提高微小孔電火花加工質量的方法探究

孟凡榮

摘要：微小孔廣泛應用于各個領域，但國內微小孔加工狀況并不樂觀，加工質量差、效率低、成本高是目前微小孔加工的現狀。通過對微小孔電火花加工過程中的工作介質的選擇、電極損耗的補償、加工質量的控制的分析，介紹了它們存在的問題以及未來的發展趨勢。

Abstract： Although the micro hole is used in various fields widely， the domestic situation of micro hole machining is not optimistic. The present condition of the micro hole processing are poor quality， low efficiency and high cost. The existing problems and future development trend are introduced by analysis of the selection of working medium， compensation of electrode loss and control of processing quality in micro hole EDM.

關鍵詞：微小孔;電火花加工;工作介質;電極補償;質量控制

Key words： micro hole;EDM;working medium;compensation of electrode;the quality control

中圖分類號：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0112-03

0? 引言

日本東京大學的增澤隆久等人，研制了WEDG技術，利用電火花反拷加工技術上線狀電極替代反拷模塊，解決了電火花進行微細加工問題，也說明利用電火花加工技術可以加工出數微米的小孔[1]。國內微小孔加工效率低、成品率低、精度難以保證同時加工成本大。迫切需要解決微小孔加工質量和效率的難題。本文分析了針對微小孔加工的幾個方面問題并提出解決措施。

1? 電火花加工過程放電機理

電火花加工中火花放電過程復雜，電火花加工的創始人拉扎連柯曾描述電火花放電過程，利用氣體放電過程的伏安特性曲線，如圖1。

氣體導電學說認為氣體絕對不導電是不存在的。工件和工具電極之間施加電壓，氣體離子做定向移動在電場力的作用下，這樣形成了電流。增大電壓后，離子流速也提高，在單位時間內，電流也增大，是由于極間運動的電荷量增大，符合歐姆定律，圖中OC。當消電離速度小于氣體分子電離速度，形成輝光放電在電流急劇增大下，圖1中DA。逐漸增大電場強度，極間氣體分子越來越劇烈的碰撞，使得介質導電性越來越強，完全破壞了介質的耐電強度，導致電壓下降劇烈，電流驟增，火花放電就這樣形成了，圖AB。足夠大電源功率使放電過程的穩定狀態一直持續，形成了最后一個放電形式（電弧放電），圖BH。

通過分析，放電狀態不同加工狀態和加工性能也有所區別。出現的空載和短路兩種情況是沒有蝕除金屬材料作用不產生加工作用，使加工效率低。短路情況電流較大，脈沖電源的壽命會受到影響。最好的火花放電狀態是去除金屬材料，進行加工，提高火花率在脈沖放電過程中可以大大提高加工效率。

2? 工作介質的選擇

傳統電火花加工在液體介質中，為絕緣介質，對電火花加工工作液的性能很重要。黏度大、密度大、介電性能好的工作液放使電通道壓縮，放電的能量密度變高，電蝕產物的拋出較好;黏度如果太大，電蝕產物的排出受到影響，放電也會影響。多數工作液會發生裂解，污染環境產生有毒氣體。合成型的高速電火花加工液添加劑使得成本加大，雖然污染小但是不好把握工藝，電弧現象還會伴隨，不太適用。工作液循環時微細電極絲受到工作液的擾動，微小孔的加工精度會受限。

電火花加工在氣體介質中使以上加工難題破解。電火花加工在氣體介質中是日本教授M.Kunieda 提出，一種以氣體為介質的新的電火花加工技術[2]，他打破了“電火花加工介質不可少的絕緣性工作液”的論述。

氣體為介質的新的電火花加工，工件和工具電極工作在氣體介質，電蝕產物被高速氣體從極間排出。氣體介質能量密度低、壓縮放電通道小于液體，放電凹坑深度小且增大了放電痕跡，表面質量較好。工具電極表面有電蝕產物保護工具電極，電極損耗率低[3]。氣體介質電火花加工有小的放電間隙，縮小了排屑空間，出現短路和拉弧，放電不穩定，頻繁回退的工具電極使加工效率變低[4]。采用超聲輔助克服以上現象，超聲振動在工具電極、工件放電通道和間隙放電較好，最后加工質量較好，加工效率較高[5]。原理圖如圖2。

電火花加工氣體介質工業應用不多，研究也比較少。加入超聲振動輔助的加工技術也不成熟，要考慮到很多，如加工極性、氣體壓力、電極材料、伺服進給、脈沖放電等參數。還有超聲振動頻率和幅度等。復雜的工藝參數難以控制。所以還需要進一步優化氣體介質電火花加工。

3? 電極損耗的補償

電火花放電加工，原理是利用兩電極間脈沖火花放電出現的熱能熔化蒸發最后拋出電極材料。工件上的金屬材料被去除的同時工具電極材料也被去除，損耗電極。微細電火花加工會使電極損耗厲害加嚴重。所以，在微細電火花加工中電極損耗要充分考慮到。

解決電極損耗問題的傳統方法如下，改變沖油壓力、改變沖油方式、改變電參數等[6]。微細電火花加工使加工質量提高會使過渡電弧減少。極間消電較好分脈沖間隔足夠吸附效應較弱。還有微細加工中較小的蝕除量使加工速度慢，這就要在保證質量前提，使峰值電流電壓和脈沖寬較大度。充分排出極間電蝕產物是選擇沖油方式和壓力的依據。加工效率和質量保證再考慮電極損耗，但也沒有完全解決問題，最后選擇電極補償來克服這一難題。電極補償原理圖[7]如圖3。

Z向伺服進給驅動電極補償機構，主要由電極絲導向器、常閉式夾絲機構、常開式夾絲機構、構成圖3（a）。加工進給過程中，常開式夾絲機構狀態為常開狀態，夾緊電極絲由常閉式夾絲機構夾緊，加工沿軸向進給電極絲，圖3（b）。加工完成一個工位進給后電極絲松開，電極絲由常開式夾絲機構夾緊，反向快速回退常閉式夾絲機構。為每一次加工一致將電極絲前端調至初始位置，圖3（c）。電極絲由常閉式夾絲機構夾緊，常開式夾絲機構松開電極絲，圖3（d），加工進給到了圖3（a）狀態。在加工中，進給補償電極損耗，保證加工電極的長度，使電極損耗問題解決。

雖然通過這種方法能夠有效的解決電極損耗的問題，但新的問題又產生了，如何判斷電極損耗的程度、控制電極補償的量等等。雖然國內的學者研發了有效放電脈沖監測補償法[8]、等損耗原理電極補償方法[9]、放電間隙（開路電壓）監測補償法[10]、模擬仿真的電極補償法[11]等方法，但是他們并沒有給出精確的電極損耗理論，而且這些方法都存在一定的局限性，不能與加工過程的實時控制有機的結合。因此，多種方法的混合，并與控制過程電參數和伺服參數控制相結合的智能補償方案的研究，為電火花電極補償領域開拓新的發展空間。

4? 加工質量的控制

電火花加工表面質量，有表面變質層、表面力學性能、表面粗糙度三部分，其中表面粗糙度是最受關注的因素。電火花加工表面主要由無數個無方向性的放電凹坑和硬凸邊疊加而成，其表面的潤滑性和耐磨損性均比機械加工表面好。實驗證明影響電火花加工表面質量的主要因素有工具電極、工作液和沖油壓力、脈沖電源電參數。在微細電火花加工中，為了獲得較好的表面質量，通常選取較小的脈沖寬度、峰值電流和電壓，較大的脈沖間隔。電極材料的選擇不僅要具有較好的導電性、導熱性、耐腐蝕性，還要防止電極在加工過程中產生變形影響加工精度和形狀。通常電極材料選擇銅鎢鎳合金或者銀鎢鎳合金。近年來出現的“混粉加工”工藝，在工作液中加鋁硅等一定導電性粉末，從而改變工作液擊穿特性、介電常數等，可加工出表面粗糙度為0.05～0.1？滋m的光亮面，明顯的提高了加工表面質量。

研究電火花加工表面質量，還有許多問題需要研究。比如：加工電參數和要素與間關系;不同的工作液介質、工件材料、工具材料等，還需進一步研究電火花加工表面質量。

很多研究電火花加工過程中表面質量，很少關注保護已加工表面質量。電火花加工微小孔孔徑小，加工工件和電極具間隙小，在電蝕產物排出時產生“二次放電”，就再次加工已加工的表面，破壞了加工表面。有學者在電極絲表面鍍上一層絕緣介質在加工過程中會產生氣化附著在已加工工件表面，由于“二次放電”就不會影響已加工表面質量。加工完沖洗工件去除加工表面絕緣介質。但是不清楚這種介質的成分，需要材料領域專家研究。

5? 控制方案設計

電火花加工過程中脈沖能量小，峰值電流電壓小，電壓、電流值的檢測，使檢測難度增加，使檢測信號失真，同時要求較高的檢測系統分辨率，使硬件電路更復雜。反映極間放電狀態同時檢測電壓、電流值分別處理，比較兩者最終給出極間放電狀態。所以控制系統的輸入選擇間隙電壓、電流。

極間放電狀態由電參數確定。電參數有脈沖間隔、峰值電流、脈沖寬度、峰值電壓。在加工中峰值電壓電流大小不變，只有控制脈沖間隔、脈沖寬度來對極間的放電狀態進行控制。因此控制系統的輸出為脈沖間隔和脈沖寬度。

該控制系統檢測極間電流電壓值，將電流電壓值輸送給模糊控制器，控制器處理該值，基于模糊控制規則，從而確定脈沖電源的脈沖間隔和寬度，達到正?；鸹ǚ烹姞顟B，如圖4。

6? 模糊控制規則

利用模糊控制器自身的解耦功能將多輸入多輸出模糊控制器分解為兩輸入-單輸出模糊控制器，此時模糊控制器有兩個輸入量一個輸出量，模糊規則形式為：Ri： if X1 is A1i and X2 is A2i then Y is Bi。這里，A1i、A2i、Bi均為響應論域上的模糊子集，這類模糊規則的模糊關系是：

。

當電流較小電壓較大時，此時為開路放電狀態，這時控制器應該減小脈沖間隔增大脈沖寬度;當電壓較小電流較大時，此時短路放電狀態，應該增大脈沖間隔減小脈沖寬度。結合輸入、輸出參數的隸屬度函數圖形以及公式可得脈沖寬度和脈沖間隔的控制規則表，如表1及表2所示。

7? 結束語

首先，加工過程中通過分析選擇工作介質、控制表面質量、補償電極損耗等三方面，了解到電火花加工氣體工作介質有很多優點，是電火花加工微小孔未來的趨勢。

其次控制電極補償量，結合加工過程和補償過程，補償過程中電極的定位精度、形狀的保證同樣是電極補償過程中較難的問題。同樣要重視已加工表面質量和保護，需要更深入的研究和探討。

參考文獻：

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