象，超聲振動(dòng)在工具電極、工件放電通道和間隙放電較好，最后加工質(zhì)量較好，加工效率較高[5]。原理圖如圖2。

電火花加工氣體介質(zhì)工業(yè)應(yīng)用不多，研究也比較少。加入超聲振動(dòng)輔助的加工技術(shù)也不成熟，要考慮到很多，如加工極性、氣體壓力、電極材料、伺服進(jìn)給、脈沖放電等參數(shù)。還有超聲振動(dòng)頻率和幅度等。復(fù)雜的工藝參數(shù)難以控制。所以還需要進(jìn)一步優(yōu)化氣體介質(zhì)電火花加工。

3? 電極損耗的補(bǔ)償

電火花放電加工，原理是利用兩電極間脈沖火花放電出現(xiàn)的熱能熔化蒸發(fā)最后拋出電極材料。工件上的金屬材料被去除的同時(shí)工具電極材料也被去除，損耗電極。微細(xì)電火花加工會(huì)使電極損耗厲害加嚴(yán)重。所以，在微細(xì)電火花加工中電極損耗要充分考慮到。

解決電極損耗問(wèn)題的傳統(tǒng)方法如下，改變沖油壓力、改變沖油方式、改變電參數(shù)等[6]。微細(xì)電火花加工使加工質(zhì)量提高會(huì)使過(guò)渡電弧減少。極間消電較好分脈沖間隔足夠吸附效應(yīng)較弱。還有微細(xì)加工中較小的蝕除量使加工速度慢，這就要在保證質(zhì)量前提，使峰值電流電壓和脈沖寬較大度。充分排出極間電蝕產(chǎn)物是選擇沖油方式和壓力的依據(jù)。加工效率和質(zhì)量保證再考慮電極損耗，但也沒(méi)有完全解決問(wèn)題，最后選擇電極補(bǔ)償來(lái)克服這一難題。電極補(bǔ)償原理圖[7]如圖3。

Z向伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電極補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，主要由電極絲導(dǎo)向器、常閉式夾絲機(jī)構(gòu)、常開(kāi)式夾絲機(jī)構(gòu)、構(gòu)成圖3（a）。加工進(jìn)給過(guò)程中，常開(kāi)式夾絲機(jī)構(gòu)狀態(tài)為常開(kāi)狀態(tài)，夾緊電極絲由常閉式夾絲機(jī)構(gòu)夾緊，加工沿軸向進(jìn)給電極絲，圖3（b）。加工完成一個(gè)工位進(jìn)給后電極絲松開(kāi)，電極絲由常開(kāi)式夾絲機(jī)構(gòu)夾緊，反向快速回退常閉式夾絲機(jī)構(gòu)。為每一次加工一致將電極絲前端調(diào)至初始位置，圖3（c）。電極絲由常閉式夾絲機(jī)構(gòu)夾緊，常開(kāi)式夾絲機(jī)構(gòu)松開(kāi)電極絲，圖3（d），加工進(jìn)給到了圖3（a）狀態(tài)。在加工中，進(jìn)給補(bǔ)償電極損耗，保證加工電極的長(zhǎng)度，使電極損耗問(wèn)題解決。

雖然通過(guò)這種方法能夠有效的解決電極損耗的問(wèn)題，但新的問(wèn)題又產(chǎn)生了，如何判斷電極損耗的程度、控制電極補(bǔ)償?shù)牧康鹊?。雖然國(guó)內(nèi)的學(xué)者研發(fā)了有效放電脈沖監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法[8]、等損耗原理電極補(bǔ)償方法[9]、放電間隙（開(kāi)路電壓）監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法[10]、模擬仿真的電極補(bǔ)償法[11]等方法，但是他們并沒(méi)有給出精確的電極損耗理論，而且這些方法都存在一定的局限性，不能與加工過(guò)程的實(shí)時(shí)控制有機(jī)的結(jié)合。因此，多種方法的混合，并與控制過(guò)程電參數(shù)和伺服參數(shù)控制相結(jié)合的智能補(bǔ)償方案的研究，為電火花電極補(bǔ)償領(lǐng)域開(kāi)拓新的發(fā)展空間。

4? 加工質(zhì)量的控制

電火花加工表面質(zhì)量，有表面變質(zhì)層、表面力學(xué)性能、表面粗糙度三部分，其中表面粗糙度是最受關(guān)注的因素。電火花加工表面主要由無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)方向性的放電凹坑和硬凸邊疊加而成，其表面的潤(rùn)滑性和耐磨損性均比機(jī)械加工表面好。實(shí)驗(yàn)證明影響電火花加工表面質(zhì)量的主要因素有工具電極、工作液和沖油壓力、脈沖電源電參數(shù)。在微細(xì)電火花加工中，為了獲得較好的表面質(zhì)量，通常選取較小的脈沖寬度、峰值電流和電壓，較大的脈沖間隔。電極材料的選擇不僅要具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性，還要防止電極在加工過(guò)程中產(chǎn)生變形影響加工精度和形狀。通常電極材料選擇銅鎢鎳合金或者銀鎢鎳合金。近年來(lái)出現(xiàn)的“混粉加工”工藝，在工作液中加鋁硅等一定導(dǎo)電性粉末，從而改變工作液擊穿特性、介電常數(shù)等，可加工出表面粗糙度為0.05～0.1？滋m的光亮面，明顯的提高了加工表面質(zhì)量。

研究電火花加工表面質(zhì)量，還有許多問(wèn)題需要研究。比如：加工電參數(shù)和要素與間關(guān)系;不同的工作液介質(zhì)、工件材料、工具材料等，還需進(jìn)一步研究電火花加工表面質(zhì)量。

很多研究電火花加工過(guò)程中表面質(zhì)量，很少關(guān)注保護(hù)已加工表面質(zhì)量。電火花加工微小孔孔徑小，加工工件和電極具間隙小，在電蝕產(chǎn)物排出時(shí)產(chǎn)生“二次放電”，就再次加工已加工的表面，破壞了加工表面。有學(xué)者在電極絲表面鍍上一層絕緣介質(zhì)在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣化附著在已加工工件表面，由于“二次放電”就不會(huì)影響已加工表面質(zhì)量。加工完沖洗工件去除加工表面絕緣介質(zhì)。但是不清楚這種介質(zhì)的成分，需要材料領(lǐng)域?qū)＜已芯俊?/p>

5? 控制方案設(shè)計(jì)

電火花加工過(guò)程中脈沖能量小，峰值電流電壓小，電壓、電流值的檢測(cè)，使檢測(cè)難度增加，使檢測(cè)信號(hào)失真，同時(shí)要求較高的檢測(cè)系統(tǒng)分辨率，使硬件電路更復(fù)雜。反映極間放電狀態(tài)同時(shí)檢測(cè)電壓、電流值分別處理，比較兩者最終給出極間放電狀態(tài)。所以控制系統(tǒng)的輸入選擇間隙電壓、電流。

極間放電狀態(tài)由電參數(shù)確定。電參數(shù)有脈沖間隔、峰值電流、脈沖寬度、峰值電壓。在加工中峰值電壓電流大小不變，只有控制脈沖間隔、脈沖寬度來(lái)對(duì)極間的放電狀態(tài)進(jìn)行控制。因此控制系統(tǒng)的輸出為脈沖間隔和脈沖寬度。

該控制系統(tǒng)檢測(cè)極間電流電壓值，將電流電壓值輸送給模糊控制器，控制器處理該值，基于模糊控制規(guī)則，從而確定脈沖電源的脈沖間隔和寬度，達(dá)到正?；鸹ǚ烹姞顟B(tài)，如圖4。

6? 模糊控制規(guī)則

利用模糊控制器自身的解耦功能將多輸入多輸出模糊控制器分解為兩輸入-單輸出模糊控制器，此時(shí)模糊控制器有兩個(gè)輸入量一個(gè)輸出量，模糊規(guī)則形式為：Ri： if X1 is A1i and X2 is A2i then Y is Bi。這里，A1i、A2i、Bi均為響應(yīng)論域上的模糊子集，這類(lèi)模糊規(guī)則的模糊關(guān)系是：

。

當(dāng)電流較小電壓較大時(shí)，此時(shí)為開(kāi)路放電狀態(tài)，這時(shí)控制器應(yīng)該減小脈沖間隔增大脈沖寬度;當(dāng)電壓較小電流較大時(shí)，此時(shí)短路放電狀態(tài)，應(yīng)該增大脈沖間隔減小脈沖寬度。結(jié)合輸入、輸出參數(shù)的隸屬度函數(shù)圖形以及公式可得脈沖寬度和脈沖間隔的控制規(guī)則表，如表1及表2所示。

7? 結(jié)束語(yǔ)

首先，加工過(guò)程中通過(guò)分析選擇工作介質(zhì)、控制表面質(zhì)量、補(bǔ)償電極損耗等三方面，了解到電火花加工氣體工作介質(zhì)有很多優(yōu)點(diǎn)，是電火花加工微小孔未來(lái)的趨勢(shì)。

其次控制電極補(bǔ)償量，結(jié)合加工過(guò)程和補(bǔ)償過(guò)程，補(bǔ)償過(guò)程中電極的定位精度、形狀的保證同樣是電極補(bǔ)償過(guò)程中較難的問(wèn)題。同樣要重視已加工表面質(zhì)量和保護(hù)，需要更深入的研究和探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]Masuzawa T.There-Dimensional Micro Machining by Machine Tools.Annuals of the CIRP. 1997， 46（2）：621-628.

[2]Kunieda M，Yoshi da M. Electrical Discharge Machining in gas .Annals of t he CI RP， 1997， 46（1）：143 -146.

[3]王振龍，朱保國(guó)，田錫清.氣體介質(zhì)中深小孔電火花加工技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2007，28（2）：460-463.

[4]郭諄欽，王承文.超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工技術(shù)的研究[J].機(jī)床與液壓，2012，40（10）：28-32.

[5]蘇樹(shù)朋，張勤河，張建華，等.超聲輔助氣中電火花銑削加工研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（18）：2227-2230.

[6]張曉燕，魏引煥.電火花加工中電極損耗分析與解決措施[J].機(jī)床與液壓，2010，38（22）.

[7]李勇.微細(xì)電加工應(yīng)用技術(shù)研究[J].電加工與模具，2009（z1）：32-37.

[8]王長(zhǎng)法，顧琳，蔣毅，等.微細(xì)電火花加工的電極補(bǔ)償方法研究[J].電加工與模具，2009（3）：27-30.

[9]鄧容，吳品，裴景玉，等.微細(xì)電火花加工損耗補(bǔ)償?shù)难芯縖J].電加工與模具，2007（4）：20-23.

[10]Chang Y F.Chiu Z H.Electrode wear-compensation of electric discharge scanning process using a robust gap-control[J].Mechatronics. 2004，14（10）：1121-1139.

[11]Jeong Y H， Min B K.Geometry prediction of EDM-drilled holes and tool electrode shapes of micro-EDM process using simulation A-9863.2008[J].International Jourrml of Machine Tools &Manufacture， 2007， 47（12-13）：1817-1826.