（机械制造及其自动化专业论文）微凸起和微坑结构的特种加工成形技术研究

南京航空航天大学
硕士学位论文
微凸起和微坑结构的特种加工成形技术研究
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：***
20070101
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
本文概述了微细加工技术及国内外研究现状，介绍了微凸起结构和微坑结构的特点及当前的主要应用；分析认为，特种加工工艺是制备这类微小结构的得力手段，确定以两种重要的特种加工工艺——放电加工和超声加工开展微凸起结构和微坑结构的成形工艺试验研究。

微凸起结构和微坑结构放电加工试验基于商品精密机床——AGIE低速走丝电火花线切割机和CHARMILLES电火花成形机。

首先，设计、制备多种形状、尺寸的微凸起形电极，选用合适的电规准以电火花成形工艺加工（阵列）微坑结构。

从所获得微坑结构的尺寸、形状精度、加工前后因损耗引起的电极形状尺寸变化、工艺参数的选择等方面进行了工艺性分析。

继而，用放电加工工艺制备（阵列）孔形电极，利用电火花反拷贝加工方式得到（阵列）微凸起结构；微凸起结构的直径和高度通过电火花加工中施加平动和设定参数来控制。

最后，对微凸起结构、微坑结构及机械加工的平面试件做了摩擦学对比试验，初步分析了微凸起结构和微坑结构对摩擦性能的影响。

超声加工试验中，对比了变幅杆的设计和制作方法，选择指数形变幅杆进行试验。

重点介绍超声加工微凸起结构和微坑结构的微细工具头制备方法：利用放电加工得到阵列孔形电极，再用电火花反拷贝平动加工方式，制备了高长径比的阵列超声微细工具头。

选择合适的振动频率、进给压力、磨料等主要参数后，在小功率超声精加工机上，完成了单晶硅、压电陶瓷、硬质合金等多种难加工材料的微凸起结构和微坑结构超声加工成形试验。

本文总结了阵列微凸起结构和微坑结构采用放电及超声加工成形的工艺可行性，对试验中出现的问题进行了分析并给出相应的解决方法，提出了其它形状工具制备和加工方案的预想。

出自摩擦仿生学对表面阵列微凸起结构和微坑结构的需求，设想了特种加工方法在微凸起结构和微坑结构制造领域的后续研究内容，展望了应用前景。

关键词：微凸起微坑特种加工放电加工电极
超声加工超声微细工具头摩擦仿生学
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微凸起和微坑结构的特种加工成形技术研究
Abstract
Micro machining technology and current status are summarized in this paper; the characteristic and application of (matrix) micro-protrudes and micro-pits are introduced. Non-traditional machining is an important machining method. Two main machining examination-discharge machining and ultrasonic machining are confirmed.
Discharge machining is based on commodity machining tools- AGIECUT CHALLENGE ECUT 2F machine tool and CHARMILLES ROBOFORM 35 EDM machining tool. Firstly, several shapes and dimensions micro-protrude electrodes are designed and machined; Correct electricity parameters are chosen; (matrix) micro-pits are machined by EDM. Machining results are analyzed based on dimension of micro-pits, shape precision, shape variety because of electrode waste and choice of process. Secondly, (matrix) aperture electrodes are machined by WEDM-HS, (matrix) micro-protrudes are machined by EDM copy; Electrode diameter and height are controlled by electrode shaking and parameters. Friction contrast examination is made among micro-protrudes, micro-pits, and machine plane. The friction infection is analyzed in the end.
In ultrasonic machining, exponential shape tool for machining is decided by balancing design and machine of amplitude transformer horn. Manufacture of micro-tool is important: (matrix) aperture electrode is made by EDM machining, high aspect (matrix) ultrasonic micro-tool is made by EDM copy and electrode shaking. Manufacture parameters such as the right vibrate frequency, amplitude, pressures, abrasive are chosen. Ultrasonic machining is completed on hard-cutting materials include of single-crystal silicon, piezoelectricity ceramic and cemented carbides by using low power ultrasonic machining tool.
Feasible methods of EDM and ultrasonic are summarized for machining two structures, the problem solutions are given in examination, and suggestions of machining other shape electrodes and processes are also given. Based on the demand of (matrix) micro-protrudes and micro-pits in tribological biomimetic, next research and application foreground of non-traditional machining is prospected in
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manufacture of (matrix) micro-protrudes and micro-pits.
Key words: Micro-protrude, Micro-pit; Non-traditional machining, Discharge Machining, Electrode, Ultrasonic machining, Ultrasonic micro-tool,
Tribological biomimetic.
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微凸起和微坑结构的特种加工成形技术研究
图、表索引
一：图索引
图1.1 日本学者提出的几种微凸起结构 (4)
图1.2 壁虎脚部刚毛结构 (5)
图1.3 仿生壁虎脚底毛阵列 (5)
图1.4 储油表面结构 (5)
图2.1 日本学者加工出的微细轴、孔 (9)
图2.2 三角形截面电极加工出的多边形孔 (9)
图2.3 日、美学者微细电火花加工实例 (10)
图2.4 比利时学者加工的部分微三维结构[43] (11)
图2.5 用直径φ25µm 的电极丝切割的试件 (12)
图2.6 微细线切割加工的高长径比微小零件 (12)
图2.7 铂材阴极电解加工的铜试件 (13)
图2.8 深螺旋结构 (13)
图3.1 方形微凸起阵列电极 (19)
图3.2 方锥形微凸起阵列电极 (19)
图3.3 菱形微凸起阵列电极 (19)
图3.4 AGIECUT CHALLENGE ECUT 2F电火花线切割机 (20)
图3.5 方形电极的侧视图和俯视图 (22)
图3.6 菱形电极的侧视图和俯视图 (23)
图3.7 方锥形电极的侧视图和俯视图 (23)
图3.8 CHARMILLES ROBOFORM 35精密数控电火花成形机 (24)
图3.9 三种形状的阵列微坑结构 (25)
图3.10 加工的微坑结构平面图和剖视图 (26)
图3.11 正方形微坑结构的三维视图（沿对角线测量） (27)
图3.12 菱形微坑结构的三维视图（沿对边测量） (28)
图3.13 方锥形微坑结构的三维视图（沿对角线测量） (28)
图3.14 微孔形电极的设计图 (30)
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图3.15 电火花线切割加工的微孔形电极 (31)
图3.16 5×5阵列微凸起结构 (33)
图3.17 微凸起结构的三维视图及测量数据（过顶点测量） (33)
图3.18 微孔形电极设计图 (34)
图3.19 电火花高速小孔穿孔机的结构图 (35)
图3.20 穿孔机制备的微孔电极 (37)
图3.21 10×11阵列微凸起结构 (37)
图3.22 阵列微凸起结构三维视图和测量数据（沿直径测量） (38)
图3.23 UMT微摩擦试验机和复式摩擦工作台 (39)
图3.24 三种结构摩擦因数比较图 (39)
图3.25 三种结构磨损量比较图 (40)
图4.1 超声变幅杆 (42)
图4.2 超声工具头设计图 (43)
图4.3 超声微细工具头 (45)
图4.4 高长径比单体 (45)
图4.5 共振时采集的超声换能器输入交变电压波形图 (49)
图4.6 超声加工现场图 (51)
图4.7 单晶硅上的微坑结构 (52)
图4.8 单晶硅微坑结构三维视图及数据 (53)
图4.9 压电陶瓷上的微坑结构 (53)
图4.10 压电陶瓷微坑结构三维视图及数据 (54)
图4.11 硬质合金的微坑结构 (54)
图4.12 硬质合金微坑结构三维视图及数据 (55)
图4.13 直径φ150µm的工具头损耗情况 (55)
图4.14 直径φ80m的工具头损耗情况 (55)
图5.1 两种植物叶表面形态 (59)
图5.2 鲨鱼皮上的肋条形态 (59)
图5.3 基于鲨鱼皮表面形态的飞机表面仿生减阻结构模型 (60)
图5.4 sandkink的耐沙冲蚀性能 (60)
二：表索引
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承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。

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第一章绪论
1.1 微机械与微细加工技术概述[1]
微机械或称微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）是20世纪80年代后期发展起来的一门新兴学科。

随着大规模集成电路中微细加工技术和超精密加工技术的发展，近几年来，微机械发展极其迅猛，部分已进入实用化和商品化阶段。

微机械体积小、耗能低、能方便地进行精细操作。

微机械主要应用领域有医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车领域等，它已给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了现实及深远的影响，被列为21世纪关键技术之一。

微机械涉及的基本技术主要有：微机械设计；微机械材料；微细加工；集成技术；微装配和封接；微测量；微能源；微系统控制等。

微机械的制造和生产离不开微细加工技术[2]，可以这样说，微细加工技术是微机电系统发展的基础。

1.1.1 微机械概述[3]
微机械（Micromechanics）是以形状尺寸微小、操作微精的、机电集成为特征的一个新兴机械工程学科分支。

它指可以用类似微电子产品批量制作工艺制造的、集微型机械与电子部件于一体的部件或结构，可以分成多个独立的功能单元，输入的模拟信号由传感器转换为电信号，经过信号处理后，再通过执行器与外界交互作用。

因微机电系统作为一门新学科出现只有十余年左右的时间，因此在不同的国家和地区其名称也有所差别。

美国一般称为MEMS（Micro Electro Mechanical System），在日本称之为微机械（Micromachine MM），而在欧洲则叫做微系统（Microsystem MS）。

按外形尺寸特征分类，大体认为1～10mm大小的为微小型机械，1μm～1mm的为微机械，而把1nm～1μm的称为纳米机械[4~6]。

具体的分类及基本特点见表1.1。

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2表1.1 微机械的分类 毫米系统（10-3m ） 微米系统（10-6m ） 纳米系统（10-9m ）
尺寸 0.1～1mm 1～100μm 1～100nm
构造
立体 平面 分子 材料
金属、高分子 硅、薄膜材料 高分子（蛋白质） 加工
超精密加工 半导体加工 分子、原子操作 应用实例 微机械手、微机器
人、微泵等 微驱动器、微传感器、微传动机构等机械部件 极限探测、分子原子操作
微机械的特点[7]：
（1）结构坚固、体积小、精度高、质量轻，其结构特征尺寸为微米级至纳米级，精度可高达纳米级，整个体积为mm 3级或更小，质量可轻至纳克。

（2）性能稳定，可靠性高。

几乎不受热、噪声和变形等因素影响。

（3）能耗低，灵敏性和工作效率高。

平均能耗仅为传统机械的几十分之一。

（4）多功能和智能化。

（5）适于大批量生产，可以有效地降低成本。

微机械的应用领域：微机械在国防、医疗、仪器检测、材料等领域，尤其是活动空间狭小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等领域，具有广阔的应用前景，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。

目前，微机械已从实验室探索走向产业化轨道，据美国MCNC （北卡罗来纳微电子中心）MEMS 技术应用中心2000年的估计，当前MEMS 业界的年增长率是10％～20％，2001年有高于80亿美元的MEMS 潜在市场，2003年MEMS 市场将达到400亿美元[8,9]。

1.1.2 微细加工技术概述
微细加工技术的产生和发展，一方面是加工技术自身发展的必然，同时也源于新兴的微型机械技术发展对加工技术需求的促进。

超精密加工在20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献，同时又将自身能够达到的加工精度提高了2至3个数量级。

原来所提出的精密和超精密的含义，随着时间的推移和技术的进步，已远滞后于实际可达到的加工精度[10]。

所谓微细加工技术，就是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。

广
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义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削加工、磨料加工、微细电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子体加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸加工等；狭义地讲，微细加工技术目前一般主要是指半导体集成电路的微细制造技术，因为微细加工技术是在半导体集成电路制造技术的基础上发展起来的，如化学相沉积、热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀、LIGA等[11]。

从目前国际上微细加工技术的研究与发展情况看，主要形成了以美国为代表的硅基MEMS加工技术，以德国为代表的LIGA技术和以日本为代表的传统加工方法的微细化等主要流派。

这些国家的研究和应用情况基本可以代表国际微细加工技术的现有水平和发展方向[12]。

1.2 微凸起结构和微坑结构的研究及应用背景
在摩擦学的动力润滑领域中，微弹流动力润滑理论是20世纪80年代初期开始崛起的一个新的研究学科。

微弹流动力润滑理论是在传统的弹流润滑（EHL）理论基础上发展起来的。

弹流润滑理论是把流体润滑理论与弹性力学相结合所建立的解决滚动接触的润滑理论，而微弹流润滑理论，就是在宏弹流的基础上对微凸体产生的微弹流进行系列研究所得出的新润滑理论。

微弹流动力润滑理论，打破了机械领域中滚动接触的机械零件表面越光滑越好的传统观点。

具有微凸起结构接触的粗糙表面非但没有降低机械零件表面抗磨损能力，反而能大大提高承载能力和使用寿命[13,14]，能够满足现代机械传动高速、重载的要求，因此微弹流动力润滑理论成为润滑理论的重大突破。

关于微凸起结构的制作成形，美国人威廉姆（William.H.Belke）于1982年利用激光加工出第一件“具有微凸体的轴承”（注：本文统称微凸体为微凸起结构）；随后，日本的成濑芳夫于1984年提出在汽车发动机缸体内表面的多种微凸体形状及多种排列方式（图1.1），使微凸体结构向实际应用迈进了一大步[15]。

首先，他根据微弹流的最新研究成果，把微凸体的纵轴从与零件运动方向一致改为与零件运动方向相垂直；另外，他不但提出了圆形和三角形的微凸体，还提出了交错排列的长方形、两端是凸圆弧的长方形、两端是凹圆弧的长方形、斜平行四边形的四种微凸体；微凸体的长、宽之比在2/1～1/1左右。

成濑芳夫
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的发明是在大量试验基础上得到了最佳微凸体几何形状和分布规律，它大大提高了发动机缸体的耐磨性和耐烧性，并降低了油耗和漏气。

图1. 1 日本学者提出的几种微凸起结构
摩擦、磨损、润滑是微机械面临的最主要问题之一。

研究摩擦的目的主要是获得微小构件在质量很小、压力很轻的条件下无摩擦、无磨损的边界条件。

在微机械系统中，存在摩擦表面的摩擦力主要由表面之间的相互作用力而不再是载荷压力所引起[16]。

在摩擦学研究方面，对于高副接触情况下有润滑的机械零件表面，具有一定表面粗糙度、带横向分布微凸起结构的表面形貌，有利于形成弹性流体动力油膜，能够改善摩擦学特性；仿生摩擦学（或摩擦学仿生）属机械仿生范畴，是机械学科、材料学科、生命学科等多学科交叉渗透的产物[17]。

前期研究提示，基于功能理念的壁虎脚掌仿生可能是未来仿壁虎机器人发展的方向；基于鲨鱼皮表面形态的减阻结构已经用于游泳运动员的服装设计；基于猫爪垫结构及功能的仿生轮胎在德国已经开始应用；基于土壤洞穴动物表面特征及功能的仿生防粘和仿生减阻技术和基于壁虎脚形态的仿生附着技术也为广泛的工业应用展示了良好的前景[18]。

人工制成类似动物脚掌的仿生阵列微凸起结构是这一领域中急待解决的问题之一（图1.2，图1.3）。

目前，国内外均还没有掌握适合于工业化生产的仿壁虎刚毛的微制造技术[19]。

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图1. 2 壁虎脚部刚毛结构[20,21]图1. 3 仿生壁虎脚底毛阵列[22]
理论分析表明，在钢材表面加工出按一定规律分布的、具有一定深度、光滑过渡的球形、椭球形凹坑或圆锥形凹坑，有利于钢板在冲压过程形成良好的动压润滑，将有利于形成流体动压润滑效应，从而改善模具与钢板之间的摩擦状况。

因此，现代汽车工业中，人们开始尝试在汽缸壁、滑动轴承表面形成人造的斑块或凹坑（图1.4），用以提高润滑（或密封）效果[24,25]。

阵列微坑结构已经批量应用于汽车工业中，具有微坑结构的气缸套具有节能、节油、减少环境污染、高耐磨性、可避免干摩擦和拉缸现象发生等优点，对发动机节能、长寿命和轻型化发展具有重大意义和广泛的应用价值。

研究人员还根据国内外的最新研究进展和研究成果，将储油结构分为网状裂纹型、网状交叉型、独立微坑型等结构[26]。

图1. 4 储油表面结构[23]
在表面微结构加工方面，相对于传统的机械加工方法，特种加工技术更擅长于复杂三维微机械的制作，且不需太多的资金投入就可以进行生产。

虽然目前大多数工艺还只适于中小批量生产，但用先加工模具、再用模具翻制的方法，也可进行较大批量的生产。

国内外关于这种大面积微小结构的加工，多数仍然是有关微小群孔的加工[27,28]，像微凸起和微坑阵列结构成形试验并不是很多。

目前见于公开报道的，较多的是汽缸套的微坑加工，并且多采用激光加工工艺、
超声加工工艺等技术[29-31]，微细放电加工技术相比很少提及。

1.3 本论文课题研究的目的、意义
本课题研究的目的是：（1）在可能应用于微坑结构及微凸起结构成形的多种微细特种加工技术中，除了激光加工外，无论采用微细放电加工、超声加工还是其它微细加工方法，关键是工具的设计与制备。

根据加工特点，本课题探索试验合适的工具制备方式；（2）放电加工中，基于商用电火花加工机床，探索阵列微细结构成形的加工工艺；（3）对超声微细加工技术在阵列微细结构的应用进行尝试，研究制备阵列超声加工工具头的工艺途径，完成超声加工阵列微结构的试验；（4）分析试验结果，对试验中存在的问题提出有效的解决办法，形成阵列微细结构的有效加工工艺方案。

阵列微凸起和微坑结构，是机械零件中一种相当特殊但具有重要实际应用价值的微细结构，目前成熟的加工方法极少，方式比较单一。

本课题将对多种微细特种加工或组合加工方法做有益尝试，对比这些方法的特点及优劣，并对发现的一些问题或难点提出针对性的改进措施，这对加工这种特殊结构乃至拓宽微细加工技术应用都具有重要意义。

1.4 本论文的主要任务
本论文基于近年来在微细特种加工领域的理论基础研究和实际应用探索，具体剖析微细电火花成形加工、微细电火花线切割加工、微细超声及超声电解复合加工、微细激光加工等方法的特点，并以设备条件和加工要求为基础，选择放电加工和超声加工进行试验。

确定研制的阵列微凸起结构及微坑结构参数如下：单个结构尺寸微小，微凸起或微坑大小（直径）在φ100μm～φ300μm之间，微凸起高度在200μm～500μm之间，微坑深度在50μm以下；成阵列分布时，微结构数量较多；表面粗糙度较低，目标值大约为Ra3μm左右。

放电加工在商用机床上完成，均采用随机数据库中的微细加工模式，电极的设计及制备是技术关键之一。

微坑结构的成形使用低速走丝电火花线切割加工得到微凸起形电极，选择方形、方锥形、菱形形状，根据微坑结构尺寸选定参数；微凸起结构成形使用阵列孔电极和微坑形电极，分别由高速走丝线切割加工和电火花穿孔工艺制备。

利用微凸起或微坑形电极，由电火花成形加工得
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到相对应的微坑结构或微凸起结构。

对微凸起结构、微坑结构将进行摩擦性能试验。

超声微细加工主要任务是微细工具头的设计和制备。

用放电加工制作阵列孔电极，继而以电火花反拷贝方式加平动加工，得到高长径比的阵列工具头。

选择确定振动频率、施加压力、磨料等主要参数，完成对单晶硅、压电陶瓷、硬质合金多种难加工材料的微结构超声加工成形试验。

对微凸起结构和微坑结构的加工方法进行小结，对比目前选用的若干方案；针对试验中的问题给出解决方法，其中包括电规准的优选、工艺的改进、工件表面粗糙度的提高等；在试验基础上，提出工具制备和微凸起结构、微坑结构的成形方案。

最后，对微凸起结构和微坑结构在磨损承载、摩擦学、仿生学的应用做出评估与展望。

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第二章微细特种加工技术的研究及应用
2.1 微细加工技术的特点
微细加工技术是获得微机械、微机电系统（MEMS）的必要手段。

目前，实用的微细加工尺度从亚毫米到亚微米数量级，加工单位从微米到原子或分子度量级[32]。

微细加工和常规加工的机理是截然不同的。

微细加工与一般尺寸常规加工的主要区别体现在：
（1）加工精度的表示方法不同。

在一般尺度加工中，加工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，加工精度则用绝对精度表示。

（2）加工机理存在很大的差异。

由于在微细加工中加工单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。

（3）加工特征明显不同。

一般加工以尺寸、形状、位置精度为特征；微细加工则由于加工对象的微小化，目前多以分离或结合原子、分子为特征。

从被加工对象的形成过程上看，微细加工可大致分为三大类：分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削等。

大致可分为切削加工、磨料加工、特种加工及复合加工等。

结合加工——同种或不同材料的附加加工或相互接合加工方式，如蒸镀、淀积、生长渗入等。

可分为附着、注入和接合三类：附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性；接合则是指焊接、粘接等。

变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如注塑变形加工、流体变形加工等[33]。

2.2 微细特种加工技术的分类[34-36]
目前，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺、光刻技术、蚀刻技术和LIGA技术上，并且取得了相当大的实用进展[37]。

但是，这些技术只能用来加工结构简单的二维或准三维微机械，尚不适于致动器的制作。

如将这类微机械作为致动器，只能靠静电力驱动，驱动力太小。

另外，这些加工方式的
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9设备普遍昂贵，一次性投入较大，只适合大规模批量生产，对于复杂的三维微机械结构，采用以上技术就难以实现或根本无法实现，小规模的微机械生产也不宜采用以上方法，限制了其应用范围。

而特种加工技术在微小型三维立体结构、致动器的制作上有独到之处，且批量制作可再通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。

2.2.1 微细电火花成形加工技术
虽然微细电火花加工的原理与普通电火花加工没有本质的不同，但由于加工对象及所使用工具电极尺度的微小化，控制放电能量更为关键。

要获得期望的尺寸精度和表面质量要求，微细电火花加工在设备性能要求与工艺技术实现上具有一定的特殊性。

具体表现在脉冲电源、微放电状态检测、运动系统精度及伺服控制策略、微细电极的制备与装夹以及诸如放电面积效应等工艺环境方面[38-40]。

另外，开发实用的微细电火花加工系统还应配有在线观测单元与工作液循环系统等。

国内外对微细电火花加工技术的研究不断扩大、深入，取得了许多成果。

在微细孔、轴制造方面，日本东京大学生产技术研究所增泽隆久教授加工出φ
2.5μm 的微细轴和φ5μm 的微细孔（图2.1）。

在异型孔方面，日本冈山大学冈田晃等人提出了用三角形截面电极进行复杂形状微孔加工的方法[41]（图2.2）。

图2. 1 日本学者加工出的微细轴、孔
图2. 2 三角形截面电极加工出的多边形孔。