微细电火花加工专业技术与发展趋势势

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