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微细电火花微孔加工技术的发展现状

作者:未知

  摘 要:微细电火花微孔加工技术是电火花加工领域的一个重要发展方向。在分析大量文献的基础上,系统地总结了微细电火花加工微孔技术的基础理论和加工工艺研究进展及应用现状,主要介绍了微细电火花加工的蚀除机理、蚀除产物排出机理、微细工具电极的在线制作、加工工艺参数的选择与辅助其他加工方法的复合加工工艺,分析了当前微细电火花微孔加工技术存在的问题,并展望其发展趋势。
  关键词:微细电火花加工;微孔;基础理论;加工工艺
  DOI:10.15938/j.jhust.2018.04.005
  中图分类号: TG661
  文献标志码: A
  文章编号: 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
  �S着产品零件向精密微细化方向发展,微孔(孔径小于0.1mm的孔)以独特的功能结构在航空航天、精密仪器和汽车制造等领域得到广泛的应用,如航空发动机高压压气机空气导管内的阻尼衬套、高压涡轮机前轴阻尼筒和后轴阻尼环、电子显微镜光栅、化纤喷丝板和汽车发动机喷油嘴等[1]。作为微细加工技术的重要组成部分,具有非接触式、无明显宏观作用力和“以柔克刚”等加工特点的微细电火花加工技术被广泛应用于难加工材料微孔加工中,解决了传统加工方法难以解决甚至无法解决的微孔加工难题,在航空航天、汽车、微机电系统、生物医疗等高端制造领域有着大量不可替代的需求与应用[2]。
  随着日本东京大学生产技术研究所开发线电极放电磨削工艺,成功解决了微细电极的在线制作难题,为微细电火花加工技术得到快速的发展提供了有效的技术保障。尽管诸多学者在微细电火花机加工研究中已取得大量的研究成果,然而由于电火花加工过程的复杂性、随机性,涉及流场、热场、电磁场等多场耦合作用,以及有效研究手段的匮乏,在电火花加工过程中存在着许多问题,诸如微细电火花加工基础理论和加工工艺等问题亟待解决。为解决微孔微细电火花加工技术瓶颈,从理论分析和工艺实验两大方面对微细电火花加工基础理论和加工工艺进行分析,归纳总结近年来国内外的研究成果,并指出现存在的问题及发展趋势。
  1 微细电火花加工基础理论
  电火花加工过程是利用工具和工件之间脉冲性火花放电产生的局部、瞬时高温来蚀除多余的材料,其微观蚀除过程涉及热力、电场力、磁力、电化学、流体动力和胶体化学等综合作用,加工原理如图1所示。由于电火花加工过程的复杂性和随机性以及研究手段缺乏创新,目前尚没有一套完整的理论解释实验加工中的一些现象,如电极材料的蚀除过程与蚀除产物的排出过程。
  1.1 微细电火花加工的蚀除机理
  对微细电火花加工中电极材料蚀除机理的研究,主要有以下几种不同的看法:放电爆炸力[3]、热应力[4]、静电力[5]和过热[6]。在电火花加工实验中,电极表面有熔融金属重新凝固形成的白亮层的存在,而这种白亮层的形成和热有着密切的联系。美国研究学者Dibitonto[5]数值模拟了放电通道中阳极和阴极的温度场,并定量证明过热是电火花放电过程的主要蚀除机制。上海交大赵万生[7]通过静电场诱导放电进一步证实热是材料蚀除的主要形式。因此,目前普遍认为过热是材料蚀除的主要形式。
  电火花加工过程是无数个单脉冲重复循环的放电过程,因此关于电火花蚀除机理的研究都是从单脉冲放电过程展开的。山东大学张建华[8]模拟了单脉冲放电时两极的温度场分布,分析了极性、放电能量与蚀除量之间的关系,为蚀除过程的研究提供了理论基础。Kuriachen[9]开发了两种脉冲放电仿真数学模型,预测了单脉冲火花放电凹坑的形状和大小。Mujumdar[10]建立了等离子体模型和熔池模型,研究了磁场力对微细电火花加工中温度分布的影响。墨西哥学者Lange[11]对目前各种热仿真模型进行数据对比验证,分析模型参数对仿真结果的影响。新加坡Yeo[12]依据温度场分布、凹坑几何形貌和材料去除率对五种不同热仿真模型于实验数据进行了对比,得出点热源模型更加符合实际加工情况,如图2所示为5种不同热仿真模型得出的温度分布图。   目前电火花加工蚀除机理的研究主要是利用数值仿真的方法,基于经验公式对理论模型进行简化分析,对材料相变潜热、放电通道半径扩张、能量在两极与介质的分配比例的处理没有给出更合理的解释、没有考虑材料熔化气化抛出、重新凝固对仿真结果的影响,因此,模拟结果并不能很好地符合蚀除过程的实际加工情况。
  1.2 微孔电火花加工中蚀除产物的排出过程
  在微细电火花加工过程中,极间间隙电蚀产物能否有效排出直接影响着电火花加工的加工效率和加工状态,对电蚀产物的排出过程进行深入的研究显得尤为必要。
  大多数学者从流体仿真的角度对电蚀产物的排出过程进行研究。曹一龙[13]对小孔加工中排屑过程进行仿真,分析了压力场和速度场对电蚀产物排出过程的影响。南京航空航天大学张俊清[14]对加工间隙内工作液的流动状态进行了数值模拟和仿真分析,得出电蚀产物充分排出是加工间隙中工作液的高速流动的结果。山东大学张勤河[15]利用Fluent软件对低频振动辅助电火花铣削加工间隙流场进行了仿真分析,研究冲液压力、工具电极转速、振动频率对流场内压力、速度、蚀除颗粒分布规律的影响。土耳其Ekmekci[16]研究蚀除产物的运动和团聚对盲孔加工中电极端面形状的影响规律。大连理工韩福柱[17]建立加工间隙流场的三维仿真模型,模拟了气泡与电蚀产物的运动机制、气泡扩张对电蚀产物排出间隙的影响规律,以及抬刀对电蚀产物的排出过程的影响,如图3所示为气泡与电蚀产物的分布情况。
  由于电火花加工过程加工放电间隙又很小,工件和电极均不透明,而且放电过程十分复杂,因此很难用仪器直接测量间隙流场的运动状态,目前大多�笛芯慷技�中在间隙流场中蚀除产物的运动仿真,很少考虑到加工间隙内电蚀产物团聚以及电泳现象对极间放电状态的影响,从而无法用数值仿真的方法精确地表述间隙流场状态。
  2 微细电火花加工的实验研究
  微细电火花加工工艺实验主要涉及微细工具电极的制作、工艺参数的选择和加工工艺方法等研究。
  2.1 微细工具电极的制作
  微细工具电极的制作方法分为离线制作与在线制作。离线制作主要包括车削、磨削等传统方法,适合大批量电极制作,但存在着二次装夹导致微细电极偏摆的问题。在线制作主要包括线电极电火花磨削法、块电极反拷法、自钻孔法等方法。微细电极制作精度直接影响微孔形状精度和尺寸精度,为避免二次装夹误差,微细电极需要在线制作,目前常用的在线制作方法主要有块电极反拷法和线电极电火花磨削法。
  块电极反拷法是一种较为传统的线电极制作方法,加工过程是线接触式放电,因此加工效率高,但由于工作台面与块电极工作面不可避免存在垂直度误差以及块电极工作面的平面度误差,以及电场力和流体动力的影响,因此加工精度就很难保证。线电极电火花磨削是通过一根直径很小的电极丝,工具电极沿轴向进给并旋转,达到火花放电的目的,从而获得工件电极的制作。由于线电极的移动补偿了自身损耗,实现了工具电极的“无损耗”加工,因此很容易控制电极的尺寸精度,但该方法为点接触式放电,加工速度较慢,不能满足批量化生产要求,还需附加线电极电火花磨削加工设备,增加了成本[18]。清华大学李勇[20]提出切向进给的线放电磨削方法,降低了机床定位精度对微细电极制作精度的影响,实现了微细电极一致性精度小于2μm的重复制作。华中科技大学张鸿海[21]提出了一种金刚砂轮辅助线电火花磨削加工微电极的方法,提高了线电极电火花加工的效率和精度。马来西亚Hourmand[19]对目前微细电极制作方法进行总结分析,如图4所示,并提出反拷块水平移动的方法进行大长径比微细电极的制作,提高了加工效率。
  块电极反拷法加工效率高,但加工精度低。线电极电火花磨削法加工精度高,却存在着加工效率低、成本高的问题。由于块电极反拷法和线电极电火花磨削法存在加工效率和加工质量不能兼具的问题,台湾大学王建源[22]提出线电极电火花磨削法和电化学组合加工微细电极的方法,先利用线电极电火花磨削法加工电极至40μm,在利用电化学进行修正尺寸,得到长1mm、直径10μm的微细电极。哈工大王燕青[23]提出块电极反拷法和线电极电火花磨削法组合加工微细电极,提高了微细电极的加工效率和加工精度。利用块电极反拷法进行粗加工,在利用线电极电火花磨削法进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,然而却增加了一套线电极电火花磨削装备,产生了不利的经济影响。因此开展兼具块电极反拷法的高加工效率和线电极电火花磨削法的高加工精度的微细电极在线快速精准制作方法就显得尤为必要。
  2.2 工艺参数的选择
  微细电火花加工过程复杂,加工干扰因素众多,需要合理地选择工艺参数,从而提高微细电火花加工的加工效率和加工精度。
  Garg[24]对加工工艺参数提出一种线性优化方法对电火花加工间隙和材料去除率进行了研究。印度学者Saha[25]利用脉冲识别观测系统研究微细电火花微孔加工过程中放电参数对加工过程的影响,得出放电频率增加显著提高加工效率。印度学者Natarajan[26]在不锈钢上进行微小孔加工实验发现,工件材料的热物理属性对加工质量和精度影响很大,较小的电流和脉冲宽度可以得到较高的加工质量,反之,随着电流和脉冲宽度增大,加工质量恶化。意大利学者D’Urso[27]利用材料工艺学指标分析了加工工艺参数、工件和工具的材料属性对微孔加工几何形貌、加工效率和工具磨损的影响规律。印度Chandrasekaran[28]利用回归模型对加工工艺参数进行优化分析以提高微小孔加工质量。
  电火花加工工艺参数之间相互影响,关系错综复杂,各项加工参数之间的相互制约,使所有工艺参数同时达到最优是微细电火花加工技术的一项挑战性任务。因此,有必要依据专家经验和大量的工艺实验,开发智能工艺专家系统,实现工艺专家系统的智能化,达到加工过程的稳定高效及优化最佳加工效果。   2.3 加工工艺方法
  为提高电火花加工效率和加工质量,改善加工状态,近年来对电火花超声复合加工、混粉电火花加工和电火花电化学复合加工等主要加工方法展开了大量研究。
  电火花超声复合加工是在电火花加工过程辅助超声振动的一种加工方法,利用超声高频振动的空化和泵吸作用,促使加工间隙工作液快速循环,改善极间加工状态,提高有效脉冲放电频率和加工稳定性。车江涛[29]提出了工件水平超声振动电火花复合加工,提高了加工效率和加工精度。Lee[30]研究低频振动下超声振动的振动频率和振幅对加工效率的影响规律。印度Alok[31]进行微小孔的超声振动辅助微细电火花加工,分析脉冲宽度、电压和超声对表面白层厚度、硬度和表面化学成分的影响,得出超声振动可以显著减少表面白层厚度和硬度。
  混粉电火花加工技术是在工作液中加入适量的微纳米导电粉末,增大放电间隙和促使放电点的分散和转移,从而改善放电加工状态和表面质量。国内赵福令教授和赵万生教授开展了混粉电火花镜面加工技术的研究,分析了加工极性、加工参数对加工效果的影响。中国石油大学李小朋[32]研究了混粉电火花加工中多火花放电现象。Liew[33]在工作液中添加的碳纳米纤维并辅助超声振动在碳化硅材料上加工出直径为10μm,长径比大于20的微孔。印度学者Reddy[34]在工作液中添加表面活性剂和石墨微米颗粒,改善了颗粒团聚现象,提高了加工效率和表面质量。印度学者Kumar[35]在工作液中添加碳纳米管进行镜面加工,得到碳纳米管浓度和峰值电流对加工表面质量的影响程度最大。马来西亚学者Prihandana[36]通过在工作液中添加二硫化钼微米颗粒和辅助超声振动,研究发现合理的二硫化钼浓度和超声振动可以很好的改善加工效率和加工质量。巴西学者Molinetti[37]通过在工作液中添加硅粉和锰粉颗粒进行加工实验,得到连续均匀的白层,显著提高了表面硬度和加工质量。
  南航朱荻教授[38-39]利用电火花和电化学复合加工方法加工气膜孔,提高了加工精度和效率,同时有效的去除了加工表面白层。在微孔微细电火花加工过程中,结合电化学加工方法进行精加工,去除表面白层;辅助超声振动可防止颗粒的“纳米团聚”与沉积、提高蚀除产物的排出效率;工作液中添加混粉颗粒,可有效增大放电间隙、促使放电能量分散;电化学加工可有效的去除加工表面白层,都实现提高加工质量和加工效率的目的。但由于每一种工艺方法都存在单一加工技术手段的问题,针对材料特性和加工要求的复合/组合加工工艺的需求越来越强烈,结合其他加工工艺方法改善现有的电火花加工工艺方法已迫在眉睫。
  3 结论和展望
  本文主要从微细电火花加工过程的基础理论和工艺实验两方面回顾了微细电火花微孔加工过程的发展现状,对微细电火花加工的蚀除机理、蚀除产物排出机理微细工具电极的在线制作、加工工艺参数的选择与辅助其他加工方法的复合加工工艺进行归纳总结,指出当前存在的问题。最后,应着重从如下几方面展开进一步的工作。
  1)建立完善的电火花加工蚀除理论模型。目前针对电火花蚀除过程的理论模型过于简化,没有合理考虑材料相变潜热、放电通道半径扩张、能量在两极与介质的分配比例、材料熔化抛出、重新凝固对仿真结果的影响,因此有必要建立完善的电火花加工过程的蚀除模型,揭示蚀除过程的加工情况。
  2)建立准确的蚀除产物排出理论模型。目前针对电火花加工中蚀除产物排出过程的研究很少考虑蚀除产物的团聚、电泳现象对极间放电的影响,无法完善的解释微孔出口的“喇叭口”现象和工具电极的锥形截面现象,因此建立准确的蚀除排出理论,改善微孔“喇叭口”现象和工具电极的锥形截面现象。
  3)微细工具电极的在线快速、精准可控制作方法。虽然线电极电火花磨削方法加工精度高,但加工效率低、成本高;反拷块法效率高,但加工精度不高。因此开展兼具块电极反拷法的高效和线�极电火花磨削法的高精度的微细工具电极在线快速制作方法研究显得尤为必要。
  4)研究复合加工工艺方法的应用。由于每种加工方法都存在单一加工手段的问题,针对材料特性和加工要求的复合/组合加工工艺的需求越来越强烈,结合其他加工工艺方法改善现有的电火花加工工艺方法,为电火花加工技术开拓新的应用空间已迫在眉睫。
  5)智能工艺专家系统的研发与应用。由于电火花加工的复杂性和随机性,在加工过程中人工的在线调整无法满足实时加工要求,因此,有必要引入智能工艺专家系统,实现工艺专家系统的智能化,提高加工精度和加工效率。
  参 考 文 献:
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  (�辑:温泽宇)


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