微細(xì)電火花加工技術(shù)

微細(xì)電火花加工技術(shù)微細(xì)電火花加工技術(shù)的簡要及背景隨著世界范圍產(chǎn)品日益的小型化和精密化，作為非接觸式精微制造方法之一的微細(xì)及小孔電火花加工技術(shù)以其超精細(xì)和高精度的加工特點(diǎn)倍受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注,目前已經(jīng)成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的重要組成部分之一,在制造業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用， 蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工。主要用于加工具有復(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件；加工各種硬、脆材料，如硬質(zhì)合金和淬火鋼等；加工深細(xì)孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等；加工各種成形刀具、樣板和螺紋環(huán)規(guī)等工具和量具。20世紀(jì)50年代初期，我國開始研究和試制電火花鍍敷設(shè)備，即把硬質(zhì)合金用電火花工藝鍍敷在高速鋼金屬切削刀具和冷沖模刃口上，提高金屬切削刀具和模具的使用壽命。同時(shí)我國還成功研制了電火花穿孔機(jī)，并廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)噴嘴小孔的加工。60年代初，上海科學(xué)院電工研究所成功研制了我國第一臺(tái)靠模仿形電火花線切割機(jī)床。隨后又出現(xiàn)了具有我國特色的冷沖模工藝，即直接采用凸模打凹模的方法，使凸凹模配合的均勻性得到了保證，大大簡化了工藝過程。60年代末，上海電表廠張維良工程師在陽極切割的基礎(chǔ)上發(fā)明了我國獨(dú)有的高速走絲線切割機(jī)床。上海復(fù)旦大學(xué)研制出電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)。70年代隨著電火花工藝裝備的不斷進(jìn)步，電火花型腔模具成型加工工藝已經(jīng)成熟。線切割工藝也從加工小型冷沖模發(fā)展到可以加工中型和較大型模具。切割厚度不斷增加，加工精度也不斷提高。80年代以來計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，電火花加工也引進(jìn)了數(shù)控技術(shù)和電腦編程技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)的普及，使人們從繁重、瑣碎的編程工作中解放出來極大的提高了效率。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，電火花加工實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化和無人化。美國、日本的一些電火花加工設(shè)備生產(chǎn)公司依靠其精密機(jī)械制造的雄厚實(shí)力，通過兩軸、三軸和多軸數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)工具交換系統(tǒng)及采用多方向伺服的平動(dòng)、搖動(dòng)方案，解決了電火花加工技術(shù)中一系列實(shí)質(zhì)性的問題。隨著具有高精度、高剛度、高自動(dòng)化、高加工表面粗糙度的機(jī)床不斷出現(xiàn),使加工的功能及范圍不斷擴(kuò)大。如今，在國際上，電火花加工可以加工大至數(shù)十噸重的模具和零件，小至只有幾微米的微孔。微細(xì)電火花加工技術(shù)的原理電火花加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時(shí),極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使局部金屬融化，甚至汽化，從而將金屬蝕除下來。極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道放電通道是有大量帶正電和負(fù)電的粒子以及中型粒子組成，帶電粒子高速運(yùn)動(dòng)，相互碰撞,產(chǎn)生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達(dá)到10000攝氏度以上。由于放電開始階段通道截面很小，而通道內(nèi)有高溫?zé)崤蛎浶纬傻膲毫Ω哌_(dá)幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴(kuò)展,產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。在放電的同時(shí)還伴隨著光效應(yīng)和聲效應(yīng)這就形成了肉眼所能看到的電火花。電極材料的融化，汽化熱膨脹液體介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負(fù)電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負(fù)極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能,使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。通道高溫首先使工作液汽化，進(jìn)而氣化,然后高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面的金屬材料開始融化直至沸騰氣化。氣化后的工作液和金屬蒸汽瞬間體積猛增，形成了爆炸的特性。所以在觀察電火花加工時(shí)，可以看到工件與工具電極間有冒煙現(xiàn)象并聽到輕微的爆炸聲。電極材料的拋出正負(fù)電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。通道中心的壓力最高工作液和金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸汽被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作液中。加工中看到的桔紅色火花就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。極間介質(zhì)的消電離在電火花放電加工過程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物如果來不及排除和擴(kuò)散，那么產(chǎn)生的熱量將不能及時(shí)傳出，使該處介質(zhì)局部過熱,局部過熱的工作液高溫分解，結(jié)碳，使加工無法進(jìn)行,并燒壞電極。因此為了保證電火花加工過程的正常進(jìn)行,在兩次放電之間必須有足夠的時(shí)間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排除，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作液介質(zhì)消電離實(shí)際上，電火花加工的過程遠(yuǎn)比上述復(fù)雜，它是電力、磁力、熱力、流體動(dòng)力、電化學(xué)和膠體化學(xué)等綜合作用的過程。到目前為止，人們對(duì)電火花加工過程的了解還有限，需要進(jìn)一步研究。微細(xì)電火花加工技術(shù)的應(yīng)用陶瓷為查明放電能量的有效性，對(duì)擁有優(yōu)越絕緣性材料的機(jī)械零件化曾經(jīng)是一個(gè)重要的課題。這是一項(xiàng)與陶瓷相關(guān)技術(shù)研制發(fā)端。作為材料的陶瓷，價(jià)格低，到手較為容易，除了絕緣性能之外，陶瓷的特點(diǎn)可以舉出的是，擁有重量輕、剛度高、耐磨損性以及熱環(huán)境狀態(tài)下的穩(wěn)定性優(yōu)異。達(dá)到如此優(yōu)越程度的材料沒有被積極當(dāng)作機(jī)械零件來使用的原因是，一般的常識(shí)認(rèn)為韌性較低的緣故。所謂“熱壓件”的陶瓷確實(shí)擁有裂紋的缺點(diǎn)，但通過充分觀察、分析、驗(yàn)證其加工過程有可能作為機(jī)械零件來使用不會(huì)有什么問題。在沙迪克公司電火花機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)中除了外部因素之外，陶瓷發(fā)生裂紋的機(jī)率為零。實(shí)際上，把該陶瓷作為機(jī)械零件材料，對(duì)發(fā)揮直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)越性卻變成了一種重要的技術(shù)基礎(chǔ)，也就是陶瓷本身的特點(diǎn)能最大限度的發(fā)揮出作為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)越性的高速、高加速、高響應(yīng)的特性，同時(shí)，為了獲得高精度特性在實(shí)施有成效的熱對(duì)策方面帶來了有效的成果。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)被分類成板極的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一種直接驅(qū)動(dòng)，無需所謂傳遞動(dòng)力的進(jìn)給絲杠，所以沒有進(jìn)給絲杠引起的間隙、爬行、扭曲和滯后等影響，從而確立了極為平滑的運(yùn)動(dòng)特性，能使優(yōu)異的響應(yīng)性產(chǎn)生高精度的軸驅(qū)動(dòng)。由于采用高精度、高分辨率的直線光柵作為位置檢測裝置，恰好是在控制著自身的驅(qū)動(dòng)。所以能成為在連續(xù)的時(shí)間軸上進(jìn)行高精度位置控制。對(duì)于電火花加工而言，高響應(yīng)需要的伺服特性是支配加工性能的一個(gè)重要的因素，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的確是一種理想的執(zhí)行元件。使用傳統(tǒng)的進(jìn)給絲杠，通過高精度的控制技術(shù)，并非不能實(shí)現(xiàn)一定程度的定位精度，但在納米這種非常微小的領(lǐng)域中為保證優(yōu)異的加工性能則需要在極高頻率條件下的控制特性。因此，在進(jìn)給絲杠摩擦狀態(tài)中，除了磨損產(chǎn)生的時(shí)效變化問題之外，不能保持初期性能的這一缺點(diǎn)也是難以回避的。如果從一般的不利印象來看，還存在若干有關(guān)生產(chǎn)率、熱效率和懷疑受磁力影響的聲音。然而，沙迪克公司的直線電機(jī)是由自行研制的，所以對(duì)其基本性能進(jìn)行了完整無缺的驗(yàn)證，并將每種機(jī)床所配置的控制特性皆確立了最優(yōu)條件。所以，這類擔(dān)心的事項(xiàng)一概不成問題，技術(shù)開發(fā)已全部完成。實(shí)際上，在確立停止、開動(dòng)、停止這種不連續(xù)的簡單動(dòng)作中的安全性等方面，把不損害性能的性價(jià)比達(dá)到極限的機(jī)械構(gòu)成品當(dāng)作具體的事項(xiàng)也是重要的課題。除性能之外，應(yīng)解決的眾多課題皆被克服掉了，沙迪克公司已集聚了獨(dú)家的技術(shù)竅門。微細(xì)電火花加工技術(shù)在將來的應(yīng)用前景未來數(shù)控電火花加工技術(shù)的發(fā)展空間是十分廣闊的。由于電火花加工過程本身的復(fù)雜性，迄今對(duì)電火花加工的機(jī)理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系統(tǒng)的工藝實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上完成的，所以對(duì)電火花加工機(jī)理的深入研究，并以此直接指導(dǎo)和應(yīng)用于實(shí)踐加工是數(shù)控電火花加工技術(shù)發(fā)展的根本。在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)新工藝將是數(shù)控電火花加工技術(shù)發(fā)展方向。如數(shù)控電火花銑削加工是一種還不成熟的技術(shù)，值得繼續(xù)研究的新工藝。數(shù)控電火花機(jī)床在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、脈沖電源的開發(fā)方面將朝更合理、更具優(yōu)勢化的方向全面發(fā)展，提高加工性能，同時(shí)考慮降低機(jī)床制造的成本。數(shù)控電火花加工在控制技術(shù)上將朝自動(dòng)化、智能化方面的更高層次發(fā)展，數(shù)控電火花加工的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)在高檔機(jī)床上已有應(yīng)用，將逐步推廣及應(yīng)用，獲取更好的系統(tǒng)管理效果。總之?dāng)?shù)控電火