張勇斌，劉廣民，吳祉群，雷艷華

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

微細(xì)電火花單道掃描加工積分蝕除機(jī)理研究

張勇斌，劉廣民，吳祉群，雷艷華

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

針對(duì)微細(xì)電火花單道掃描加工中電極端部及試件輪廓橫截面出現(xiàn)的鈍圓現(xiàn)象，給出了其產(chǎn)生的主要影響因素，分析了放電脈沖對(duì)正負(fù)兩極的積分蝕除機(jī)理，據(jù)此開發(fā)了微細(xì)電火花單道掃描加工在正負(fù)兩極的積分蝕除仿真軟件，并進(jìn)行了微細(xì)電火花單道掃描加工仿真研究?；谖⒓?xì)組合電加工樣機(jī)，開展了典型截面形狀工具電極的單道掃描加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)工具電極與試件截面輪廓的測(cè)量結(jié)果表明，放電脈沖在正負(fù)兩極的積分蝕除作用與多項(xiàng)工藝參數(shù)密切相關(guān)。

微細(xì)電火花加工；單道；掃描加工；鈍圓；積分機(jī)理

在微細(xì)電火花加工過(guò)程中，工具電極和零件不接觸，兩者間無(wú)宏觀切削力，可用軟的銅、石墨等材料加工高硬度和高強(qiáng)度的金屬、合金、半導(dǎo)體等導(dǎo)電材料［1-2］，能加工低剛度、彈性、薄壁、深孔、微細(xì)孔等特殊精密零件［3-4］，且相對(duì)LIGA、光刻等，微細(xì)電火花加工系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，制造成本更低，適應(yīng)性更廣。微細(xì)電火花加工技術(shù)以其加工特征的高一致性、高深徑比、刀具尺寸廣泛適應(yīng)性、低成本等，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域顯示了優(yōu)越性，成效顯著［5-7］。然而，隨著產(chǎn)品輕巧化的應(yīng)用需求，目前，越來(lái)越多的形狀各異、具有介觀尺度復(fù)雜特征的微小精密金屬結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)，盡管其總體尺寸在上百毫米至數(shù)毫米量級(jí)，但其要求的特征尺寸通常在數(shù)百微米至數(shù)微米范圍內(nèi)，加工精度通常在微米至亞微米級(jí)，加工表面粗糙度通常在亞微米至納米級(jí)，它們對(duì)現(xiàn)有的微細(xì)電火花加工技術(shù)提出了日益強(qiáng)烈的更精密、更高效的加工要求。

針對(duì)其復(fù)雜形狀，由于微細(xì)成形電極制作困難、損耗大，自身尺寸精度難以保持，使復(fù)雜特征難以通過(guò)電火花成形加工技術(shù)完成，通常是由微細(xì)簡(jiǎn)單形狀電極（如圓柱電極）沿設(shè)定數(shù)控軌跡分層掃描加工而成，即微細(xì)電火花掃描加工技術(shù)。該技術(shù)在細(xì)節(jié)特征精度、表面質(zhì)量和效率方面具有以下特征：

（1）細(xì)節(jié)特征精度方面

介觀特征的精度不僅要求在總長(zhǎng)、總寬、總高3個(gè)方面達(dá)到微米級(jí)（目前技術(shù)已能滿足），同時(shí)還要求重要細(xì)節(jié)特征也滿足同樣高精度要求，如微小型腔相交面拐角半徑及介觀尺度曲面形狀等控制到微米級(jí)，尤其是大量微小型腔的底面拐角半徑要求在5 μm以內(nèi)。由于在掃描加工過(guò)程中正、負(fù)兩極放電作用后，電極端部（包括電極端面、電極邊緣）及所加工零件輪廓截面均會(huì)由初始的平面形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的鈍圓形狀，這在單道多層掃描加工過(guò)程中表現(xiàn)尤為突出（圖1）。除了電極邊緣尖角放電的原因外，更本質(zhì)的原因是各點(diǎn)在掃描加工過(guò)程中被累積作用的差異化，使這些鈍圓形狀不能在單道掃描加工過(guò)程中精確控制，導(dǎo)致被加工輪廓的細(xì)節(jié)特征難以獲得高精度。為避其不足，通常采用直徑遠(yuǎn)小于微小型腔尺寸的電極，通過(guò)規(guī)劃更復(fù)雜的重疊軌跡等方法減小零件輪廓的鈍圓影響。雖然可改善細(xì)節(jié)特征的精度，但未從根本上解決鈍圓問(wèn)題，且極大地限制了微小電極的長(zhǎng)度及其加工型腔的深度，并引出了另外兩個(gè)問(wèn)題。

圖1 單道掃描加工中電極端部及零件輪廓鈍圓現(xiàn)象示意圖

（2）表面質(zhì)量方面

目前，很多基于電火花掃描加工制作的介觀尺度精密型腔為了獲得更理想的物理、機(jī)械性能，均對(duì)表面質(zhì)量提出了更高的指標(biāo)。然而，由于微細(xì)電火花掃描加工過(guò)程中存在電極端面的鈍圓現(xiàn)象，要獲得高精度的表面質(zhì)量，就需采用重疊率較高的掃描軌跡（圖2），掃描軌跡間的殘留量成為影響高精度表面質(zhì)量的重要因素。

（3）效率方面

針對(duì)微細(xì)電火花掃描加工而言，在追求高精度、高表面質(zhì)量的同時(shí)，提高現(xiàn)有的加工效率是一個(gè)永恒的科學(xué)問(wèn)題。近年來(lái)，多個(gè)重要領(lǐng)域出現(xiàn)的介觀特征精密零件，要么單個(gè)零件的特征多，要么單個(gè)特征的零件多，甚至二者兼有，它們需要及時(shí)地制造出來(lái)。目前，分層掃描加工方法是制造此類零件的重要途徑，該方法可將分層掃描加工單層內(nèi)的軌跡提取出來(lái)，并展開成一條直線后，單層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)疑可看成是單層單道掃描加工運(yùn)動(dòng)，即整個(gè)三維腔體的分層掃描加工是單道掃描加工軌跡疊加得到的。然而，因?yàn)殡姌O端部存在的鈍圓現(xiàn)象，必須采用較高的軌跡重疊率及較小尺寸的電極，這就明顯延長(zhǎng)了加工時(shí)間，從機(jī)理上就極大限制了加工效率的提高。另外，還有一些有較大深寬比的窄槽特征類零件，要求工具電極的直徑很小、長(zhǎng)徑比較大，同時(shí)加工效率要求較高，這類特征難以實(shí)現(xiàn)軌跡重疊，通常只能采用單道掃描加工方式，這就需要在單道掃描加工過(guò)程中抑制鈍圓現(xiàn)象，保證特征底面拐角處的尺寸精度。

圖2 為獲得高表面質(zhì)量，通常采用的重疊率較高的電火花掃描加工軌跡示意圖

綜上所述，微細(xì)電火花單道掃描加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微小特征的分層掃描加工的基礎(chǔ)。上述三方面問(wèn)題是微細(xì)電火花掃描加工技術(shù)亟待解決的重要內(nèi)容，其中的核心是正、負(fù)兩極在單道掃描加工過(guò)程中形狀精度的控制，本質(zhì)是正、負(fù)兩極在單道掃描加工過(guò)程中的作用機(jī)理及規(guī)律。為使微細(xì)電火花掃描加工技術(shù)滿足更高的加工精度和加工效率需求，即精密蝕除能力的需求，需深入研究單道掃描加工過(guò)程中正、負(fù)兩極出現(xiàn)鈍圓現(xiàn)象的機(jī)理，并據(jù)此探索微能電脈沖場(chǎng)單道掃描加工介觀特征的精密高效工藝方法等，從而為進(jìn)一步發(fā)揮該技術(shù)在細(xì)節(jié)特征精度、表面質(zhì)量、效率等方面的潛力和優(yōu)勢(shì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)規(guī)律，這具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)微細(xì)電火花掃描加工技術(shù)中最基礎(chǔ)的單道掃描加工技術(shù)存在的正、負(fù)兩極鈍圓現(xiàn)象，結(jié)合典型的工藝過(guò)程給出了多個(gè)重要的影響因素，分析了放電脈沖在單道掃描加工過(guò)程中對(duì)正、負(fù)兩極的積分蝕除機(jī)理，開發(fā)了仿真軟件，并據(jù)此開展了仿真與實(shí)驗(yàn)研究，加工后的工具電極及試件的截面輪廓表明，放電脈沖對(duì)正、負(fù)兩極均具有明顯的累積蝕除作用，且其蝕除結(jié)果與多項(xiàng)工藝參數(shù)密切相關(guān)。

1 放電脈沖積分蝕除機(jī)理分析

微細(xì)電火花分層掃描加工中，在某一層內(nèi)，其典型的單道掃描加工軌跡見(jiàn)圖3a。圓柱形工具電極快速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿直線進(jìn)給，并使分層厚度小于放電間隙，從而控制電火花放電作用主要發(fā)生在工具電極底面與零件微小槽的底面上，盡量避免工具電極圓柱側(cè)壁與零件微小槽側(cè)壁參與放電。在此過(guò)程中，由于單位微能電脈沖場(chǎng)的能量通常非常小，其在正、負(fù)兩極的單次蝕除深度特征在亞微米至納米量級(jí)，這遠(yuǎn)小于兩極的介觀尺度幾何場(chǎng)尺寸。因此，在掃描加工過(guò)程中，單個(gè)微能電脈沖場(chǎng)的蝕除作用區(qū)域可視為一點(diǎn)，且能將工具電極與零件的放電作用區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3b所示，網(wǎng)格的大小與單脈沖放電能量有關(guān)。

圖3 工具電極在零件表面單道掃描加工軌跡示意圖

由于放電作用的極性效應(yīng)，在某一組設(shè)定電參數(shù)條件下，分別假設(shè)單個(gè)放電脈沖在正、負(fù)兩極的蝕除體積不同，即成一定比例。工具電極在沿長(zhǎng)度方向單層掃描進(jìn)給的同時(shí)，以一定的角速度旋轉(zhuǎn)。如圖4所示，當(dāng)工具電極從S1點(diǎn)加工到S2點(diǎn)的過(guò)程中，工具電極與零件上放電蝕除區(qū)域內(nèi)不同的點(diǎn)將具有不同的放電次數(shù)。一方面，電極上的點(diǎn)Ai1是圓周運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，即螺旋運(yùn)動(dòng)，每旋轉(zhuǎn)一周的放電區(qū)域?qū)ò霃綖镽Ai的圓周區(qū)域TAi；工具電極上半徑不同的點(diǎn)，其放電區(qū)域的大小存在差異；工具電極旋轉(zhuǎn)速度與直線進(jìn)給速度的不同比值也會(huì)導(dǎo)致放電區(qū)域大小的差異。另一方面，零件上的Cj1點(diǎn)由于處于距中心線不同的距離上，其承受放電作用的時(shí)間及蝕除區(qū)域WCj與LCj直接相關(guān)。再者，正、負(fù)兩極端面上相互距離最小的兩點(diǎn)、且其距離小于放電臨界距離，就產(chǎn)生一次有效放電，而每次有效放電均在正、負(fù)兩極按一定比例分別蝕除固定體積；如果有多對(duì)點(diǎn)之間的距離同時(shí)小于放電臨界距離，則暫停直線進(jìn)給，但保持勻速旋轉(zhuǎn)，直至所有距離均大于放電臨界距離再繼續(xù)進(jìn)給。當(dāng)完成一層掃描加工后，工具電極上升，然后回到起點(diǎn)，再下降至新的一層，重復(fù)直線掃描，如此反復(fù)循環(huán)，直至加工到設(shè)定深度。同時(shí)，單位蝕除體積恒定的條件下，不同分層厚度的差異會(huì)導(dǎo)致放電回退次數(shù)的不同，從而影響進(jìn)給速度，最終導(dǎo)致電極與零件上各點(diǎn)放電次數(shù)的不同。這種差異的累積，將使工具電極與零件的各點(diǎn)隨著掃描的進(jìn)行出現(xiàn)不同的加工深度，從而產(chǎn)生不同的截面輪廓。

圖4 電極與零件的點(diǎn)在單道掃描加工過(guò)程中的積分作用差異示意圖

綜上所述，工具電極單道掃描電火花放電加工過(guò)程中，放電脈沖在正、負(fù)兩極的蝕除作用是一個(gè)與電脈沖參數(shù)、放電間隙、分層厚度、電極幾何參數(shù)、掃描速度、旋轉(zhuǎn)速度等密切相關(guān)的綜合作用。工具電極與零件上各點(diǎn)隨半徑的不同，其累積蝕除的量將存在差異。正、負(fù)兩極的輪廓成形過(guò)程是一個(gè)隨放電脈沖作用不斷累積的過(guò)程，此過(guò)程中，工具電極的形狀對(duì)單道掃描加工特征的截面輪廓具有重要影響。

2 單道掃描加工仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真分析

基于放電脈沖積分蝕除機(jī)理分析，開發(fā)了一套微細(xì)電火花單道掃描加工仿真軟件，并開展了仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)定圓柱實(shí)心工具電極直徑d=192 μm，電極與零件的放電蝕除體積比VT∶VM=1∶3，放電頻率為100 kHz，單層加工厚度為4 μm，水平進(jìn)給速度為100 μm/s，加工總深度為100 μm，加工總長(zhǎng)度為670 μm，單道單向分層掃描加工。

仿真實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)電極旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)兩種極端情況進(jìn)行測(cè)試。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1、表2，分別給出了仿真加工結(jié)束后的試件特征與工具電極特征。從仿真結(jié)果可明顯看出，當(dāng)工具電極不旋轉(zhuǎn)時(shí)，試件與工具電極兩者的截面均出現(xiàn)了明顯的鈍圓現(xiàn)象，尤其是工具電極在兩個(gè)方向上出現(xiàn)了2種差異明顯的形狀，即沿著掃描的加工方向，工具電極端面中央輪廓線平直，而與之垂直的另一個(gè)方向上，工具電極端面中央輪廓線卻呈鈍圓；當(dāng)工具電極旋轉(zhuǎn)時(shí)，試件與工具電極兩者的截面均未出現(xiàn)明顯的鈍圓現(xiàn)象，可近似為平直狀態(tài)。由此可推斷，在工具電極進(jìn)行單道掃描加工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整不同的工藝參數(shù)（如轉(zhuǎn)速）即可控制鈍圓的弧度。

表1 微細(xì)電火花單道單向掃描加工仿真結(jié)果（試件特征）

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)微細(xì)電火花單道掃描加工的積分蝕除機(jī)理及其仿真分析，在微細(xì)組合電加工樣機(jī)上開展實(shí)驗(yàn)研究。先后在位制備了2根直徑190 μm的工具電極，并分別在電極旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行單道掃描放電加工。結(jié)果顯示，當(dāng)工具電極不旋轉(zhuǎn)時(shí)，存在明顯的鈍圓現(xiàn)象，且工具電極在2個(gè)垂直方向的截面分別為鈍圓和平直狀態(tài)。當(dāng)工具電極旋轉(zhuǎn)時(shí)，其橫截面無(wú)明顯的鈍圓現(xiàn)象，可近似為平直狀態(tài)。由此可認(rèn)為，工具電極在單道掃描加工過(guò)程中，放電脈沖對(duì)零件及工具電極的放電蝕除區(qū)域存在累積蝕除差異，但該差異可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了微細(xì)電火花分層掃描加工中，在正、負(fù)兩極存在的鈍圓現(xiàn)象，分析了單道掃描加工過(guò)程中放電脈沖對(duì)正、負(fù)兩極的積分蝕除機(jī)理，構(gòu)建了仿真軟件，開展了微細(xì)電火花單道分層掃描加工的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。結(jié)果表明，放電脈沖對(duì)正、負(fù)兩極各點(diǎn)的蝕除作用是電極底面形狀及工藝參數(shù)的積分累積作用結(jié)果，工藝參數(shù)對(duì)最終的加工結(jié)果具有重要影響。此外，單道掃描加工是微細(xì)電火花分層掃描加工的基礎(chǔ)，其加工底面形狀的工藝控制探索對(duì)進(jìn)一步研究底面掃描加工過(guò)程中的軌跡重疊率、加工效率、底面精度和表面粗糙度等均具有參考意義。

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表2 微細(xì)電火花單道單向掃描加工仿真結(jié)果（電極特征）

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Integration Mechanism on Single Channel Scanning Milling of Micro-electrical Discharge

Zhang Yongbin，Liu Guangmin，Wu Zhiqun，Lei Yanhua
（Institute of Machinery Manufacturing Technology in CAEP，Mianyang 621900，China）

Special arc shape phenomena during single channel scanning milling of micro-electrical discharge is introduced.Some main factors are analyzed for the phenomena.Integration erosion mechanism of electrical pulse discharged on both positive and negativepolesispresented.Accordingly，simulation software on single channel scanning milling is developed.Some simulation experiments have been done to find important factors.Some discharge experiments of single channel scanning milling have been carried out relative to simulation experiments based on micro-electrical compound discharge machine tool.The profiles of tool electrode and workpiece are given.The results show that the integration erosion effect on both poles of discharge pulse is closely relative to some techniques parameters.

micro-EDM；single channel；scanning milling；arc shape；integration mechanism

TG661

A

1009－279X（2015）06－0001-05

2015-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475439）；中物院超精密加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)資助項(xiàng)目（ZZ14005）；中國(guó)工程物理研究院發(fā)展基金資助項(xiàng)目（K901-14-jf）

張勇斌，男，1975年生，研究員。