微細電火花微孔加工技術的發展現狀

解寶成　崔賀新　張元　劉獻禮

摘 要：微細電火花微孔加工技術是電火花加工領域的一個重要發展方向。在分析大量文獻的基礎上，系統地總結了微細電火花加工微孔技術的基礎理論和加工工藝研究進展及應用現狀，主要介紹了微細電火花加工的蝕除機理、蝕除產物排出機理、微細工具電極的在線制作、加工工藝參數的選擇與輔助其他加工方法的復合加工工藝，分析了當前微細電火花微孔加工技術存在的問題，并展望其發展趨勢。

關鍵詞：微細電火花加工；微孔；基礎理論；加工工藝

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.005

中圖分類號： TG661

文獻標志碼： A

文章編號： 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

隨著產品零件向精密微細化方向發展，微孔（孔徑小于0.1mm的孔）以獨特的功能結構在航空航天、精密儀器和汽車制造等領域得到廣泛的應用，如航空發動機高壓壓氣機空氣導管內的阻尼襯套、高壓渦輪機前軸阻尼筒和后軸阻尼環、電子顯微鏡光柵、化纖噴絲板和汽車發動機噴油嘴等[1]。作為微細加工技術的重要組成部分，具有非接觸式、無明顯宏觀作用力和“以柔克剛”等加工特點的微細電火花加工技術被廣泛應用于難加工材料微孔加工中，解決了傳統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、微機電系統、生物醫療等高端制造領域有著大量不可替代的需求與應用[2]。

隨著日本東京大學生產技術研究所開發線電極放電磨削工藝，成功解決了微細電極的在線制作難題，為微細電火花加工技術得到快速的發展提供了有效的技術保障。盡管諸多學者在微細電火花機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雜性、隨機性，涉及流場、熱場、電磁場等多場耦合作用，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，諸如微細電火花加工基礎理論和加工工藝等問題亟待解決。為解決微孔微細電火花加工技術瓶頸，從理論分析和工藝實驗兩大方面對微細電火花加工基礎理論和加工工藝進行分析，歸納總結近年來國內外的研究成果，并指出現存在的問題及發展趨勢。

1 微細電火花加工基礎理論

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生的局部、瞬時高溫來蝕除多余的材料，其微觀蝕除過程涉及熱力、電場力、磁力、電化學、流體動力和膠體化學等綜合作用，加工原理如圖1所示。由于電火花加工過程的復雜性和隨機性以及研究手段缺乏創新，目前尚沒有一套完整的理論解釋實驗加工中的一些現象，如電極材料的蝕除過程與蝕除產物的排出過程。

1.1 微細電火花加工的蝕除機理

對微細電火花加工中電極材料蝕除機理的研究，主要有以下幾種不同的看法：放電爆炸力[3]、熱應力[4]、靜電力[5]和過熱[6]。在電火花加工實驗中，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系。美國研究學者Dibitonto[5]數值模擬了放電通道中陽極和陰極的溫度場，并定量證明過熱是電火花放電過程的主要蝕除機制。上海交大趙萬生[7]通過靜電場誘導放電進一步證實熱是材料蝕除的主要形式。因此，目前普遍認為過熱是材料蝕除的主要形式。

電火花加工過程是無數個單脈沖重復循環的放電過程，因此關于電火花蝕除機理的研究都是從單脈沖放電過程展開的。山東大學張建華[8]模擬了單脈沖放電時兩極的溫度場分布，分析了極性、放電能量與蝕除量之間的關系，為蝕除過程的研究提供了理論基礎。Kuriachen[9]開發了兩種脈沖放電仿真數學模型，預測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，研究了磁場力對微細電火花加工中溫度分布的影響。墨西哥學者Lange[11]對目前各種熱仿真模型進行數據對比驗證，分析模型參數對仿真結果的影響。新加坡Yeo[12]依據溫度場分布、凹坑幾何形貌和材料去除率對五種不同熱仿真模型于實驗數據進行了對比，得出點熱源模型更加符合實際加工情況，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理的研究主要是利用數值仿真的方法，基于經驗公式對理論模型進行簡化分析，對材料相變潛熱、放電通道半徑擴張、能量在兩極與介質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、重新凝固對仿真結果的影響，因此，模擬結果并不能很好地符合蝕除過程的實際加工情況。

1.2 微孔電火花加工中蝕除產物的排出過程

在微細電火花加工過程中，極間間隙電蝕產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，對電蝕產物的排出過程進行深入的研究顯得尤為必要。

大多數學者從流體仿真的角度對電蝕產物的排出過程進行研究。曹一龍[13]對小孔加工中排屑過程進行仿真，分析了壓力場和速度場對電蝕產物排出過程的影響。南京航空航天大學張俊清[14]對加工間隙內工作液的流動狀態進行了數值模擬和仿真分析，得出電蝕產物充分排出是加工間隙中工作液的高速流動的結果。山東大學張勤河[15]利用Fluent軟件對低頻振動輔助電火花銑削加工間隙流場進行了仿真分析，研究沖液壓力、工具電極轉速、振動頻率對流場內壓力、速度、蝕除顆粒分布規律的影響。土耳其Ekmekci[16]研究蝕除產物的運動和團聚對盲孔加工中電極端面形狀的影響規律。大連理工韓福柱[17]建立加工間隙流場的三維仿真模型，模擬了氣泡與電蝕產物的運動機制、氣泡擴張對電蝕產物排出間隙的影響規律，以及抬刀對電蝕產物的排出過程的影響，如圖3所示為氣泡與電蝕產物的分布情況。

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雜，因此很難用儀器直接測量間隙流場的運動狀態，目前大多數研究都集中在間隙流場中蝕除產物的運動仿真，很少考慮到加工間隙內電蝕產物團聚以及電泳現象對極間放電狀態的影響，從而無法用數值仿真的方法精確地表述間隙流場狀態。

2 微細電火花加工的實驗研究

微細電火花加工工藝實驗主要涉及微細工具電極的制作、工藝參數的選擇和加工工藝方法等研究。

2.1 微細工具電極的制作

微細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、磨削等傳統方法，適合大批量電極制作，但存在著二次裝夾導致微細電極偏擺的問題。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，以及電場力和流體動力的影響，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，工具電極沿軸向進給并旋轉，達到火花放電的目的，從而獲得工件電極的制作。由于線電極的移動補償了自身損耗，實現了工具電極的“無損耗”加工，因此很容易控制電極的尺寸精度，但該方法為點接觸式放電，加工速度較慢，不能滿足批量化生產要求，還需附加線電極電火花磨削加工設備，增加了成本[18]。清華大學李勇[20]提出切向進給的線放電磨削方法，降低了機床定位精度對微細電極制作精度的影響，實現了微細電極一致性精度小于2μm的重復制作。華中科技大學張鴻海[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]對目前微細電極制作方法進行總結分析，如圖4所示，并提出反拷塊水平移動的方法進行大長徑比微細電極的制作，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量不能兼具的問題，臺灣大學王建源[22]提出線電極電火花磨削法和電化學組合加工微細電極的方法，先利用線電極電火花磨削法加工電極至40μm，在利用電化學進行修正尺寸，得到長1mm、直徑10μm的微細電極。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電極，提高了微細電極的加工效率和加工精度。利用塊電極反拷法進行粗加工，在利用線電極電火花磨削法進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，產生了不利的經濟影響。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電極在線快速精準制作方法就顯得尤為必要。

2.2 工藝參數的選擇

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

Garg[24]對加工工藝參數提出一種線性優化方法對電火花加工間隙和材料去除率進行了研究。印度學者Saha[25]利用脈沖識別觀測系統研究微細電火花微孔加工過程中放電參數對加工過程的影響，得出放電頻率增加顯著提高加工效率。印度學者Natarajan[26]在不銹鋼上進行微小孔加工實驗發現，工件材料的熱物理屬性對加工質量和精度影響很大，較小的電流和脈沖寬度可以得到較高的加工質量，反之，隨著電流和脈沖寬度增大，加工質量惡化。意大利學者DUrso[27]利用材料工藝學指標分析了加工工藝參數、工件和工具的材料屬性對微孔加工幾何形貌、加工效率和工具磨損的影響規律。印度Chandrasekaran[28]利用回歸模型對加工工藝參數進行優化分析以提高微小孔加工質量。

電火花加工工藝參數之間相互影響，關系錯綜復雜，各項加工參數之間的相互制約，使所有工藝參數同時達到最優是微細電火花加工技術的一項挑戰性任務。因此，有必要依據專家經驗和大量的工藝實驗，開發智能工藝專家系統，實現工藝專家系統的智能化，達到加工過程的穩定高效及優化最佳加工效果。

2.3 加工工藝方法

為提高電火花加工效率和加工質量，改善加工狀態，近年來對電火花超聲復合加工、混粉電火花加工和電火花電化學復合加工等主要加工方法展開了大量研究。

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

混粉電火花加工技術是在工作液中加入適量的微納米導電粉末，增大放電間隙和促使放電點的分散和轉移，從而改善放電加工狀態和表面質量。國內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的研究，分析了加工極性、加工參數對加工效果的影響。中國石油大學李小朋[32]研究了混粉電火花加工中多火花放電現象。Liew[33]在工作液中添加的碳納米纖維并輔助超聲振動在碳化硅材料上加工出直徑為10μm，長徑比大于20的微孔。印度學者Reddy[34]在工作液中添加表面活性劑和石墨微米顆粒，改善了顆粒團聚現象，提高了加工效率和表面質量。印度學者Kumar[35]在工作液中添加碳納米管進行鏡面加工，得到碳納米管濃度和峰值電流對加工表面質量的影響程度最大。馬來西亞學者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，研究發現合理的二硫化鉬濃度和超聲振動可以很好的改善加工效率和加工質量。巴西學者Molinetti[37]通過在工作液中添加硅粉和錳粉顆粒進行加工實驗，得到連續均勻的白層，顯著提高了表面硬度和加工質量。

南航朱荻教授[38-39]利用電火花和電化學復合加工方法加工氣膜孔，提高了加工精度和效率，同時有效的去除了加工表面白層。在微孔微細電火花加工過程中，結合電化學加工方法進行精加工，去除表面白層；輔助超聲振動可防止顆粒的“納米團聚”與沉積、提高蝕除產物的排出效率；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；電化學加工可有效的去除加工表面白層，都實現提高加工質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手段的問題，針對材料特性和加工要求的復合/組合加工工藝的需求越來越強烈，結合其他加工工藝方法改善現有的電火花加工工藝方法已迫在眉睫。

3 結論和展望

本文主要從微細電火花加工過程的基礎理論和工藝實驗兩方面回顧了微細電火花微孔加工過程的發展現狀，對微細電火花加工的蝕除機理、蝕除產物排出機理微細工具電極的在線制作、加工工藝參數的選擇與輔助其他加工方法的復合加工工藝進行歸納總結，指出當前存在的問題。最后，應著重從如下幾方面展開進一步的工作。

1）建立完善的電火花加工蝕除理論模型。目前針對電火花蝕除過程的理論模型過于簡化，沒有合理考慮材料相變潛熱、放電通道半徑擴張、能量在兩極與介質的分配比例、材料熔化拋出、重新凝固對仿真結果的影響，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）建立準確的蝕除產物排出理論模型。目前針對電火花加工中蝕除產物排出過程的研究很少考慮蝕除產物的團聚、電泳現象對極間放電的影響，無法完善的解釋微孔出口的“喇叭口”現象和工具電極的錐形截面現象，因此建立準確的蝕除排出理論，改善微孔“喇叭口”現象和工具電極的錐形截面現象。

3）微細工具電極的在線快速、精準可控制作方法。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工具電極在線快速制作方法研究顯得尤為必要。

4）研究復合加工工藝方法的應用。由于每種加工方法都存在單一加工手段的問題，針對材料特性和加工要求的復合/組合加工工藝的需求越來越強烈，結合其他加工工藝方法改善現有的電火花加工工藝方法，為電火花加工技術開拓新的應用空間已迫在眉睫。

5）智能工藝專家系統的研發與應用。由于電火花加工的復雜性和隨機性，在加工過程中人工的在線調整無法滿足實時加工要求，因此，有必要引入智能工藝專家系統，實現工藝專家系統的智能化，提高加工精度和加工效率。

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（編輯：溫澤宇）