电火花加工技术及其发展趋势

电火花加工技术的发展及趋势

1. 1电火花加工的发展趋势

1·1电火花加工精密化

电火花加工的精密化可以理解为两方面的内容:

一是加工尺寸上的精密性,二是加工表面质量的精密

性。在电火花加工过程中,与尺寸精度有直接关系的

因素是放电间隙和电极损耗。加工间隙的一致性、稳

定性以及电极损耗的大小直接影响电火花加工的精

度。精密的电火花加工,加工过程中应保持较小的放

电间隙,并使放电间隙稳定在一个较小范围内。而放

电间隙的调整与极间状态密切相关,实时、准确地检

测出两极间的放电状态,则为调整两极间合适的放电

间隙提供了必要的条件,加工间隙的准确调整还有赖

于合理的伺服控制策略等[2-3]。由于电火花加工状态

复杂多变,为加工状态的检测和放电间隙的控制增加

了难度。因此,需加强电火花加工状态的检测、加工

间隙的控制以及加工电源的稳定性等方面的研究。

实现电火花精密加工时,要采用精加工规准来完

成工件的尺寸精度和表面精度。然而,电火花加工过

程中,均不同程度存在工具电极损耗。虽然人们从工

作液的种类、电源、控制、工作介质、电极材料等多

方面对电极损耗进行了广泛的研究,在减少电极损耗

方面取得了一定的研究效果。但是到目前为止,在精

加工和微细加工中,电极损耗现象还是比较严重。电

极损耗的存在必然对电火花加工的尺寸精度产生影

响,需要对工件进行多次加工以补偿由于电极损耗而

造成的尺寸偏差,这样增加了加工时间和加工成本。

因此,如何降低工具电极的损耗,从而实现高速、低

损耗的精密加工是电火花加工不断追求的目标[4-5]。电火花加工表面质量的精密化是加工精密化的另

一方面的内容。电火花加工表面是一系列的微小放电

凹坑重叠组成的,一般的加工条件下表面有微裂纹,

为达到较好的加工表面,需要在电火花之后增加手动

抛光工序,这增加了工人的劳动强度和加工成本,制

约电火花加工速度的提高,不利于自动化加工实现。

因此,实现电火花加工表面质量的精密化仍是今后的

研究发展方向。较小面积的电火花加工可以通过精微

加工电源实现,微能电源对电火花加工表面质量的改

善很有效果,能够达到较好的表面质量。例如已研制

的一种低速走丝电火花线切割加工机床可直接进行精

密模具或零件的加工。这种机床的先进之处是防电解

(AE)电源的开发。AE电源能防止工作液中氢氧根

负离子在工件上的沉积,形成所谓的“变质层”,并

能防止硬质合金工件中钴结合离子溶解于水中,形成

所谓的软化层,可以加工出更好的工件的表面质

量[6]。目前,这种精微、微能脉冲电源的研制是国内

外研究的热点,各厂家及研究机构对此关键技术是保

密的,因此我国对这方面的技术还需要更深入的研

究。大面积的电火花成型加工表面的精密化,目前普

遍使用的加工方法是混粉电火花加工技术,可以实现

加工表面的镜面加工效果,加工出的工件表面微裂纹少,工件的表面性能得到提高[7-8]。除了对该技术的

加工机理和工艺进行研究外,较大面积的混粉电火花

加工专用脉冲电源是其关键技术。目前,国外已经有

专门的混粉电火花设备,如日本Sodick公司的PIKA

系列电源等,而我国在国产的机床上没有配备实现混

粉加工的专用电源和装备,因此对混粉电火花加工工

艺及混粉专用设备的开发还有研究和提升的空间[9]。1·2电火花加工微细化

生产实际的需要使得微机电系统的应用越来越广

泛,微细化发展成为机械制造业的重要发展方向,其

中微细电火花加工技术是实现微细加工的重要加工方法之一[10]。这是由电火花加工的特点所决定的,即

工具与工件之间几乎没有宏观的作用力,且不受工件

硬度的制约,有利于实现加工尺寸的微细化。电火花

线磨削技术WEDG (W ire Electric Discharge Grinding) 的出现,使微细电火花加工进入了实用化阶段[11],

因此微细电火花加工技术是今后一个重要的发展方向。微进给装置是实现微细电火花加工的前提和保证,因此微细进给装置和高精度的回转主轴的设计及

控制是研究重点;同时,能够提供极间极少能量的微

能量电源的研究也是今后发展的重点。由于微细电火花加工对工件和电极等特殊要求,对加工过程的检测

和控制以及电极损耗等问题的解决也是微细电火花加工的关键技术[12-13]。微细电火花加工所需能量微小, 工具电极的尺度微小,加工速度较慢,因此需要不断

完善能够实现较大加工速度的技术手段,例如微细多

孔加工。目前,微细多孔电火花加工技术有:用微细

阵列电极加工阵列孔[14],另一种是由增泽隆久等人

提出的方法,即微细电火花加工该装置有两套线电极

磨削系统(WEDGA和WEDGB), WEDGA对工具电

极进行粗加工, WEDGB对工具电极进行精加工,合

理地控制WEDA和WEDGB的相对位置就能得到不同尺寸的微细电极,用微细工具电极加工微细孔[15]。

此外,利用工件的超声振动来提高微细电火花的加工

速度取得了良好的结果[16]。

1·3电火花加工的高速高效化

同传统的切削加工相比,电火花加工速度和加工

效率很低。因此,高速高效化是电火花加工技术的发

展方向。根据现有对电火花加工机理的研究情况来分

析,提高电火花加工速度和加工效率,可以从以下几

方面来实现: (1)研究新型的电火花节能电源。此方

法是从提高电火花电源的使用效率入手从而提高电火

花加工效率。这是因为传统的电火花加工电源的效率

很低,电能的利用率不到30%,大部分的能量被限

流电阻被消耗了。因此开发新的节能电源,有效提高

电火花加工电源的使用效率,减小电源的能量损耗是

提高电火花的加工效率的一种有效方法[17-18]。(2)

采用电火花铣削加工技术,即使用简单形状的电极进

行类似于数控铣削加工的电火花铣削技术的也是提高

的火花加工速度的一种方法,并可实现电火花加工的

自动化。尤其在加工形面复杂的工件时,电火花铣削

加工更是具有独特的优点。这是因为电火花铣削加工

技术无需制作复杂的电极,省去了电极制作的大部分

时间,因此可提高加工速度。由于电火花加工过程中

电极损耗的存在,电火花铣削加工技术必须考虑电极

损耗补偿的问题,而电火花加工过程的复杂性和众多

的影响因素,使得实现电极损耗的在线、实时补偿成

为该技术的难点和重点,因此实现在线实时补偿是该

技术的重要研究内容[19-20]。在此值得一提的是,气

体介质中电火花加工由于电极损耗非常低,在气体介

质中进行电火花铣削加工,则有利于实现或简化电极

损耗补偿,实现加工过程的自动化,减小了加工辅助

时间,是实现三维复杂形状高速加工的有利手段[21],

因此应对气中电火花技术进行深入的研究。(3)提高

电火花加工机床伺服系统的响应是提高加工速度的另

一种方法。据估算,在电火花成型加工中,抬刀、跳

跃和排屑的时间占到总加工时间的60% ~80%,电

火花有效加工时间较少,为此日本Sodick公司将直

线电机应用于电火花加工机床的伺服系统,直线电机

拥有高速度和高加速度,可使电火花的加工速度提高

40% ~60%[22-23]。同传统的电火花加工相比,直线

电机加工速度和加工稳定性好,即使是在加工排屑不

·175·第2期李立青等:电火花加工技术研究的发展趋势预测畅或者不加冲油的深小孔加工时,加工的稳定性也很

好,因此是实现电火花高速加工的有力手段。此外,

具有快速响应装置如电磁式线性驱动装置、压电元件

和磁致伸缩振子驱动装置等的应用有利于提高电火花

加工速度。(4)利用先进技术手段提高电火花加工速

度。计算机技术和智能技术等技术的发展,可促进电

火花机关技术的发展,将这些先进技术应用到电火花

加工中,可以提高电火花加工速度。目前先进的电火