（机械制造及其自动化专业论文）低电压微细电火花加工工艺研究.pdf

哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 摘要 电火花加工技术由于加工不受材料强度、硬度限制，加工时工件和工具 间无宏观作用力等优点而在微电子工业、航空航天、医疗器械以及模具制造 等许多领域内取得广泛的应用。随着现代高新技术产业特别是以i t 产业为代 表的新兴制造业的发展，其零件日益向尺寸小、重量轻、精度高的方向发展， 特殊材料的使用也与日俱增。这种以“小、精、难”为特点的加工需求，是 对制造业的新的挑战，近年来发展势头十分迅猛。在这种形势下，微细电火 花技术越来越受到人们的重视。 微细电火花加工关键是如何控制脉冲电源单脉冲放电的能量，因为单脉 冲放电能量不仅影响电火花加工表面的粗糙度，对微小尺寸工件的加工而言， 它还影响着微小工件的尺寸精度和几何精度，决定着微细电火花加工的极限 加工能力。小的单脉冲放电能量不仅能获得高质量的表面和几何精度，而且， 还能提高微细电火花加工的极限加工能力。因此，减小脉冲电源的单脉冲放 电能量是很有必要的。所以本文在查阅了大量相关文献的基础上，以微细电 极的在线制作工艺作为研究最终目的，首先从理论上分析低电压微细电火花 加工工艺的可行性，并对低压放电过程进行分析研究。从而探索低电压微细 电火花加工工艺规律，以指导微细电极的在线制作。最终针对目前的微细电 极的制作法，进行研究比较，在优先考虑效率的前提下，对反拷块法在线微 细电极制作工艺进行了深入研究，并加工出了一系列直径约3 p m 的微细轴。 关键词微细电火花加工；低电压放电；微细电极；工艺试验 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) h a sb r o u g h tm a n ys c h o l a r sa r o u n dt h e w o r l dt op a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no ni t ，b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fn o l i m i t a t i o no fm a t e r i a ls t r e n g t ha n dr i g i d i t ya n dn o n m a c r o s c o p i cf o r c e t h a tt h e s c h o l a r se x e r tt h e m s e l v e st os t u d yt h et e c h n o l o g yo fe d mb r o u g h te d mt og a i n f u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dm o r ea c t u a la p p l i c a t i o n ，s u c ha sm i c r o - e l e c t r o n i c s i n d u s t r y , a e r o s p a c e ，m e d i c a li n s t r u m e n ta n dm o u l dm a n u f a c t u r i n ga n ds oo n a s t h ed e v e l o p m e n to fh i g h - t e c hi n d u s u y ，e s p e c i a l l yi t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) i n d u s t r ya n dn e w l ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yl i k ec o m p u t e rm a n u f a c t u r i n g ，t h e p a r t sr e q u e s ts m a l l e r ，l i g h t e r ，a n dm o r ep r e c i s e t h a tb r i n g s g r e a tc h a l l e n g et o m a n u f a l c t u r i n gi n d u s t r y r e c e n t l yt h i sr e q u e s tt u r n ss t r o n g e ra n ds t r o n g e r a n d t h i sr e s u l t t h a tm i c r o e d mg a i n sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf r o mt h es c h o l a r a r o u n dt h ew o r l d h o wt oc o n t r o lt h ed i s c h a r g ee n e r g yo fo n ep u l s eo fr cp o w e rs u p p l yi s c r u c i a lt ot h et e c h n o l o g yo fm i c r o e d m b e c a u s et h ed i s c h a r g ee n e r g yo fo n e p u l s ei n f l u e n c en o to n l yt h es i z ea n ds h a p eo ft h ep a r t ，b u ta l s ot h eu t m o s t m a n u f a c t u r i n ga b i l i t y s m a l l e rd i s c h a r g ee n e r g yc a nn o to n l yg a i nf i n e r m a c h i n i n gs u r f a c e ，h i g h l ym o r ep r e c i s es i z ea n ds h a p eb u ta l s oi m p r o v et h e u t m o s tm a n u f a c t u r i n ga b i l i t y s or e d u c i n gt h ed i s c h a r g ee n e r g yo fo n ep u l s eo f r cp o w e rs u p p l yi sn e c e s s a r y o nt h eb a s i so fa g r e a tl o to fr e l e v a n tl i t e r a t u r e s a n dt h ef o r m e rr e s e a r c h ，t h ep r o c e s so fd i s c h a r g i n gh a sb e e ns t u d i e da f t e r r e s e a r c h i n go nt h ef e a s i b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n gw i t hl o w e rw o r k i n gv o l t a g e t h i s s t u d ya i m st of a b r i c a t em i c r o - e l e c t r o d eo n l i n e a n das e r i a lo fe l e c t r o d e sw i t h t h ed i a m e t e ro fa b o u t 3b mh a v eb e e nf a b r i c a t e d k e y w o r d sm i c r o e d m ，l o w e rv o l t a g e ，m i c r o - e l e c t r o d e ，p r o c e s st e c h n o l o g y 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电火花加工技术的发展与应用 自从电蚀现象引起人们的注意，人们走过了漫长的研究道路，在近三百年 的研究中，使这门历史并不算古老的技术在微电子工业、家用电器、航空航天、 医疗器械以及模具制造等许多领域内取得广泛的应用和长足的进步，并产生了 电火花穿孔成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花同步共 轭回转加工、电火花高速打小孑l 加工和电火花表面强化与刻字六大类传统工艺 方法。这些工艺方法都是比较成熟的工艺，在民用、国防生产部门和科学研 究中已经获得广泛应用，它相应的机床设备比较定型，并有许多专业工厂从事 生产制造。如今，制造业的快速发展使得传统电火花加工工艺已经不能满足加 工要求。为了满足新形势下制造业的各种不同的需求，电火花加工技术的研究 者们在不断地研究新的电火花加工方法。 1 气中放电加工技术传统电火花加工中，绝缘性工作液( 如煤油或去离 子水等) 在电火花加工中起着冷却、排屑和压缩放电通道的作用，使得电火花 加工得以稳定、可靠地进行。但液中放电加工也同样带来了加工设备庞大复杂、 电极损耗较大以及残液、废气造成环境污染等显而易见的缺点。如果能实现真 正意义上的气中放电加工，将无疑对电火花加工工艺和设备本身产生革命性的 变化，实现真正意义上的绿色制造。日本东京农工大学国枝正典等人对气中放 电加工方式进行了较为深入的研究并取得了令人振奋的实验结剿“i 。他们在研 究中发现，气中放电加工的最大优越性在于其加工过程中的电极损耗率极低并 且几乎与脉冲宽度无关，这暗示了用气中放电进行窄脉宽精微电火花加工的可 能性。 2 混粉工作液电火花镜面加工技术达到高表面质量的加工表面一直是电 火花加工技术工作者们的追求目标之一。电火花加工后的工件表面有“白层”【5 】， 很难满足精度和表面质量要求较高零件的设计和使用要求。8 0 年代末日本学者 毛利尚武等人在研究中发现，在工作液中添加一定数量的硅、铝等微细粉末， 会显著地改善电火花加工后的表面粗糙度，达到类似镜面的效果，从而提出了 混粉电火花镜面加工技术【6 ”。虽然目前对该项技术的研究还远未完善，但毕竟 人们已经看到了用e d m 实现大面积镜面加工的可能性和良好的应用前景4 1 。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 混粉工作液镜面电火花加工技术所展示出的巨大学术价值和应用前景已经引起 我国电加工学者的高度重视，一些高校与研究机构相继对此项技术进行了较为 深入的研究与探讨 1s - 1 8 。应用此项技术，目前哈尔滨工业大学已可加工出面积 为1 0 0 x 1 0 0 m m ，表面粗糙度值为r a 0 1 9 2 p r n 的光整表面1 1 9 1 。 3 混气电火花镜面加工技术混气电火花加工就是在电火花加工问隙的工 作液中混入气体，使气体以大量的微细气泡的形式参与工作。加工间隙中混入 气泡后，间隙容易被击穿。当间隙混入气泡后，均匀分布的气泡有助于放电分 散，并且气泡促使间隙电蚀产物的分布更加均匀；间隙击穿电压降低，放电间 隙距离增大，提高了加工稳定性，另外也减小了极间寄生电容的储能效应，降 低了单脉冲放电能量。因此，混气电火花加工有利于减小工件表面粗糙度值， 并能大大地提高生产率。需要指出的是，混气电火花加工间隙特性实际上是由 间隙中液、气、固三相共同作用的结果，间隙中的电场远比上述分析的复杂得 多1 2 0 , 2 1 】。 4 绝缘性陶瓷的电火花加工近2 0 年来，电火花加工在陶瓷材料的成形加 工应用研究上发展很快，导电性陶瓷的电火花加工已开始实用化，近几年来， 人们采用辅助电极法，使绝缘性材料的电火花加工成为可能，并由此积极开展 了相关研究和试验。加工时，先对辅助电极区域进行加工、再到辅助电极和绝 缘性陶瓷材料的过渡区域外，最后进入绝缘性陶瓷材料区域。“生成导电膜”起 着辅助电极的作用。这样，绝缘性陶瓷材料在被不断去除的同时，表面不断形 成新的导电膜，直至加工成所需的工件形状1 2 “。并已在赛隆陶瓷材料上加工出 的星型孔【2 3 】。 5 电火花表面处理技术随着工业现代化的发展，对设备零部件表面性能 的要求越来越高。在高速、高温、高压、重载、腐蚀性介质等条件下，零部件 材料的破坏往往自表面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化等，表面的局部破坏往 往导致整个零件的失效，因此，改善零件的表面性能显得很重要。电火花表面 处理技术就是重多表面处理技术中的- 9 十。它能在被加工表面上形成抗磨损和 抗氧化性能良好的加工表层。日本丰田工业大学毛利尚武等人对此进行了较为 深入的研究【2 4 0 “。电火花表面处理技术在模具修复中，兵器、航空、电力工业 上得到了应用，并取得了良好的经济效益，有着良好应用前景。 6 电火花铣削加工技术据统计，在通常的电火花模具制造过程中，成型 电极的制作时间与费用可达总制造周期与费用的一半以上【2 。而且由于电火花 加工过程中不可避免的电极损耗现象，决定了用同一电极完成高精度型腔粗、 精加工全过程的不易现实性。因此，自8 0 年代后，国内外众多学者纷纷开始尝 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 试使用简单形状的电极( 如棒状电极) ，借鉴数控铣削的方法进行三维轮廓的电 火花n i t 2 6 。3 4 j 。由于省去了成型电极的设计与制造过程，大大地简化了电火花 加工的工艺流程，进而提高了电火花加工对多变市场的快速响应能力。电火花 铣削加工技术的出现，给电火花成型加工提供了一个崭新的思路，使得现代飞 速发展的c a d c a m 技术、柔性制造技术、网络制造技术等能更好地融入到电火 花加工中。目前，国内外在大力研究和开发c a d c a m 在电火花中的应用技术， 其发展潜力是十分巨大的 2 6 - 3 5 】。电火花铣削加工技术已经被认为是电火花加工 技术迎接新世纪挑战的有力手段之一。 7 微细电火花加工技术微细加工技术在现代制造技术中占有极为重要的 地位，是当代尖端科技成果的集中体现，反映了现代制造技术的一个极重要的 发展方向。并在电子工业、航空航天、医疗器械等领域取得广泛的应用。 1 2 微细电火花加工技术的特点与最新工艺进展 微细电火花加工原理同一般电火花加工无本质区别，也是基于工具和工件 ( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达 到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求 3 6 1 。 1 2 1 微细电火花加工技术特点 由于加工尺寸的微细化，微细电火花加工有着不同于传统电火花加工的特 点，主要表现在以下几个方面： 1 电火花加工的放电面积很小微细电火花加工的电极一般在a 5 岫 0 1 0 0 m 之间，对于一个0 5 “m 的电极来说，假设所用为圆柱形电极，其火花 放电面积不到2 0 1 t m 2 ，在这样小的面积上放电，放电点的分散范围十分有限， 极易造成放电位置在空间和时间上的集中，增大了放电过程的不稳定性，使得 微细电火花加工变得十分困难。 2 单个脉冲放电能量要求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要求，每个电火花放电的去除量应控制在 o 1 o 0 1 啪的范围内，因此必须控制每个放电脉冲的能量在1 0 。6 1 0 7 j 之间， 甚至更d - , t 36 1 。 3 电火花放电间隙很小，排屑困难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。电火花加工的放电间隙随着加工条件的变化而 变化，数值从数微米到数百微米不等。特别是在低开路电压的情况下，间隙更 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 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应 有足够的灵敏度，且步距进给分辨率应小于0 i b m ，最好在0 0 1 u m o 0 0 1 p m 之间1 36 1 。 4 微细工具电极的制备困难为了能加工出尺度很小的微小孔和微细型 腔，必须先获得尺度更小的微细工具电极。从目前的应用情况来看，采用w e d g 技术能b 很z 好地解决微细工具电极的制备问题。但w e d g 法的加工效率太低。同时 还要求电火花加工系统的主轴回转精度很高，一般应控制在l p m 以内 3 6 o 1 2 2 微细电火花加工工艺最新研究与进展 工艺方法是任何技术走向实用化的前提。自从微细电火花加工技术诞生起， 微细电火花加工技术的工作者们就开始不断地探索其加工工艺，不断地提高微 细电火花的加工极限能力。 1 国外发展状况8 0 年代，增泽隆久等成功地研制了线电极电火花磨削技 术，使得微细电火花加工技术进入实用化阶段，并成为微细加工领域的热点研究 内容之一。如图1 1 所示，是日本东京大学增泽隆久等人利用w e d g 技术，加工出 来的2 5 9 m 的微细轴和5 p m 的微细孔，代表了当前这一领域的世界前沿口”。 a )b ) 图1 10 5 l _ t m 微小孔和0 2 5 p m 微细轴 f i g 1 1m i c r oh o l e ( 0 5 m ) a n dm i c r os h a f t ( 0 2 5 9 m ) 【3 7 1 a ) 】兜视b ) 侧视 图1 - 2 型腔中的l 8 球瓣p ” f i g 1 21 8b a l li nas q u a r ec a v i t y 【3 8 】 随着微型机械的发展s n w e d g 技术的逐步成熟，微细电火花加工技术的研究 已经逐步拓展到了微细结构的加工中。图1 2 是美国林肯大学余祖元博士加工的 1 8 微型球瓣1 3 8 1 ，其球径为9 1 5 0 9 m 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目前，微细电火花已经可以在硅材料上制造各种复杂的零件或型腔。比利 时的鲁文大学在这方面进行了较深入系统的研究唧4 0 l ，而处于m e m s 技术领军 地位的美国斯坦福大学则是利用硅蚀刻技术获得硅模具，进而采用电铸法反求 微细电极获得了具有复杂形状的微细铜电极和银钨电极1 4 1 - 4 2 j ，图1 3 是他们采用 这种技术加工的硅模具和由该模具加工的微细电极l a u 。这也从另一个侧面反应 了m e m s 技术与微细电火花加工技术正在走向融合。 a ) 硅模具b ) 铜电极 图1 - 3 微细硅模具和微细铜电极1 4 1 i f i g 1 3m i c r os i l i c o n m o l da n d m i c r oc o p p e r e l e c t r o d e 2 国内发展状况国内对微细电火花加工的研究，大都结合实际生产的需 要，集中在小孔加工上面，比如喷油嘴电火花小孔加工。九十年代以来，国内 对微细电火花加工技术的研究更为活跃，也取得了些成果。南京航空航天大 学起步较早，研究也比较系统，首次在国内加工出0 1 9 9 m ，深径比为3 1 的微 细孔。清华大学近年来开始了微细电火花加工的研究，应用w e d g 法可加工 0 4 0 9 m 的孔和槽。山东工业大学在微细电火花加工电源方面也做了很多的研究 工作。哈尔滨工业大学特种加工研究所也在这方面做了许多研究工作，在自主 开发的微细电火花加工装置上m 4 5 1 s m 的微细轴与m 8 1 a m 的微细孔口6 1 。并应用 微细电火花分层铣削技术加工出了微小三维人面图形，如图1 4 所示，代表着 国内的领先水平。综上可知，微细电火花加工技术展现着逢勃的发展力，有着 广泛的应用前景。 图1 - 4 微细电火花铣削加1 i 出的微型人脸【4 9 】 f i g 1 4as a m p l em i c r oh u m a nf a c em a c h i n e db ym i c r oe d m i l l i n g 4 9 j 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 课题来源及研究的目的和意义 随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高，如 可在狭小空间和危险场所作业的自行式微型机械，可进入管道、人体腔体内甚 至血管内进行检查和手术的微机器人等等。m e m s 技术的快速发展与应用进一 步促进了产品微小型化的进程。正是产品的微小型化又进一步促进了微机械制 造技术的发展。这使得微细加工技术受到了世界各国的普遍重视，投入了大量 的人力物力进行研究。而目前，几乎所有的微型元件都是用微电子技术，如蚀 刻、沉积和影像蚀刻技术等加工出来的。但是此种工艺复杂，费用高，受材料 影响，加工准确性差，而且加工实质上是二维的。所以加工真正三维器件就成 为m e m s 未来发展的主要挑战。目前，微细电火花加工技术是解决这一难题 的有效途径之一 4 3 】。 但是降低单个脉冲放电能量一直是进一步提高微细电火花加工能力的瓶 颈。单个脉冲能量的大小决定了单个电火花蚀坑的大小，它不仅影响电火花加 工表面的粗糙度，对微小尺寸工件的加工面言，它还影响着微小工件的尺寸精 度和几何精度，决定着微细电火花加工的极限加工能力【3 “。小的单脉冲放电能 量不仅能获得高质量的表面，高的尺寸、几何精度，而且，还能提高微细电火 花加工的极限加工能力，因此，减小脉冲电源的单脉冲放电能量是很有必要的。 目前在电火花微细加工中一般采用的r c 脉冲电源。对于一个r c 脉冲电源， 其放电能量可近似地用其电容所存储的能量来替代，所以降低r c 电源的单脉 冲能量有两个途径，即降低电容器的容值和降低电源的工作电压。然而r c 脉 冲电源的电容的容值不仅仅是电路中的标称容值，还包括各种寄生电容，对于 一般的电火花加工系统来说，其寄生电容一般在数百皮法至数千皮法之问，对 一个精密的微细电火花加工系统来说，在采取了各种措施之后，若想将其寄生 电容降至l o o p f 以内，是件非常困难的事情，而降低电电压值是条很有效的 途径p 。哈尔滨工业大学特种加工研究所的李文卓博士提出降低开路电压的可 行性，并用采用1 0 v 开路电压进行加工实验取得成功。但没有系统地研究低 电压加工。所以本文将系统的研究低压加工工艺。并采用低压工艺来加工微细 电极，为求加工出更小的轴。其更深远的意义还在于可以加工出小的微型三维 结构腔，进而制造更小的微型机械、更小的微型机器人。所以，研究在低电压 下微能电火花放电加工工艺是有着重大实际意义和长远意义，也为今后的纳米 电火花加工奠定了理论基础。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文将以微细电极的在线制作工艺作为研究最终目的，先从理论上说明低 电压微细电火花加工工艺的可行性，并对低压放电过程进行分析研究。从而探 索低电压加工工艺规律，以指导微细电极的在线加工。具体内容概括如下： 1 1 对r c 脉冲电源原理，特点进行全面分析，并验证其在低开路电压放电 加工过程中的加工特点和存在的闯题，为低电压微细电火花加工工艺规律的探 索提供指导。并试图从电源结构上找出实验中观测不到火花维持电压的原因。 2 1 在对r c 脉冲电源有了更深认识的基础上，对低电压微细电火花加工基 础工艺进行研究，探索低电压微细电火花加工工艺的加工规律，并总结其加工 特点，为微细电极的在线制作提供实验依据。 3 1 针对目前微细电极在线制作方法的不足，探索高效，高精度的微细电火 花加工方法。力争加工出国内领先水平的微细电极。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 第2 章r c 脉冲电源低电压放电过程研究 2 1r c 脉冲电源的原理和特点 电火花加工用的脉冲电源是把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电 流，用以供给电极放电间隙所需要的能量。目前主要有两种加工用电源，种 是以r c 驰张式脉冲电源为代表的非独立式脉冲电源：另一种是利用各种开关 元件制作的独立式脉冲电源。其中非独立脉冲电源的工作原理是利用电容器充 电储存电能，而后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电， 时而放电，一弛一张，故又称其为“弛张式”脉冲电源。r c 电源是弛张式脉冲 电源中最简单最基本的一种，图2 1 是其工作原理图。它由两个回路组成：个 e 圈2 - 1r c 脉冲电源示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f r cp u l s ep o w e rs u p p l y 是充电回路，由直流电源e 、充电电阻r ( 可调节充电速度，同时限流以防电流 过大及转变为电弧放电，故又称为限流电阻) ，和电容器c ( 储能元件) 所组成； 另一个回路是放电回路，由电容器c 、工具电极和工件及其间的放电间隙所组 成。当直流电源接通后，电流经限流电阻r 向电容c 充电，电容c 两端的电压 按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电 压，因此当电容c 两端的电压上升到工具电极和工件间隙的击穿电压时，间隙 就被击穿，间隙的阻抗变得很小，电容器上储存的能量瞬时放出，形成峰值较 大的脉冲电流。电容上的能量释放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液 又迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又重复前述过程。如果间隙过大， 则电容器上的电压按指数曲线上升到直流电源电压。 r c 线路脉冲电源的优点为： ( 1 ) 结构简单，工作可靠，成本低； ( 2 ) 在小功率时可以获得很窄的脉宽( 小于o 1 s ) 和很小的单个脉冲能量，可 用作光整加工和精微加工。 r c 线路脉冲电源的缺点是： 堕玺鎏三些奎耋三耋堡圭兰竺彗兰 ( 1 ) 电能利用效率很低，最大不超过3 6 ，因大部分电能经过电阻盖时转化 为热能损失掉了，这在大功率加工时是很不经济的； ( 2 ) 生产效率低，因为电容器的充电时间比放电时间长5 0 倍以上，脉冲间 歇系数太大； ( 3 ) 电源本身并不“独立”形成放电脉冲，因而放电频率、宽度、单个脉冲 能量等都不稳定【1 】。 2 2r c 电火花脉冲电源放电过程研究 1 火花维电压的实验观测为了研究r c 脉冲电源的放电过程，本文设计 了如下实验。实验方案如图2 - 2 所示，实验的目的是在确保存在电极间隙，即 在完全避免短路现象可能出现的前提下，使工件与电极产生火花放电，观察r c 电源火花放电无短路时的电压波形，以此来研究r c 电源放电特征。 图2 - 2 火花放电观察系统 f i g 2 - 2s y s t e mt oo b s e r v ed i s c h a r g ew a v e f o r m 实验所用器材有： ( 1 ) 0 2 5 0 v 连续可调的直流电源； ( 2 ) r c 脉冲电源( 参数为r = 3 7 0 0 q ，c = 3 0 0 0 0 p f ) ( 3 ) 电极对( 材料分别是铜丝和紫铜块) ； ( 4 ) 工作介质采用煤油； ( 5 ) 高频示波器，采用t e k t r o n i x 3 6 0 数据存储示波器双通道输入，其最高测 量频率为2 0 0 m h z ，且具有下降沿触发功能。 实验步骤如下： ( 1 ) 将电极对调至适当的间隙，然后将电极对锁定，确保电极间隙不变，以 充分避免短路现象出现： ( 2 ) 将电极间隙用工作介质，即煤油填充，使其与真正的电火花加工状态一 致；7 ( 3 ) 调整示波器使其处于合适的频率和幅值工作段，并将示波器调至下降沿 触发功能档； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 使极间电压从o v 开始，逐渐增大，直到放电击穿为止； ( 5 ) 用示波器记录下此次火花放电的波形，即得到了完全避免出现电极短路 发生的前提下，r c 脉冲电源火花放电的波形图； ( 6 ) 将示波器记录的波形输出存入计算机中： ( 7 ) 调整间隙，重复实验。 _ i ：；l。r a ) 1 5 0 v 时击穿电压波形 1 ，_ _ 厂 蓝淑 电1 , 3 7 。 搿嚣嚣蛆 裂 嚣猫“ b ) 1 0 0 v 时击穿电压波形 。一 盛裂 c h ：t ：嚣胃们 臻罐搜 c h l i t a v m p i 接2 憾5 “ c ) 5 0 v 时击穿电压波形d ) 3 0 v 时击穿电压波形 图2 - 3 电压高于常规电火花维持电压时的放电波形l j ” f i g 2 3d i s c h a r g ew a v e f o r m sw i t hh i g h e rv o l t a g e st h a nm a i n t a i n i n gv o l t a g eo f o r d i n a r ye d m l 3 6 图2 - 3 3 6 】是本研究所李文卓博士采用上述实验方法选择其中的具有代表性 的四组r c 脉冲电源火花放电的波形图。其中图a ) 表明介质是在1 5 0 v 时被击穿 的，证明此时放电间隙较大。调整不同的放电间隙，分别获得图b ) - - 1 0 0 v 、图 c ) - 一5 0 v 、图d ) - - 3 0 v 、击穿时的火花放电波形。 从这些波形图上看，尽管每次放电的电压不是相同的，但其波形却是非常 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 相似的。这些波形图清晰地显示，r c 电源放电时电压变化情况，极间电压在间 隙介质被击穿，放电通道形成后，迅速下降，直至为零，甚至有一定的过冲， 与晶体管脉冲电源不同的是在常规电火花a n t 的维持电压区域( 2 0 v 3 0 v ) 没有 任何停顿、缓冲等类似于维持电压的异常现象。而且，所测试的r c 脉冲电源 的放电波形除了具体电压值有所差别外，其放电波形是非常相似的。本人重复 了上述实验并，得到了相同的实验结果。 为了观测低电压下r c 脉冲电源的放电过程，设计如下实验： 具体实验步骤如下： ( 1 ) 调节r c 供电电源电压至预定值； ( 2 ) 将电极对置于煤油中； ( 3 ) 调整示波器使其处于合适的频率和幅值工作段，并将示波器调至下降沿 触发功能档； ( 4 ) 驱动进给机构进给，减小电极间的间隙，直到产生放电击穿为止； ( 5 ) 用示波器记录下此次火花放电的波形，即得到在该电压下的r c 电源火 花放电波形图： ( 6 ) 将示波器记录的波形输出至计算机中； ( 7 ) 重新调定电压，重复上述步骤，进行下一次实验。 此次选取的r c 电源供电电压值分别是2 0 v 和1 0 v ，放电波形如图2 - 4 所 示。 a ) 2 0 v 时击穿电压波形b ) 5 v 时击穿电压波形 图2 - 4 电压低于常规电火花维持电压时的放电波形 f i g 2 - 4d i s c h a r g ew a v e f o r m sw i t hl o w e rv o l t a g e st h a nm a i n t a i n i h gv o l t a g eo f o r d i n a r ye d m 从所获得的放电电压波形并结合前述实验波形来看，各种电压下的单个脉 冲放电波形是非常相似的，表明其放电过程完全相似，并无本质区别，只是具 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 体参数有所不同。这也表明使用r c 脉冲电源时，电火花加工可以在低于常规 电火花维持电压的超低电压下迸行，而此时的电火花加工与高于常规电火花维 持电压的电火花加工并无本质上的区别，只是在具体参数上有所差异而已。 2 火花维持电压的说明通过分析晶体管脉冲电源和r c 脉冲电源结构上 的差异，本文认为r c 脉冲电源之所以会产生如此放电波形，是由r c 脉冲电原 的结构决定的。r c 脉冲电源的结构原理图如图2 4 所示。 电极 间隙 图2 - 5r c 脉冲电源结构原理图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f r cp u l s ep o w e rs u p p l y 图2 - 6 晶体管脉冲电源示意图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a n s i s t o rp u l s ep o w e rs u p p l y 通常电容c 1 是一个电容值很大的电容，它起着稳定电压的作用。电容器 c 2 与电阻r 组成r c 脉冲电源的r c 回路。当电极和工件间间隙达到放电条件 时，电容c 2 通过电极和工件迅速释放电能，电容器c 2 两端的电压迅速降低， 这时电容器c 1 通过电阻r 向电容器c 2 充电，其充电的时间常数( 纳秒级) 远 远大于c 2 通过电极和工件放电的时间常数( 与脉宽有关，一般为毫秒级) 此时 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 相当于c 2 将c 2 前端电路和c 2 与电极、工件组成的放电回路隔离开来，所以， 此时r c 脉冲电源无法像晶体管电源那样提供维持火花所需要的能量，即不能 提供火花维持电压。 而晶体管脉冲电源，其原理如图2 - 6 所示，晶体管主振级z 是一个不对称 多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号，以后经放大级f 放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。末级晶体管起着“开、关”的作 用。它导通时，直流电源电压u 即加在加工间隙上，击穿工作液进行火花放电 后，这一电压仍然加在间隙上。在这一点上，与r c 脉冲电源是不同的，r c 脉 冲电源在放电时，放电回路与前电路是隔离开来的，所以晶体管电源能观测到 火花维持电压，而r c 脉冲电源观测不到火花维持电压。 通过上述实验说明，r c 脉冲电源低压放电过程和高压放电过程并无本质区 别，这为本文进行低压放电工艺研究提供了理论依据和实验依据。所以本文继 续对低电压下微细电火花加工工艺进行研究。本文将从基础工艺做起，研究低 压放电加工表面质量情况和采用低电压加工微细轴的工艺。 2 _ 3 本章小结 本章针对r c 脉冲电源放电的过程进行了研究，观测了不同电压下的放电 波形，从波形上看，各种电压下的单个脉冲放电波形是非常相似的，表明其放 电过程完全相似，并无本质区别，只是具体参数有所不同。这也表明使用r c 脉冲电源时，电火花加工可以在低于常规电火花维持电压的超低电压下进行， 而此时的电火花加工与高于常规电火花维持电压的电火花加工并无本质上的区 别，只是在具体参数上有所差异而已。并从电源结构上入手，说明为何会产生 如此的放电波形，以及在r c 脉冲电源放电过程中观测不到像晶体管脉冲电源 放电时的火花维持电压现象。 哈尔滨工业大学t 学顾卜学位论文 第3 章低压微细电火花基础工艺研究 3 1 开路电压对电极损耗的影响 电火花加工的电极损耗问题一直是影响电火花加工技术精度的关键因素之 一。为了获得较高的加工精度，势必要清楚地知道在加工过程中的电极损耗规 律。本文试图通过降低开路电压来达到降低单个脉冲放电的能量，来提高加工 精度，所以很有必要研究开路电压对电极损耗的影响。本文将设计如下试验来 研究不同开路电压下的电极损耗情况。 出于线电极磨削法加工微细电极时加工效率太低，并且装置复杂，所以本 文采用反拷块法加工微细电极。实际上，反拷块的加工面不但不是一个理想的 竖直面、具有一定的斜度，而且加工面由于反拷块材质不均匀，存在硬质颗粒。 所以，在用反拷块电火花加工方法加工电极时，加工出来的电极往往不是一个 等直径的轴。加之，测量微细电极的测量手段限制，想精确测量出电极的直径 具有一定的难度，这给测量电极的相对损耗带来很大困难。所以，本文采用线 损耗的概念。这样大大提高的实验效率。 电极损耗大小通常用电极体积相对损耗比裸衡量的，可定义为： r = 圪匕1 0 0 ( 3 1 ) 式中圪电极蚀除体积 k + 工件蚀除体积 2 _ c - d 1 图3 - 1 电极损耗实验原理幽 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o d ew e a l - e x p e r i m e n t 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 电极体积损耗比是一个相对概念，它反映了在特定的加工条件下，电极与 工件之间的相对蚀除速度。在用电极打孔时，如图3 1 所示，h l 为等厚薄工件 的厚度，h 2 为电极损耗的长度。由于电极和工件之间的放电间隙很小，在孔被 加工通的时候，d l r d 2 。所以，电极相对损耗玎= v d v , = d l d 2 。这是由于，在加 工孔的过程中，在忽略放电间隙的情况下，电极端部的放电面积与所加工孔的 面积在每时每刻近似相等。利用这一原理，只要测出矗1 和矗2 就可以测出电极 的相对损耗，也就是线损耗比。按照上述原理来设计实验，实验原理如图3 1 所示，考虑到要研究低开路电压的电极损耗情况，本实验选用大的标称电容值。 由于电极端部损耗的存在，为了将薄工件的孔打通，在实验过程中要考虑留出 余量来补偿电极端部的损耗，其值的大小在进行多次加工后可凭经验确定。在 本实验中，工件材料为工具钢，厚度厅1 是已知的，为4 0 9 m ，电极选用铜丝电 极。舱是利用电火花机床的接触感知功能，在加工前后对同一点分别进行接触 感知，两次的接触感知的z 轴坐标差值即为加。实验步骤如下： 1 1 将标称电容值设为4 0 1 0 0 p f ，电流值设为l 档( 此时充电电阻值为 3 7 0 0 q ) ，进给、回退延时档分别设为0 。 2 ) 将装夹好的铜丝电极、待打孔工件和反拷块一同浸入煤油中，并旋转铜 丝，移动铜丝在反拷块上端面进行接触感知，并设定z 轴坐标为零。 3 ) 忽略接触感觉功能，先向z 轴正向移动铜丝，使铜丝离开反拷块一定距 离，避免在水平移动铜丝时与反拷块发生碰撞，后将铜丝移出不能和反拷块发 生干涉的位置向z 轴负向移动，并使z 轴坐标值为2 ( 即加工长度为2 m m ) 。 4 ) 旋转交流调压器，将开路电压值调到8 0 v ，采用正极性对铜丝加工，即 铜丝电极接正极，反拷块接负极。调用数控加工程序进行加工，以尽量减小铜 丝偏心。此时径向进给深度为0 1 m m 。 5 ) 加工后完成后，移动铜丝在工件上端面进行接触感知，并设定x 、y 、 z 轴坐标值为零。此点将作为接触感知点，即每次打完孔后，回到此来测量电 极端部损耗量h 2 。 6 ) 忽略接触感觉功能，先向z 轴正向移动铜丝，使铜丝离开工件一定距离， 避免在水平移动铜丝时与工件发生碰撞，后将铜丝移到适当位置改变极性，将 工件接正极，铜丝接负极进行加工。 7 ) 加工后完成后，忽略接触感觉功能，先向z 轴正向移动铜丝，使铜丝离 开工件一定距离，避免在水平移动铜丝时与工件发生碰撞，后将铜丝移到零点 向z 轴正向进行接触感知，记录此时z 轴坐标值，其绝对值为该开路电压下的 电极端部损耗量。并将z 轴坐标值重新设为零。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 1 忽略接触感觉功能，先向z 轴正向移动铜丝，使铜丝离开工件一定距离， 避免在水平移动铜丝时与工件发生碰撞，后将铜丝移到适当位置进行加工。 9 ) 重复第7 ，8 步，并改变开路电压值，直至实验完成，并记录相关数据。 量 一 删 耀 辑 辎 脚 一一 t| 、 ，、 01 02 03 04 05 0 6 07 08 09 0 开路电压( v ) 图3 - 2 电极损耗曲线 f i g 3 - 2c u r v eo f t h ev a l u eo f e l e c t r o d ew e a l 实验测得的结果曲线如图3 2 所示。从实验结果曲线上可以看出，随着电 压的降低，电极损耗也逐渐降低，低电压加工时的电极损耗比高电压加工时的 电极损耗小。但在开路电压低于某一值后加工时，随着开电路电压的降低电极 损耗却不是降低，而是逐渐提高。这是由于，在低开路电压加工孔时，排屑的 不通畅，导致电极与加工蚀除下来的碎屑多次放电。所以，加大的了电极的损 耗量。从图中可以明显地看出，开路电压在1 5 v - 2 0 v 范围内，电极损耗量相当 小，相对损耗率仅有1 。这说明采用低开路电压进行加工，能有效地减小电极 的损耗量，为低电压工艺进行高精度加工提供了实验依据。 3 2 力n - l - 效率的影响因素分析 在如今高速发展的社会里，产品的更新换代速度越来越快。因此，高效的 加工法更容易获得人们的青睐。由于采用低开路电压进行加工时，单脉冲能量 比较小，加工效率比采用高开路电压加工时的加工效率小很多。但为了寻求比 较高的加工精度和较高的微细电火花加工技术的极限加工能力，势必要减小单 脉冲放电的能量，以减小单次放电蚀除凹坑的大小。所以，有必要研究一下与 单次放电能量有关的主要参数对加工效率的影响规律，以便在兼顾加工效率和 哈尔滨工业人学 t 学硕上学位论文 加工精度的情况下，设定低开路电压工艺的加工参数。所以本文分别探索丌路 电压对加工时间的影响规律，放电电容对加工时间的影响规律和单脉放电能量 对加工时间的影响规律。 3 2 1 开路电压对加工效率的影响 降低开路电压是降单脉冲放电能量的一种非常有效的方法。所以本文首先 来设计实验研究在同等加工量的情况下，在其它参数不变的情况下。不同丌路 电压对加工效率的影响。通过加工相同直径，相同深度的小孔来保证加工量相 等。实验原理如图3 1 所示，是利用电极来加工具有一定厚度( 4 0 1 x m ) 的工具 钢材料工件，为了保证孔径相等，减小电极损耗的影响，电极每次沿孔径方向 上多迸给一个工件的厚度。由于电极在很小长度内，可以看成是一个等直径的 电极，所以加工出来的孔径近似相等，加工去除的工件体积相等。实验结果曲 线如图3 3 所示。 荡 一 厘 茸 h 目 0 2 0 4 06 0 8 01 0 0 开路电压( v ) 图3 - 3 电压对加 ：时间的影响曲线 f i g 3 3c u r v eo f m a c h i n i n gt i m ev e r s u sw o r k i n gv o l t a g e 从图中可以看出，随着开路电压值的增大，加工时间变小。从曲线的变化 趋势来看，此曲线类似一个二次反比例曲线，这说明开路电压对加工时间有着 很大的影晌。当开路电压降到3 0 v 以下，随着开路电压的降低，加工对阊迅速 升高，当开路电压高于3 0 v 时，随着开路电压的升高，加工时间下降的不是十 分明显。说明开路电压在3 0 v 以下时，对加工时间的影响非常地大；在3 0 v 以 上，对加工时间的影响相对很小。所以，在进行低开路电压加工时，在满足加 工精度和加工能力的前提上，尽量采用