电火花加工技术及其发展趋势

电火花加工技术的发展及趋势

1. 1 电火花加工的发展趋势 1·1 电火花加工精密化

电火花加工的精密化可以理解为两方面的内容: 一是加工尺寸上的精密性,二是加工表面质量的精密 性。在电火花加工过程中,与尺寸精度有直接关系的 因素是放电间隙和电极损耗。加工间隙的一致性、稳 定性以及电极损耗的大小直接影响电火花加工的精 度。精密的电火花加工,加工过程中应保持较小的放 电间隙,并使放电间隙稳定在一个较小范围内。而放 电间隙的调整与极间状态密切相关,实时、准确地检 测出两极间的放电状态,则为调整两极间合适的放电 间隙提供了必要的条件,加工间隙的准确调整还有赖 于合理的伺服控制策略等[2-3]。由于电火花加工状态 复杂多变,为加工状态的检测和放电间隙的控制增加 了难度。因此,需加强电火花加工状态的检测、加工 间隙的控制以及加工电源的稳定性等方面的研究。 实现电火花精密加工时,要采用精加工规准来完 成工件的尺寸精度和表面精度。然而,电火花加工过 程中,均不同程度存在工具电极损耗。虽然人们从工 作液的种类、电源、控制、工作介质、电极材料等多 方面对电极损耗进行了广泛的研究,在减少电极损耗 方面取得了一定的研究效果。但是到目前为止,在精 加工和微细加工中,电极损耗现象还是比较严重。电 极损耗的存在必然对电火花加工的尺寸精度产生影 响,需要对工件进行多次加工以补偿由于电极损耗而 造成的尺寸偏差,这样增加了加工时间和加工成本。 因此,如何降低工具电极的损耗,从而实现高速、低 损耗的精密加工是电火花加工不断追求的目标[4-5]。电火花加工表面质量的精密化是加工精密化的另

一方面的内容。电火花加工表面是一系列的微小放电 凹坑重叠组成的,一般的加工条件下表面有微裂纹, 为达到较好的加工表面,需要在电火花之后增加手动 抛光工序,这增加了工人的劳动强度和加工成本,制 约电火花加工速度的提高,不利于自动化加工实现。 因此,实现电火花加工表面质量的精密化仍是今后的 研究发展方向。较小面积的电火花加工可以通过精微 加工电源实现,微能电源对电火花加工表面质量的改 善很有效果,能够达到较好的表面质量。例如已研制 的一种低速走丝电火花线切割加工机床可直接进行精 密模具或零件的加工。这种机床的先进之处是防电解 (AE)电源的开发。AE电源能防止工作液中氢氧根 负离子在工件上的沉积,形成所谓的“变质层”,并 能防止硬质合金工件中钴结合离子溶解于水中,形成

所谓的软化层,可以加工出更好的工件的表面质

量[6]。目前,这种精微、微能脉冲电源的研制是国内 外研究的热点,各厂家及研究机构对此关键技术是保 密的,因此我国对这方面的技术还需要更深入的研 究。大面积的电火花成型加工表面的精密化,目前普 遍使用的加工方法是混粉电火花加工技术,可以实现 加工表面的镜面加工效果,加工出的工件表面微裂纹 少,工件的表面性能得到提高[7-8]。除了对该技术的 加工机理和工艺进行研究外,较大面积的混粉电火花 加工专用脉冲电源是其关键技术。目前,国外已经有 专门的混粉电火花设备,如日本Sodick公司的PIKA 系列电源等,而我国在国产的机床上没有配备实现混 粉加工的专用电源和装备,因此对混粉电火花加工工 艺及混粉专用设备的开发还有研究和提升的空间[9]。 1·2 电火花加工微细化

生产实际的需要使得微机电系统的应用越来越广 泛,微细化发展成为机械制造业的重要发展方向,其 中微细电火花加工技术是实现微细加工的重要加工方 法之一[10]。这是由电火花加工的特点所决定的,即 工具与工件之间几乎没有宏观的作用力,且不受工件 硬度的制约,有利于实现加工尺寸的微细化。电火花 线磨削技术WEDG (W ire Electric Discharge Grinding) 的出现,使微细电火花加工进入了实用化阶段[11], 因此微细电火花加工技术是今后一个重要的发展方 向。微进给装置是实现微细电火花加工的前提和保 证,因此微细进给装置和高精度的回转主轴的设计及 控制是研究重点;同时,能够提供极间极少能量的微 能量电源的研究也是今后发展的重点。由于微细电火 花加工对工件和电极等特殊要求,对加工过程的检测 和控制以及电极损耗等问题的解决也是微细电火花加 工的关键技术[12-13]。微细电火花加工所需能量微小, 工具电极的尺度微小,加工速度较慢,因此需要不断 完善能够实现较大加工速度的技术手段,例如微细多 孔加工。目前,微细多孔电火花加工技术有:用微细 阵列电极加工阵列孔[14],另一种是由增泽隆久等人 提出的方法,即微细电火花加工该装置有两套线电极 磨削系统(WEDGA和WEDGB), WEDGA对工具电 极进行粗加工, WEDGB对工具电极进行精加工,合

理地控制WEDA和WEDGB的相对位置就能得到不同 尺寸的微细电极,用微细工具电极加工微细孔[15]。 此外,利用工件的超声振动来提高微细电火花的加工 速度取得了良好的结果[16]。 1·3 电火花加工的高速高效化

同传统的切削加工相比,电火花加工速度和加工

效率很低。因此,高速高效化是电火花加工技术的发 展方向。根据现有对电火花加工机理的研究情况来分 析,提高电火花加工速度和加工效率,可以从以下几 方面来实现: (1)研究新型的电火花节能电源。此方 法是从提高电火花电源的使用效率入手从而提高电火 花加工效率。这是因为传统的电火花加工电源的效率 很低,电能的利用率不到30%,大部分的能量被限 流电阻被消耗了。因此开发新的节能电源,有效提高 电火花加工电源的使用效率,减小电源的能量损耗是 提高电火花的加工效率的一种有效方法[17-18]。(2) 采用电火花铣削加工技术,即使用简单形状的电极进 行类似于数控铣削加工的电火花铣削技术的也是提高 的火花加工速度的一种方法,并可实现电火花加工的 自动化。尤其在加工形面复杂的工件时,电火花铣削 加工更是具有独特的优点。这是因为电火花铣削加工 技术无需制作复杂的电极,省去了电极制作的大部分 时间,因此可提高加工速度。由于电火花加工过程中 电极损耗的存在,电火花铣削加工技术必须考虑电极 损耗补偿的问题,而电火花加工过程的复杂性和众多 的影响因素,使得实现电极损耗的在线、实时补偿成 为该技术的难点和重点,因此实现在线实时补偿是该 技术的重要研究内容[19-20]。在此值得一提的是,气 体介质中电火花加工由于电极损耗非常低,在气体介 质中进行电火花铣削加工,则有利于实现或简化电极 损耗补偿,实现加工过程的自动化,减小了加工辅助 时间,是实现三维复杂形状高速加工的有利手段[21], 因此应对气中电火花技术进行深入的研究。(3)提高 电火花加工机床伺服系统的响应是提高加工速度的另 一种方法。据估算,在电火花成型加工中,抬刀、跳 跃和排屑的时间占到总加工时间的60% ~80%,电 火花有效加工时间较少,为此日本Sodick公司将直 线电机应用于电火花加工机床的伺服系统,直线电机 拥有高速度和高加速度,可使电火花的加工速度提高 40% ~60%[22-23]。同传统的电火花加工相比,直线 电机加工速度和加工稳定性好,即使是在加工排屑不

·175·第2期李立青等:电火花加工技术研究的发展趋势预测孔加工时,加工的稳定性也很

好,因此是实现电火花高速加工的有力手段。此外, 具有快速响应装置如电磁式线性驱动装置、压电元件 和磁致伸缩振子驱动装置等的应用有利于提高电火花 加工速度。(4)利用先进技术手段提高电火花加工速 度。计算机技术和智能技术等技术的发展,可促进电 火花机关技术的发展,将这些先进技术应用到电火花 加工中,可以提高电火花加工速度。目前先进的电火

畅或者不加冲油的深小花加工机床如瑞士阿奇(AGIE)公司生产的电火花 加工机床以融入智能控制技术构成其特点。融入智能 技术的机床可以实现加工过程的模糊控制、自适应控 制,能够根据放电加工的状态调节伺服系统,从而改 善加工状态,提高加工效率[24-25]。此外,氧气介质 中电火花加工也是提高电火花加工速度的方法之一, 研究发现以氧气为介质的加工速度并不逊色于液中加 工。因此加强对氧气的气中放电加工研究,有望实现 电火花加工速度新突破[26]。

1·4 绿色的电火花加工以及复合加工

不使用液体冷却或加工,而利用气体作为工作介 质的“干式”加工,即绿色制造是制造业的发展方 向之一[27]。具体到电火花加工领域,传统的电火花 成形加工主要的污染源之一是工作液,尤其是碳氢化 合物的油类工作液。这类工作液是高分子碳氢化合 物,具有较强的挥发性。加工时的高温使油分解产生 大量的分解物,这些分解物主要以烟气的形式排放出 来,其主要成分为H2、C2H2、C2H4、CO2、CO等, 这些气体对机床操作人员的健康不利,而且对环境有 害,还能够分解老化机床上的密封件。据分析碳氢油 类化合物排出的废物的毒性对环境影响作用最大,对 人体有害的影响在几年内都存在[28-29],可能还会引 起各种不适的反应如皮炎等。加工产生的电蚀产物和 液体电介质混合后形成的油泥、电介质的废物、过滤 残渣、电离树脂等均需得到正确的处理。否则,容易 对土地和水源造成污染。此外,油类作为工作液还有 火灾的隐患。用气体介质取代液体介质,可以实现电 火花的绿色加工。这是因为,气中电火花加工过程不 产生有害的气体,不会对对操作人员的健康产生有害 的影响,而且没有令人头疼的废物处理问题,尤其是 使用资源丰富的空气,发展前景可观。目前,气中电 火花加工还处在实验研究阶段,对其的研究应进一步 加强。此外,目前在电火花加工领域,对电火花加工 工作介质的研究正逐渐引起人们的注意,如混气加工 方式、雾中电火花加工、水基工作介质的研究以及对 高速走丝线切割加工工作液的研究等[30-32]。当然, 电火花加工的绿色化还包括高效节能电源的研制、提 高电火花脉冲电源的电磁兼容性等[33]。

电火花加工技术同其它加工技术的复合加工是一

种发展策略。常见的复合加工方法之一有电火花加工 和超声加工的复合。将超声振动引入到在微细电火花 加工中,可以提高电火花的加工速度[34]。混粉电火 花加工与超声加工复合来改善工件加工表面的放电凹 坑的形状和分布,从而形成更好的加工表面质量[35]。

针对气中电火花加工速度普遍较低的情况(氧气除 外),出现了超声振动和气中电火花加工的复合技术 的研究,使得气中加工的速度得以提高[36]。笔者认 为气体介质中电火花加工技术具有清洁制造的特点, 该加工方法可以方便与其它加工方法组合,形成集成 加工是其发展的方向之一。另外,电火花加工与电化 学加工复合加工(ECDM)的研究将进一步深入。该 加工方法综合了电火花加工和电化学加工的优点,将 电火花熔蚀作用与电化学腐蚀作用相结合,采用较高 的脉冲电压,加工时在电极的端面间隙处会产生放电 电弧,金属被熔蚀抛出时在工件表面产生热损伤层, 随即此热损伤层被电化学蚀除作用所去除, ECDM既 有较高的加工效率,又有高的表面加工质量[37]。 1·5 开发新的加工工艺

要实现电火花加工技术的长足发展,需要不断地 开发新工艺和新方法,这是促进电火花加工技术发展 的动力。目前,这方面的代表是气中电火花加工技术 和电火花加工绝缘陶瓷技术,这两种加工方法突破了 人们以往对电火花加工技术的局限性认识,形成了电 火花加工技术的新工艺方法,丰富了电火花加工的研 究内容,拓宽了研究方向。气中电火花加工的实现突 破了电火花加工只能在液体介质中进行的认识;而电 火花加工绝缘陶瓷技术突破了被加工材料必须是导电 材料的限制,该技术的关键是在加工前在陶瓷表面覆 盖上辅助电极[38]。加工是在煤油工作液中进行,先 对辅助电极区域进行加工,借助于从加工煤油中分解 出来的碳元素被附着于陶瓷表面,形成一层“生成 导电膜”,进入绝缘性陶瓷材料区域。

北京科技大学的贾志新对立式旋转电火花线切割 的加工特性进行了分析并初步进行了实验,认为这种 电火花线切割加工方式断丝率低,加工平稳性好,排 屑好,加工速度高,表面粗糙度好。通过对立式回转 电火花线切割加工技术特性的分析,认为该技术在原 理上具有许多优越性,是一种很有发展前景的加工技 术。尽管目前该技术在加工机理、加工动力学特性方 面还有待进一步研究,加工设备的机械结构设计也有 待进一步改进,但是对这种具有创新思想的工艺方法 的尝试对电火花加工的发展无疑是有利的[39]。总之, 不断开发新的加工工艺是该技术长足发展的保证。

2 小结

本文结合制造业的背景,根据电火花加工技术的

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