特種加工中超聲輔助電火花加工技術及機理

摘 要：在當今工業生產不斷發展，科學技術不斷提升的今天，傳統機械加工工藝的弊端逐漸顯現，電火花加工技術隨之更新，并得到迅速發展。當前，超聲輔助電火花加工工藝在工業生產中普遍開展，同時隨著工業生產中綠色環保的理念不斷深入，將工藝介質不斷更迭在電火花加工技術里，我國電火花加工技術水平隨之發展，起到關鍵的推動作用。

關鍵詞：電火花加工;氣體介質;超聲振動

很多裝備設計中，為保障零件的剛度、強度和穩定性，常用難加工金屬材料。為保證材料組織的穩定，零件毛坯設計比較大，導致加工中材料去除量比較大。目前主要是采用切削加工或電火花成型加工，都存在成本高、效率低的問題。超聲輔助電火花加工綜合了數控切削加工和電火花成型加工優勢，由數控系統控制標準電極，按軌跡加工，解決切削加工中刀具磨損大的問題和電火花成型加工中電極制造難的問題，并且利于極間蝕除顆粒排出，有助于提高加工效率，但是加工過程復雜而難以有效控制。經國內外學者多年努力，特種加工中超聲輔助電火花加工工藝研究取得了突破性進展。

1 特種加工中超聲輔助電火花加工工藝基本原理

超聲輔助電火花加工技術把多種新型介質的電火花加工技術應用于電火花技術加工中，通過分層制造原理，借鑒快速原型制造技術進行分層數控加工，實現加工工藝的完成。

超聲輔助電火花工藝加工工作原理如下：

簡易電極在數控系統的控制下，根據超聲振動輔助，按照預定的軌跡進行分層掃描加工（可在超聲振動輔助下通過工具電極與工件之間的不同放點位置的介質放電加工出所需的工件形狀）;在整個電火花加工過程中，工具電極與工件分別于脈沖電源的兩端連接，工具電極旋轉并進行超聲振動，同時管狀工具電極中可通以液體、氣體等多種形式的電火花介質;在數控系統的作用下，工具電極的底面始終與被加工表面保持適當的距離，并在絕緣強度最低處或間隙最小處擊穿產生火花放電，放電產生的瞬時高溫使工件電極表面材料熔化和氣化;這樣隨著連續不斷的重負脈沖放電以及工具電極的伺服進給運動，加工軌跡上的工件材料逐漸被蝕除，進而加工出所需的工件形狀。

2 特種加工中超聲輔助電火花加工技術特點

電火花加工利用工具電極與工件之間的脈沖性火花放電產生的局部高溫、高壓來蝕除工件材料，可加工任何硬、脆、韌的導電材料。隨著技術發展，電火花加工的加工對象已經擴展到非導電材料領域，并向微細領域發展。電火花加工的應用越來越廣泛。

超聲輔助氣中電火花加工工藝根據分層制造的電火花加工方式，其加工思想是將復雜的三維結構制造過程演變為較為簡單的二維結構的制造過程，與等高線數控類似，利用簡易電極，逐層去除加工材料，從而簡化了制造的難度。該技術的關鍵體現在層面本身的制造精度和層面之間的平滑過渡上。從工藝的角度講，層面之間的平滑過渡是通過分層厚度來體現的，而層面本身的制造精度一般由電極軌跡的規劃來實現。

3 特種加工中超聲輔助電火花加工技術存在的問題

電火花加工工藝是在20世紀90年代發展起來的電火花成型加工技術。近年來，國內外專家學者開展了大量研究，取得了很大進展，但在機理、設備、介質、工藝、質量等方面的研究仍顯不足，目前電火花加工還存在智能化程度較低、操作困難、成本高和效率低等問題。

電火花工藝放電機理的研究，主要開展了放電點的位置、氣泡運動、等離子體通道直徑等方面的研究，研究手段主要是依賴高速攝像機、應力傳感器等檢測設備進行檢測，根據檢測結果進行理論分析。但是，各方面的研究相對獨立，沒有開展系統分析研究，對材料熔化、蝕除顆粒排出等機理沒有深入研究，對于微細工件加工還需要尺度效應和錯位理論等有關理論研究，需要歸納總結加工特性，以理論指導試驗和實踐。

4 特種加工中超聲輔助電火花加工技術發展趨勢

當前制造行業中，難加工材料加工，采用切削加工的局限越來越明顯，不僅效率低、周期長、刀具成本大，且以進口為主存在一定的戰略隱患。采用超聲輔助電火花加工技術能夠較好地解決這些問題，值得進一步被重視，向高速化、精密化、細微化和綠色化發展。

（1）高速化發展。目前研究采用的伺服驅動方式，控制精度不高，面對批量生產需求的差距很大，研發高效伺服驅動系統勢在必行。

（2）精密化發展。極性效應，是電火花加工的基本機理。在極性效應的作用下，電極逐步損耗變形，減低了銑削加工的精度。不斷積累的加工屑，會影響電火花銑削過程的穩定性，進一步降低成型精度。因此，在今后的發展工藝中，應注重提高設備的先進性、工藝和技術的精細及加工精度的準確率。

（3）微細化發展。微細電火花加工是重要的微細加工技術，尤其是一些微小三維型面的加工中，其電極制作難度大、損耗大，導致成本高、精度低，采用微細電火花銑削加工技術能夠解決這一瓶頸問題，但是，目前電火花銑削加工的微尺寸工件的表面質量不高。因此，未來有效改善微細電火花銑削加工技術的加工質量值得深入研究。

（4）綠色化發展 。綠色制造是先進制造理念和模式，電火花銑削加工技術融入該理念，是實現制造過程環境友好的重要舉措。當前，電火花加工中，工作介質因電離而產生有害氣霧、加工產生的噪音，以及資源消耗、電磁輻射、刺激性氣味等問題比較嚴重。未來，電火花銑削加工提高綠色性能，選擇與應用優質介質，減少電離氣霧;提高設備主軸精密驅動，降低噪聲，以及廣泛開展集成加工，提高效能比。

經過國內外學者多年的研究，電火花銑削技術的研究已經取得了一定進展，為機械加工，尤其是難加工材料的加工做出了貢獻。但是，還存在加工效率低，加工精度低，加工成本高，以及微細化加工難以突破等問題。為了適應制造業發展需求，今后應重視高速化、精密化、細微化和綠色化。

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作者簡介：崔同磊（1993-），男，山東昌樂人，碩士研究生，研究方向：特種加工。