微细电火花加工技术与发展趋势
于同敏黄晓超
(大连理工大学机械工程学院模具研究所大连116023)
摘要：本文简要的介绍了微型制件及微型模具的定义和分类，并着重介绍了应用于微型模具型腔加工的微细加工技术—微细电火花加工。总结了微细电火花的发展趋势和关键技术。
关键词：微注塑模具微细电火花关键技术
Technology of Micro Electrical Discharge Machining
and Its Development Trend
YU Tongmin HUANG Xiaochao
(Institute of Die and Mould of School of Mechanical Engineering of Dalian University of Technology, Dalian 116023 )
Abstract: The division and definition of micro part and micro mould were introduced in this paper. Emphsis was given to illustrate the micro-machining technology of mould cave manufactureng —Micro electrical discharge machining(M-EDM) . A conclusion of the development trend and key technology of MEDM was made in this paper.
Key words：Micro-injection mould Micro-EDM Key technology
0 前言
为了满足塑料制件在各种工业产品中的使用要求，塑料成型技术正朝着复杂化、精密化、微小化等方向发展，例如应用于微机电系统的微马达、微小齿轮以及应用于生物工程领域的细胞培养皿和微流控芯片等的成型。除了必须研发或引进微型和精密成型设备外，微小且精密的塑料成型模具更是需要采用先进的模具CAD/CAE/CAM技术来设计制造，并运用各种先进的加工手段]1[。
微型模具的制造主要通过微细加工，目前的微细加工方法主要有：①微细切车削、铣削和磨削等；②微细特种加工如：电火花、电化学、激光、超声波、离了束和电了束等；③光刻、蚀刻和LIGA技术。其中微细电火花加工应用最为广泛，也是近年来研究的重点方向之一。
1 微型模具
1.1 微型模具的定义
应用微细加工方法制作微型模具，再通过微型模具成形微型制件，具有生产效率高、制件尺寸稳定性好的优点]2[。因此，近年来关于微型模具制造技术的研究普遍受到人们的关注。但到日前为止，对于微型模具，也没有统一的定义，通常人们习惯于在尺寸和制造精度
上来进行限定，即微型模具在尺寸和制造精度上可有如下儿个非约束性的特征(主要指微型模具的成形部分)：①成形的制件体积可达1mm3左右；②微观尺寸从几微米到儿百微米；
③模具表面粗糙度值在0.1μm以下；④模具制造精度从lμm到0. lμm。但随着微机械及微细加工技术的发展，这些特征参数值在不断减小]3[。
1.2 精密微型模具的分类
微型模具按照成形制件的不同可分为以下儿种类型]3[:
(1)微冲压类模具多用于金属和塑料板材的成形，包括微冲切模具和微弯曲模具等。日本东京大学生产技术研究所进行的微冲压加工，已在50μm厚的聚酞胺塑料板材上冲出了宽度为40μm的非圆截面微孔。
(2)微锻造模具微型锻造制件尺寸多在毫米量级以上，尺寸精度可以达到IT7～IT9级，包括热压印模具等。
(3)微压铸模具用于微小金属零件的压铸成形，可成形锌、铝合金等微型压铸件。
(4)微注塑成形模具用于高分了材料的注塑成形，是目前研究与应用最为广泛的一种微型模具。目前在德国以LIGA技术为基础制造的微注塑模具已可用来生产质量小于1mg或者局部结构化面积只有儿平方微米的极微小型注塑制品。
2 微细电火花加工技术
2.1 微细电火花加工原理
微细电火花加工同普通电火花加工的放电机理一样，在加工过程中，电极和工件不接触，利用电极和工件之间不断产生脉冲性火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除，从而形成所需的加工表面。电火花加工的加工原理如图2.1所示。
图2.1 电火花加工原理示意图
工件与电极分别与脉冲电源的两输出端相联接。自动进给调节装置使电极和工件间经常保持很小的放电间隙。当脉冲电压加到两极之间时，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使电极和工件表面都蚀除掉小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间，使工作液恢复绝缘
后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样随着相当高的频率，连续不断地重复放电，电极不断地向工件进给，就可将工具端面和横截面的形状复制在工件上，加工出所需要的和电极形状阴阳相反的零件，整个加工表面由无数个小凹坑所组成。
电火花加工的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程大致可分为以下四个连续阶段。
(1)极间介质的电离、击穿，形成放电通道。当脉冲电压施加于电极和工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于电极和工件的微观表面是凹凸不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出或尖端处的电场强度一般为最大。由于电场强度增高和负极表面局部过热而引起大量电子发射，使介质击穿而电阻率迅速降低，形成放电通道。
(2)介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀。极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质气化，进而热裂分解气化。正负极表面的高温使金属材料熔化甚至沸腾气化。这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀，就像火药、爆竹点燃后那样具有爆炸的特性。
(3)电极材料的抛出。通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化。气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。实际上熔化和气化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩成颗粒外，还有小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。熔融材料抛出后，在电极表面形成放电痕。
(4)极间介质的消电离。随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消除电离，即放电通道中的正负带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处电离击穿而导致电弧放电，从而保证在别处按两极相对最近处后电阻率最小处形成下一放电通道。
由于微细电火花加工对象的尺寸通常在数十微米以下，为了达到加工的尺寸精度和表面质量要求，对微细电火花加工还有一些特殊的要求。微细电火花加工呈现以下一些特点。 (1)放电面积很小。微细电火花加工的电极一般在φ5～100μm之间，对于一个φ5 μm 的电极来说，放电面积不到20μm2在这样小的面积上放电，放电点的分布范围十分有限，极易造成放电位置和时间上的集中，增大了放电过程的不稳定，使微细电火花加工变得困难。
(2)单个脉冲放电能量很小。为适应放电面积极小的电火花放电状况要求，保证加工的尺寸精度和表面质量，每个脉冲的去除量应控制在0.10～0.01μm的范围内，因此必须将每个放电脉冲的能量控制在106-～107-J之间，甚至更小。
(3)放电间隙很小。由于电火花加工是非接触加工，工具与工件之间有一定的加工间隙。该放电间隙的大小随加工条件的变化而变化，数值从数微米到数百微米不等。放电间隙的控制与变化规律直接影响加工质量、加工稳定性和加工效率。
(4)工具电极制备困难。要加工出尺寸很小的微小孔和微细型腔，必须先获得比其更小的微细工具电极。线电极电火花磨削(WIRE ELECTRICAL DISCHARGE GRINDING WEDG) 出现以前，微细电极的制造与安装一直是制约微细电火花加工技术发展的瓶颈问题。从目前
的应用情况来看，采用WEDG技术能很好地解决微细工具电极的制备问题。为了获得极细的工具电极，要求具有高精度的WEDG系统，同时还要求电火花加工系统的主轴回转精度达到极高的水准，一般应控制在1μm以内。
(5)排屑困难，不易获得稳定火花放电状态。由于微孔加工时放电面积、放电间隙很小，极易造成短路，因此欲获得稳定的火花放电状态，其进给伺服控制系统必须有足够的灵敏度，在非正常放电时能快速地回退，消除间隙的异常状态，提高脉冲利用率，保护电极不受损坏]4[。
2.2 微细电火花加工关键技术
随着微细加工的不断发展，微细电火花加工技术也不断的发展，近年来微细电火花加工技术的研究使其在加工精度的提高和加工尺寸的微小化方面取得长足进展，各种新的微细电火花加工工艺不断被采用，如将微细电火花加工和微细电化学加工，激光镭射加工结合在一起的复合加工方法。就目前来言，国际电火花技术的发展主要有以下几大关键技术：（电参数的控制等相关问题）(1) 加工精密微细化（表达有问题）（加工微细化）对于电火花微细加工而言，主要指尺寸小于300μm的轴孔、沟槽，型腔等的加工。实现精密、微细加工的一个重要条件是加工单位（即每次放电的蚀除量）尽可能小。而在电火花加工过程中，其加工单位只取决于单个放电脉冲的能量。瑞士阿奇夏米尔公司的高精度线切割机床
具有双丝切割交换系统。可进行全自动穿丝，细丝直径为φ20μm可实现轮廓精度1-2m，Ra<0.05μm的加工精度。
微细电火花加工的极限能力一直是研究工作者追求的目标之一，图2.2是口本东京大学
生产技术研究所的增泽隆久教授加工出的φ5μm的微细孔和φ2.5μm的微细轴，代表了当
前这一领城的世界前沿水平。
图2.2 φ5μm微细孔和φ2.5μm微细轴
图2.3是美国Optimation公司使用日本松下ED82型微细电火花加工机床加工出的光纤
连接器，共有81个φ120μm的微细孔。
图2.3 光纤连接器微细孔阵列
微细电火花加工技术不仅可加工圆孔，还可以加工各种异型孔，图2.4是德国KOCH公司加工的微方形孔，其尺寸是25μm×38μm。
图2.4 微方形孔
除了微细孔和微细轴的加工外，微细电火花加工技术更深远的意义在于通过微细电火花铣削技术制造更小的微三维结构，进而制造更小的微型机械及微型机器人，从而体现该技术
更为广泛的潜在价值和应用前景]5[。
日本的T. Masuzawa等人研究了使用简单形状的微细电极进行微细电火花分层铣削加工，提出电极等损耗理论，实现了加工过程中对电极进行实时补偿。制造了球径为φ150μm 的1/8球瓣]4[、0.5mm×0.2mm× 0.2mm的汽车模具]4[、由球形腔和锥形腔组成的复杂微结构]4[，如图2.5所示。
图2.5 外国学者使用微细电火花技术加工的
三维金属微结构
Fig.2.5 3D metal microstructures fabricated by foreign scholars using micro-EDM
日本三菱电机利用微细电火花加工技术成功地制作出了由齿顶圆直径为φ1.2mm的大齿轮、齿顶圆直径为φ0.2mm的小齿轮和直径为φ0.1mm 的内心轴构成的、最深部的加尺寸为270μm的齿轮铸模(图2.6)。
图2.6 日本三菱电机制作的微小齿轮模具
瑞士联邦工业学院的研究人员开发了精密EDM单元，如图2.7所示、它的工作区城为8mm×8mm ×8mm,该EDM单元分拼卒为5nm，加工精度可达到100 nm。
图2.7 精密EDM单元
国内关于电火花加工微小三维结构方面的研究，终皓等人]6[采用φ100μm的钨丝电极，在铜试件上加工出顶部边长346μm，底部边长146μm，深202μm的正六边形凹槽结构和最大深度213μm，眼球半径171 μm的眼状微结构。如图2.8所示。
图2.8国内学者使用微细电火花加工技术制造的三维金属微结构
Fig.2.8 3D metal microstructures fabricated by domestic scholars using micro-EDM
目前，发达国家的微细电火花加工技术己进入工业应用阶段，甚至商业销售阶段，如日本松下精机、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品。其中日本松下精机的产
品性能最优，该产品能稳定加工出φ2.5μm的微细轴和φ5μm的微细孔，但其价格昂贵，约需20万美元左右，目对我国禁运。另外，日本东京大学的增泽隆久、丰川工业大学的毛利尚武等学者在研制开发的机床也都具有很高的水平，是该研究方向上的主要代表]7[。
(2) 多种加工方法有机结合现在人们研究将其它的微细加工方法与微细电火花加工工艺方法相结合，从而产生新的加工工艺：
①电火花与激光相结合电火花加工有其自身的缺点，比如加工效率低下，所以对提高电火花加工效率的研究就显得尤为重要。激光加工特点之一就是高效，所以将二者有机结合起来，形成一种新的加工工艺是一种非常有价值的研究和发展方向，国外对此做了相关研究。
J. Fleischer,J. Schmidt, S. Haupt]8[通过加电火花加工和激光烧蚀相结合，利用各自的优点
形成互补，加工出了20μm尺寸水平的三维微齿轮型腔，并提出了一种新概念的电火花加工电极，开发了基于两种加工技术的复合加工中心。如图2.9所示为使用微细电火花加工的微齿轮型腔，该齿轮型腔深度为50μm，该微结构最小的轮齿宽度约为20μm，可以明显看出其加工的表面质量有待提高，在图中可以看出型腔底部有裂纹，且齿廓边缘不规整有残余毛刺。
图2.9激光烧蚀加工的微齿轮型腔结构
图2.10为在微细电火花加工的基础上使用聚焦皮秒脉冲激光束加工出的微齿轮型腔结构，使用的激光功率为20mW，波长为355nM，对比上图可以明显看出，型腔的表光质量得到很大改善，且齿廓边缘也变得光滑整洁。
图2.10两种加工工艺结合后加工出的微结构
通过将两种工艺相结合，不仅加工质量得以改善，总的加工时间得以缩短。在表面粗糙度为Ra=0.15μm的条件下，烧蚀速率为1×105-mm3/s，而在表面粗糙度为Ra= 0.4 μm 时，其材料去除速率可达6.2×103-mm3/s（取决于电极的尺寸）。因此将两种方法相结合可
使加工速率提高600倍，同时加工质量也得到很大改善。首先使用直径200μm的电极加工出型腔的大体结构然后使用激光烧蚀完成最终加工，可使总加工时间缩短53%。但是这项技术的缺陷就是无法具体定义烧蚀的深度。所以如何将电火花加工深的和激光烧蚀的深度相匹配将是今后研究的重点。
图2.11和图2.12分别为新型工具电极原理图和基于两种加工工艺相结合的复合加工中心。
图2.11新型电火花工具电极原理图
图2.12微细电火花与激光烧蚀加工中心
Pun-Pang Shiu, George K. Knopf]9[等使用激光电火花相结合的办法加工出宽50 μm 、高25μm微流道的镶块其表面粗糙度仅为Ra=400nm.如图2.13所示。
图2.13 微流道结构镶块
其具体过程如下：首先在一款100μm厚度的样板上通过激光刻蚀出大致的二维轮廓形状，然后通过电火花刻模将上步加工出的二维轮廓复制在黄铜基板上，此基板既可作为模板直接成型塑件也可成型模具型腔。具体步骤如图2.14所示。
图2.14 复合加工工艺步骤
另外Sanha Kim, Bo Hyun Kim, Do Kwan Chung]10[等也在该方面做了大量研究并取得相关成果。
②EDM与USM（超声加工）相结合Jung-Chou Hung, Jui-Kuan Lin, Biing-Hua Yan]11[等将微
细电火花（Micro-EDM）和超声振动(USM)相结合，提出一种新的加工方法。该方法首先使用线电极电火花磨削(WEDG)微孔，然后将微细电火花与超声振动相结合来完成孔壁的加工。使用两者相结合（HE-MEDM-UV）的复合电极可减小电火花加工间隙，减少深孔加工时间，提高加工表面质量，其中超声振动加工（HE-MUVF）可将粗糙度由Rmax1.345μm 显著降低到Rmax 0.58μm，显著改善表面粗糙度。其加工原理图如图2.15所示。
《先进制造技术》课程学习报告 题目：电火花加工技术概述 专业：机械类 姓名：喻娇艳 年级：2013级 班级：机械类 1306 班 学号：201303164193 武汉科技大学机械自动化学院 2016年 6月 10日
电火花加工技术概述 喻娇艳 （武汉科技大学机械自动化学院, 湖北 ,武汉） （13 级机械类专业,学号 201303164193 ） 摘要：电火花加工（ Electrospark Machining ）在日本和欧美又称为放电加工（ Electrical Discharge Machining, 简称EDM） ,是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺,本文从电火花加工的 研究现状、基本原理、发展前景等三方面加以论述关键词：电火花加工的研究现状基本原理 . 发展前景 Summarize of Electrospark Machining Technique YU Jiao-yan (College of Machinery and Automation, WuHan University of Science and Technology, HuBei WuHan 430074) Abstract : Electrospark Machining Technique is also called Electrical Discharge Machining(EDM) in Japan and Occident,it ’s a new technology of machining using electrical and heat energy directly.This article discusses it in addition in three aspects including it ’s research status,fundamental principle,future prospects,etc. Keywords: Research status;Fundamental principle; Future prospects 1、前言 从前苏联科学院拉扎连柯夫妇在1943 年研制出世界上第一台实用化电火花加工装置以 来,电火花加工已有 70 多年的历史 ,发展速度是惊人的 ,目前已广泛应用于机械、宇航、航空、电子、电机、仪器仪表、汽车、轻工等行业,它不仅是一种有效的机械加工手段,而且已经成为在某些场合不可替代的加工方法.例如 ,在解决难、硬材料及复杂零件的加工问题时,应用电火花加工技术十分有效 . 据统计 ,目前电火花加工机床的市场占有率已占世界机床市场的6%以上 .而且随着科学技术的不断发展 ,现代制造技术极其相关技术为电火花技术的发展提供了良好机遇.柔性制造、人工智能技术、网络技术、敏捷制造、虚拟制造和绿色制造等现代制造技术正逐渐渗透到电 火花加工技术中来 ,给电火花加工技术的发展带来了新的生机.近年来 ,国内外很多研究机构对电火花加工技术进行了大量的研究,并且在许多方面取得了显著进展[1-5]. 2、电火花加工技术的研究现状 经过60 多年的发展,电火花加工技术已日趋完善.2011年第十二届中国国际展览会 上 ,40余家国内外特种设备生产商携机参展.在高速铣削技术日趋成熟且飞速发展的今天,包
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电火花加工技术 一：电火花技术概述 电火花加工是利用两极见脉冲放电时产生的电腐蚀现象，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来。 早在十九世纪，人们就发现了电器开光的触点开闭时，以为放电，使接触部位烧蚀，造成接触面的损坏。这种放电引起的电极烧蚀现象叫做电腐蚀。起初，电腐蚀被认为是有害的，为减少和避免这种有害的电腐蚀，人们一直在研究电副食产生的原因和防止的办法。当人们掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电腐蚀用于生产中。1870年，英国科学家普利斯特里最早发现电火花对金属的腐蚀作用。当两极产生放电的过程中，放电通道瞬时产生大量的热，足以使电极材料表面局部熔化或汽化，并在一定条件下，熔化或汽化的部分能抛离电极表面，形成放电腐蚀的坑穴。直到1934年，前苏联科学家拉扎连柯等把电火花对金属的腐蚀作用利用起来。 后来，人们进一步认识到，在液体介质中进行重复性脉冲放电时，能够对导电材料进行尺寸加工，因此，创立了“电火花加工法”。电火花加工技术作为特种加工领域的重要技术之一，最早应用于二战时期折断丝锥取出时的加工。随着人类进入信息化时代，电加工技术取得了突飞猛进的发展，可控性更高，数字化程度更好。 在中国电火花加工技术起步稍晚。根据中国的国情，实现电火花加工技术的原始创新是很困难的，只能采取引进消化吸收再创新的策
略，因为这套系统集成了很多学科领域的知识，如计算机的软硬件、微电子、数控、电力半导体、机械技术、电气技术等，是多方面、多学科集成的产品，是比较复杂的高科技产品。国内现在显然还没有一个能够独立进行原始创新的团队，因此注定要经历一个长时间痛苦的积淀过程，所以我认为中国的电火花技术创新之路别无选择。政府也越来越认识到高校已经不再是创新的主战场，必须依托企业才能实现。 制造业是一个传统行业。一个国家的发展终归要落脚于制造业，因此作为基础工业，制造业必定拥有永久的生命力，而电加工行业也不例外。随着各项技术的不断发展，电加工技术也在进步，至于一项技术能够发展多久，也要看这个行业中的人怎样去尽心敬业、钻研并推进它。 二: 加工原理及原理图 电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电 蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。 电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01～ 0.05mm）。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近
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电火花加工 1.概述 电火花加工是一种自激放电，故又称放电加工（EDM）,于20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产，是目前机械制造业中应用最广泛的特种加工方法之一，在难切削材料、复杂型面零件等的加工中得到了广泛应用。 2.原理 火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间(通常为后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性(即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深)，使通道能量作用于极小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。 3.特点 1.脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。 2.脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。 3.加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。 4.可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。基于.上述特点，电火花加工的主要用途有以下几项: 1)制造冲模、塑料模、锻模和压铸模。 2)加工小孔、畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹螺孔。 3)在金属板材上切割出零件。4)加工窄缝。 5)磨削平面和圆面。
电火花加工技术概述-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
《先进制造技术》课程学习报告 题目：电火花加工技术概述 专业：机械类 姓名：喻娇艳 年级： 2013 级 班级：机械类1306班 学号： 201303164193 武汉科技大学机械自动化学院 2016年 6月 10日
电火花加工技术概述 喻娇艳 （武汉科技大学机械自动化学院, 湖北,武汉） （13级机械类专业,学号201303164193） 摘要：电火花加工（Electrospark Machining）在日本和欧美又称为放电加工（Electrical Discharge Machining,简称EDM）,是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺,本文从电火花加工的研究现状、基本原理、发展前景等三方面加以论述. 关键词：电火花加工的研究现状基本原理发展前景 Summarize of Electrospark Machining Technique YU Jiao-yan (College of Machinery and Automation, WuHan University of Science and Technology, HuBei WuHan 430074) Abstract: Electrospark Machining Technique is also called Electrical Discharge Machining(EDM) in Japan and Occident,it’s a new technology of machining using electrical and heat energy directly.This article discusses it in addition in three aspects including it’s research status,fundamental principle,future prospects,etc. Keywords: Research status;Fundamental principle; Future prospects 1、前言 从前苏联科学院拉扎连柯夫妇在1943年研制出世界上第一台实用化电火花加工装置以来,电火花加工已有70多年的历史,发展速度是惊人的,目前已广泛应用于机械、宇航、航空、电子、电机、仪器仪表、汽车、轻工等行业,它不仅是一种有效的机械加工手段,而且已经成为在某些场合不可替代的加工方法.例如,在解决难、硬材料及复杂零件的加工问题时,应用电火花加工技术十分有效. 据统计,目前电火花加工机床的市场占有率已占世界机床市场的6%以上.而且随着科学技术的不断发展,现代制造技术极其相关技术为电火花技术的发展提
电火花加工技术的应用及其发展 1.电火花加工技术的简介 从前苏联科学院拉扎连柯夫妇在1943年研制出世界上第一台实用化电火花加工装置以来,电火花加工技术得到了飞速的发展,电火花加工技术是历史最悠久的特种加工方法之一，在模具制造业，航空和航天，电子等众多领域得到了广泛的应用。电火花加工又称放电加工，也有称电脉冲加工，它是一种直接利用热能和电能进行加工的工艺。电火花加工与金属切削加工的原理完全不同，在加工过程中，工件和工具不接触，而是靠工具与工件之间的脉冲性火花放电，产生局部，瞬间的高温把金属材料逐步的蚀除掉。由于放电的过程产生火花所以也称电火花加工。 图1. 电火花加工的原理图 如图1的原理图所示，工件与工具分别连接到脉冲电源的两个不同的极性的电极上。当两电极加上脉冲电源后，工件和电极保持适当的距离，就会把工件和工具之间的介质击穿，形成放电通道。放电通道产生瞬间高温，使工件表面的材料融化甚至气化，同时也使工作介质气化。在放电间隙处迅速热膨胀并产生爆炸。工件表面一部分材料被蚀除掉抛出，形成微小的电蚀坑。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，使工作液恢复绝缘，脉冲电源反复作用于工件和工具电极上，上述过程不断重复进行，工件逐渐被加工成想要的形状。
2.电火花加工技术的应用范围 由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，其利用领域日益扩大，已经覆盖到机械、宇航、航空、电子、核能、仪器、轻工等部门，用以解决各种难加工材料、复杂形状零件等有特殊要求的零件的制造，成为常规切削、磨削加工的重要补充和发展：模具制造是电火花成型加工应用最多的领域，而且非常的典型。 2.1以下简单介绍电火花成则加工在模具制造方面的的应用 1．高硬度零件加工 对于某些要求硬度较高的模具，或者是硬度要求特别高的滑块、顶块等零件，在热处理后其表固硬度高达50HRc以上，采用机加的方式将很难加工这么高硬度的件．采用屯火花加工可以不受材料硬度的影响。 2. 型腔尖角部位加工 如锻模、热固性利热塑性翅料模、压铸模、挤压模、橡皮模等各种模具的型腔常存在着一些尖角部位，在常规切削加工中因为工具半径而无法加工到位，使用电火花加工可以完全成型。 3.模具上的筋加工 在压铸件或者塑料件上，常有各种窄长的加强筋或者散热片，这种筋在模具上表现为下凹的深而窄的槽，用机加工的方法很难将其加工成型，而使用电火花可以很便利地进行加工。 4．深腔部位的加工 由于机加工时，没有足够长度的刀具，或者这种刀具没有足够的刚性，不能加工具有足够精度的零件．此时可以用电火花进行加工。 5．小孔加工 对各种圆形小孔、异形孔的加工，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等，以及长深比非常大的深孔，很难采用钻孔方法加工，如采用电火花或者专用的高速小孔加工可以完成各种深度的小孔加工。 6 表面处理 如刻制文字、花纹，对金属表面的渗碳和涂覆特殊材料的电火花强化等。另外通过选择合理加工参数，也可以直接用电火花加工出一定形状的表面蚀纹。 2.2、电火花线切割加工的应用 电火花线切割加工与电火花成型加工不同的是，它是用细小的电极丝作为电极工具，可以用来加工复杂型面、微细结构或窄缝的零件：下面是其应用实例。 1．加工模具
微细电火花加工技术 微细电火花加工技术的简要及背景 随着世界范围产品日益的小型化和精密化,作为非接触式精微制造方法之一的微细及小孔电火花加工技术以其超精细和高精度的加工特点倍受学术界和工业界关注,目前已经成为微机械制造领域的重要组成部分之一,在制造业中得以广泛应用。 电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用，蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。 20世纪50年代初期,我国开始研究和试制电火花镀敷设备,即把硬质合金用电火花工艺镀敷在高速钢金属切削刀具和冷冲模刃口上,提高金属切削刀具和模具的使用寿命。同时我国还成功研制了电火花穿孔机,并广泛应用于柴油机喷嘴小孔的加工。60年代初,上海科学院电工研究所成功研制了我国第一台靠模仿形电火花线切割机床。随后又出现了具有我国特色的冷冲模工艺,即直接采用凸模打凹模的方法,使凸凹模配合的均匀性得到了保证,大大简化了工艺过程。60年代末,上海电表厂张维良工程师在阳极切割的基础上发明了我国独有的高速走丝线切割机床。上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。70年代随着电火花工艺装备的不断进步,电火花型腔模具成型加工工艺已经成熟。线切割工艺也从加工小型冷冲模发展到可以加工中型和较大型模具。切割厚度不断增加,加工精度也不断提高。80年代以来计算机技术飞速发展,电火花加工也引进了数控技术和电脑编程技术,数控系统的普及,使人们从繁重、琐碎的编程工作中解放出来,极大的提高了效率。目前计算机技术广泛应用于工业领域,电火花加工实现了数控化和无人化。美国、日本的一些电火花加工设备生产公司依靠其精密机械制造的雄厚实力,通过两轴、三轴和多轴数控系统、自动工具交换系统及采用多方向伺服的平动、摇动方案,解决了电火花加工技术中一系列实质性的问题。随着具有高精度、高刚度、高自动化、高加工表面粗糙度的机床不断出现,使加工的功能及范围不断扩大。如今,在国际上,电火花加工可以加工大至数十吨重的模具和零件,小至只有几微米的微孔。 微细电火花加工技术的原理 电火花加工基于电火花腐蚀原理,是在工具电极与工件电极相互靠近时,极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温,使局部金属融化,甚至汽化,从而将金属蚀除下来。 (1)极间介质的电离、击穿,形成放电通道 放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中型粒子组成,带电粒子高速运动,相互碰撞,产生大量热能,使通道温度升高,通道中心温度可达到10000摄氏度以上。由于放电开始阶段通道截面很小,而通道内有高温热膨胀形成的压力高达几万帕,高温高压的放电通道急速扩展,产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应,这就形成了肉眼所能看到的电火花。
微细电火花加工 研究现状与存在的问题 院（系）：机械工程学院 班级： 学生姓名： 学号： 任课教师： 2012年1月2日
目录 1 引言 (1) 2 电火花加工的研究现状 (2) 2.1 微细电火花加工的原理 (2) 2.2 金属蚀除驱动力的来源解释 (3) 2.3 微细电火花加工设备的最新进展 (4) 3 存在的问题 (5) 3.1 电火花加工机理 (5) 3.2 微细电极的制备 (5) 3.3 电极损耗对加工精度的影响 (6) 3.4 加工路径规划问题 (6) 4 下一步研究内容 (7) 4.1 LIGA大批量制备复杂电极技术 (7) 4.2 低电压放电加工技术 (7) 4.3 气中放电沉积与去除可逆加工技术 (7) 4.4 电极损耗补偿策略 (8) 5 我的建议 (8) 参考文献 (9)
1引言 由于现代科学技术的迅猛发展，在机械工业、电子工业、航空航天工业，尤其是国防工业部门，要求制造技术更加精密化、自动化、系统化、集成化、以及加工方式多样化方面发展，并且要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、重载荷、抗腐蚀、大功率、小型化方向发展[1,2]。为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，结构和形状越来越复杂，对精度要求越来越高，对加表面粗糙度和完整性要求越来越严格，这使得传统的加工方法难以满足上述要求，机械制造面临着一系列严峻的任务[3]。 1943年，前苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭电火花放电腐蚀的过程中发明了电火花加工方法，第一次摆脱了用传统切削加工去除材料的方式，开创了用其它形式能量来加工的新方法。电火花加工具有以下一些优点[4]：（1）可用于传统机械加工方法难以加工的材料加工。因为材料的去除是靠放电时电热作用实现的，材料的加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、比热容、热导率等，几乎与其硬度、韧性等力学性能无关。工具电极材料不需比工件硬，所以电极制造相对容易。 （2）可加工特殊、复杂形状的零件。由于电极与工件之间没有切削力，因此适宜于低刚度工件和细微加工。又因脉冲放电时间短，材料加工表面受热影响范围比较小，所以可用于热敏性材料的加工。另外，由于加火花加工可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，所以特别适用于薄壁、低刚性、微细、弹性及复杂形状表面的加工，如复杂的型腔模具的加工等。 （3）更容易实现加工过程自动化。加工过程中的电参数较机械参数易于实现数字控制、自适应控制、智能化控制，能方便地控制粗、半精、精加工各工序，简化工艺过程，减少人工干涉。 （4）可以改变零件的工艺路线。由于电火花加工几乎不受材料硬度影响，所以可以在淬火后进行加工，这样可以避免淬火过程中产生的变形。 由于电火花加工具有这些传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用范围日益扩大，目前已广泛用于各类工业中。近些年，随着微机械、微机电系统迅速发展并进入实用阶段，更加先进的微细电火花加工技术在航空航天、医药卫生、国防、环境工程以及民生方面发挥着越来越重要的作用，并具有非常广阔的前景。 微细电火花加工（Micro-EDM）是指用棒状电极或用线电极电火花加工微孔、窄槽、窄缝等各种复杂形状的加工技术，它是微制造领域的一项重要技术[5]。微细电火花加工与其它几种典型微细加工技术的比较如下表所示[6]。
电火花加工技术 第一章绪论 1.1 电火花加工技术的的发展历程 电火花加工是利用两极见脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法。 早在十九世纪，人们就发现了电器开关的触点开闭时，因为放电，使接触部位烧蚀，造成接触面的损坏。这种放电引起的电极烧蚀现象叫做电腐蚀。起初，电腐蚀被认为是有害的，为减少和避免这种有害的电腐蚀，人们一直在研究电腐蚀产生的原因和防止的办法。当人们掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电腐蚀用于生产中。研究结果表明，当两极产生放电的过程中，放电通道瞬时产生大量的热，足以使电极材料表面局部熔化或汽化，并在一定条件下，熔化或汽化的部分能抛离电极表面，形成放电腐蚀的坑穴。 二十世纪四十年代初，人们进一步认识到，在液体介质中进行重复性脉冲放电时，能够对导电材料进行尺寸加工，因此，创立了“电火花加工法”。电火花加工技术作为特种加工领域的重要技术之一，最早应用于二战时期折断丝锥取出时的加工。随着人类进入信息化时代，电加工技术取得了突飞猛进的发展，可控性更高，数字化程度更好。电火花加工技术经历了手动电火花加工、液压伺服、直流电机、步进电机、交流伺服电机等一系列过程。控制系统也越来越复杂， 从单轴数控到轴数控、再到多轴联动。 20世纪90年代初期，3轴电火花机在国内还是空白，主要是从日
本和瑞士引进。直到90年代中期，北京市电加工研究所才和日本沙迪克公司合作开始制造3轴电火花加工机，也可以说开始步入国内电火花加工机的真正快速发展轨道，后来在此基础上又生产研发了4轴4联动电火花加工机。以该合作为例，可以看出北京市电加工研究所的消化吸收再创新的道路大概经历了以下几个阶段：首先制造主机，也就是机械部分，相对较为简单；此后是数控系统部分，可以理解为引进；之后是整个电源，是消化阶段。经历这三个阶段之后是吸收，最后是再创新。对电火花加工而言电火花成形机下一步的发展空间在精密微细和特殊材料两个方面。特殊材料（如航空航天领域用的材料）专机，窄槽窄缝、异型腔的加工，精密模具等领域都是发展重点。在精加工方面，曾经有过高速铣要代替电火花的传言，现在证明这是不现实的。现在粗加工、大电流的火花机又有回头的趋势，在家电、汽车很多行业中应用。人类新开发出来的导电的特殊材料都可进行放电加工，而高速铣通常很难实现。精密微细加工比如喷丝板等微小型零件都离不开电花加工；航空航天领域中很多零部件需要多轴联动电火花加工。我们国家在专用机型上有创新的能力，有很大的空间。 1.2模具电火花的发展趋势 模具电火花加工技术正不断向精密化、自动化、智能化、高效化等方向发展。如今新型数控电火花机床层出不穷，如瑞士阿奇、瑞士夏米尔、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等机床在这方面技术都有了全面的提高。 第二章电火花加工基本原理
河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文论文题目：微细电火花加工概述 系部：机械工程系 专业：机械制造与自动化 班级：机制124 学生姓名：王帅 学号：120114428 指导教师：安林超 2014年11月5 日
绪论 目前,发达国家的微细电火花加工技术已进入工业应用阶段,甚至商业销售阶段,如日本松下精机、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品。其中日本松下精机的产品性能最优,该产品能稳定加工出<2.5μm的微细轴和<5μm的微细孔,但其价格昂贵,约需20万美元左右,且对我国禁运。另外,日本东京大学的增泽隆久、丰田工业学的毛利尚武等学者正在研制开发的机床也都具有很高的水平,是该研究方向上的主要代表。我国的哈尔滨工业大学和南京航空航天大学在微细电火花加工研究方面也取得了较大进展,其中哈尔滨工业大学已加工出<4.5μm的微细轴和<8μm的微细孔,达到了世界先进水平,其微细电火花加工机床已开始商品化。 产品的小型化和微型化已经成为发展的必然趋势。这不仅可以在有限的空间增加产品的功能，也可以减少对日益枯竭的自然资源，如材料和能源的消耗。这一发展趋势对微加工技术的应用和开发提出了迫切的需求。大多数微加工技术是以硅片为基础的半导体加工技术，如刻蚀和电。 现代制造技术的发展有两大趋势，一个是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，即现在制造自动化技术；另一个就是寻求现有制造技术的自身微细加工极限。
微细电火花加工概述 摘要：微细电火花加工技术作为微细加工技术的一种，可以在任何导电材料上加工高精度、大深宽比微细三维型腔、以满足日益增长的产品细微小型化需求。针对微细电火花加工中的一些关键问题。 关键词：微细加工电火花微细三维结构 引言：众所周知传统的机械加工并不擅长加工尺寸极小的形体，随着工程技术领域对微型机械的迫切需求，激光、电子束、；离子束、化学腐蚀、光造型、电子光刻等微细加工技术正受到人们的普遍关注。但上述技术目前主要用来进行表面微机械加工，而真正的微三维结构制作才是未来为机械系统的主要需求。由于微细电火花加工拥有独特的优点，所以能制成各种极微细的高硬度（金刚石烧结体，硬质合金等）工具、模具及复杂形状三维工件。现对于LIGA等微电子技术而言，微细电火花加工技术造价低廉，加工精度高且适应性广，并可加工出复杂的三维曲面维系结构等特点。因此，微细电火花加工技术将会成为微细三维结构模型腔制作的主流技术之一。