超声电火花复合加工的研究进展.docx

超声电火花复合加工的研究进展哈尔滨工业大学机电学院 袁松梅赵万生刘维东哈尔滨工业大学威海分校 栾英艳 摘要概括了目前国内外超声电火花复合加工技术的最新进展 , 介绍了其结构和工作原理 , 并指出了其发展趋势 。关键词 : 电火花加工 超声加工 复合加工AbstractBased o n vast co nferences , t his paper summarizes t he p resent ult raso nically assisted EDM , int ro2duces it s co nfiguratio ns and mechanisms and point s out t he t rends of micro EDM .Key words :EDMult raso nic machiningco mpound machining了详细的研究3 。其实验条件为 : 开路电压 40V ,放电间隙 011mm , 电极的超声振动频率 22 k Hz , 振 幅 3m 。结果显示 , 大部分碎屑呈现轻微椭圆度的球形 , 除 有 个 别 的 中 空 结 构 外 , 其 余 均 为 实 体 结构 。电源的脉冲特性明显影响到形成碎屑的尺寸 , 在超声的作用 下 碎 屑 颗 粒 的 椭 圆 度 减 小 , 颗 粒 尺 寸 、铜电极的蚀除量和碎屑碰撞的剧烈程度均有明 显的增加 。同时 , 实验者指出放电间隙中附加超声 辐射场对 EDM 将产生下面的影响 : 空化作用加剧 , 增大了放电区中颗粒碰撞 的随机性和剧 烈 程 度 , 使 形 成 碎 屑 颗 粒 的 尺 寸 变大 ; 放电区中颗粒的受力更复杂 , 增加了超声 场辐射力的作用 ; 放电区中声流场交替地变化加速了电解液 的循环和扰动效果 。英国的 RODN E Y W. J . 等人在 1990 年 申 请 了电火花超声复合穿孔的专利4 。该装置如图 1 所 示 。主要用于加工在导电基上有非导电层的零件 ,例如 : 在金属基上涂有压电陶瓷层的零件 。整个加工过程分两个阶段进行 : 首先用超声振动将非导电 层去除掉 , 当传感器感知金属层出现时 , 即刻改用 电加工的方法进行加工或电火花与超声复合的方法 进行加工 。该 装 置 在 电 火 花 加 工 ( EDM) 的 基 础 上附加超声加工 ( U SM) , 有效地解决了具有导电 层和非导电层零件的加工问题 。罗马尼亚 Polytechnical Instit ute of Bucharest 的S T. ENACHE 等人对工具电极在振动力作用下的 电火花加工进行了研究 。建立了电极在外力振动情在电火花微小孔加工中 , 由于被加工孔的孔径细微 (015mm 以下) , 加工时放电间隙狭小 ( 1m左右) , 电 蚀 产 物 易 聚 积 在 孔 的 底 部 , 排 屑 困 难 ,稳定的放电间隙范围小且容易受其它工艺参数的影 响 , 易造成频繁的短路和非正常的放电 ; 同时 , 为达到较高的加工尺寸精度和表面精度 , 常采用减小单个脉冲放电能量的方法 , 减小材料的蚀除量 , 降 低了加 工 速 度 ; 另 外 , 由 于 微 孔 加 工 工 具 电 极 细微 , 当深径比较大时 , 异常放电易烧毁工具电极 ,造成加工不能稳定进行 , 可加工范围变窄 , 使传统 的电火花加工在微细加工中不能成为有效的加工方法1 2 。目前常采用的提高电火花加工能力的方法 , 如 人工排气法 , 强迫冲液或抽液法 、加速工作液循环 等方法 , 常因加工条件或加工要求的限制而无法实现 。因此 , 为改 善 电 火 花 加 工 性 能 , 在 微 细 加 工 中 , 采用超声电火花复合加工是非常有效的手段 。 在电极上附加超声振动 , 就可以使电极端面频繁进入合适的放电间隙 , 提高火花击穿的概率 ; 同时由于超声的空化作用和泵吸作用 , 可以增大被加 工材料的去除量 , 加速工作液循环 , 改善间隙放电 条件 , 从而提高被加工孔的深径比 、加工稳定性 、生产率和脉冲电源的利用率 , 并且在振幅得到良好 控制的情况下 , 可以获得更高的加工精度 。1 超声电火花复合加工的研究现状111 国外的研究现状1986 年 , 印 度 Madras 工 业 大 学 的 V1S.R.MU R T I 和 P. K. P HIL IP 使用扫描电子显微镜对火花间隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行18 航空精密制造技术1998 年第 34 卷第 6 期间隙间很大的压力变化导致更有效的放电 , 这样就能从弧坑中去除更多融化的金属 , 使热影响层减 小 , 热残余应力降低 , 微裂纹减小 。日本的 Yoshi hito IMA I 等人研究了压电高频响 应驱动器对电火花加工速度的影响 , 指出高频振动 对使 用 工 作 液 的 精 加 工 ( 10m R max ) , 高 光 滑 面 (1m R max) 和 240m 微孔的加工速度可提高 115215 倍 。112 国内的研究现状在我国 , 中 国 纺 织 工 业 大 学 、哈 尔 滨 工 业 大 学 、南京航空航天大学 、山东工业大学 、北京电加工研究所 、苏州电加工机床研究所等单位进行了超 声电火花复合加工的研究 。80 年代初 , 中国纺织工业大学的贺 庆 华 等 人 进行了超声在精微小孔电火花加工中的应用和超声 回转微孔电火花加工的研究 , 采用超声频率 18 k Hz 29 k Hz , 振 幅 1m 20m , RC 脉 冲 电 源 ;0101mm 、0113mm 、0117mm 钨 丝 电 极 ; 去 离子 水 工 作 液 ; 1Cr18Ni9 Ti 不 锈 钢 工 件 , 用 电 源电压 200V 进行超声电火花复合加工微小孔 实 验 , 他们指出 , 采用超声 RC 非独立式脉冲电源比单纯 采用的 RC 非独立式脉冲电源其最大加工速度提高4 倍左右 , 而最大加工速度提高近十倍 , 可加工孔 深增加 。贺庆华等人认为加工效率提高的原因是由 于超声空化作用使电火花加工中的电蚀产物从放电 间隙中细化并 抛 出 , 从 而 提 高 了 脉 冲 电 源 的 利 用图 1 超声电火花复合穿孔装置形下的数学模型 , 该外力来源于放电区的气化和空 化作用所形成的放电间隙中压力波的变动 , 通过这 种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性 。 虽然这种作用非超声附加的效果 , 但可直接预示超 声 - 电火花复合加工必将改善 EDM 的加工性能 。1989 年法国的 D. Kremer , J . L . L ebrun , B . Hosari 和 A. Mosisan 系 统 地 研 究 了 超 声 振 动 对 电 火花加 工 性 能 影 响5 6 。图 2 是 D. Kremer 等 人自行设计的超 声 复 合 电 火 花 加 工 装 置 简 图 。实 验中 , 工 件 采 用 35NCD16 钢 ( C : 0135 % ; Ni :315 % ; Cr : 116 % ; Mo : 0124 % ; Mn : 014 % ; Si : 0123 %) , 电极为石墨 , 工作液为 D EL - HEL D IM E82 , 电流 密 度 为 1 10A/ cm2 , 脉 冲 周 期 为 5200s , 上下冲油 , 振幅分别为 4m 和 8m 。结 果表明 , 超 声 振 动 提 高 了 加 工 速 度 , 粗 加 工 提 高10 % , 精加工提高 400 % , 使加工过程稳定 , 特别 是精加工时尤为突出 , 精加工时可稳定加工的面积增大 , 电极损耗增加 10 % 15 % , 振幅为 85 %15 % , 振幅为 4 , D. Kremer 等人认为电极的超声 振动改善加工过程的主要原因是 : 电极表面的高 频振动加速了工作液的循环 , 使间隙充分消电离 ;率7。哈尔滨工业大学杜松岩在导师刘晋春教授的指导下进行了方波电源超声电火花复合加工研究 , 他指出 , 窄脉宽精微加工时 , 超声振动不仅起到促进 排屑作用 , 而且使电蚀产物在电极间分布均匀 , 使 击穿沿时缩短 , 最主要的是大幅度提高了脉冲的利 用率 , 从而显著地提高加工速度 ; 在大面积 、长脉 冲 、大峰值电流的粗规准加工时 , 超声振动不能提高速度 ; 超声复合电火花加工的工艺效果与加工面积 、电极形状有关 , 加工面积较小时效果显著 , 特 别适用于微小孔 、窄缝的加工 。哈尔滨工业大学的郭永丰在国内首次提出了超 声电火花同步复合加工小孔技术 , 使超声复合电火 花加工速度提高了 20 % 50 % , 并提 出 了 放 电 概 率间隙的概念8 。他认为 , 若使电极端面的超声振 动与电火花脉冲放电同步起来 , 电极端面的超声振 动引起间隙随超声振动周期性地减小和增大 , 每经过一次超声振动 , 间隙变化一次 , 在间隙减小到最小间隙之前 , 产生一次电火花瞬时击穿放电 , 理论 上间隙每周期性地变化一次 , 就能引起一次电火花图 2 D. Kremer 等设计的超声电火花复合加工装置简图超声电火花复合加工的研究进展19 放 ,电的超声和电火花复合加工 。80 年代末 90 年代初 , 北京电加工研究所曹凤 国等人进行了超硬工具材料电火花超声波复合抛光 方法的研究 , 并用于聚晶金刚石拉丝模孔的研磨抛 光 。苏州电加工机床研究所陈钟燮 , 许亦先等人进 行了超声 - 电火花复合研磨抛光技术研究 , 并分析 了工艺性能和加工特点 。90 年代初 , 山东工业大学贾志新等 人 对 超 声 频间隙脉冲放电加工进行了研究 , 并对陶瓷进行了加工实验 , 分析了放电特性和加工特性 , 贾志新等人研制的超声频 间 隙 脉 冲 放 电 加 工 原 理 如 图 3 所 示 。其工作原理如下 :其加工过程如 下 : 将 电 火 花 电 源 设 计 成 较 大 的 容量 , 采用 U S - EDM 复合加工 , 将所加工的工件快 速加工透 , 一旦加工透 , 将电火花电源容量减小 , 保持超声波振荡的振幅恒定 , 并在工具电极与工件 间加入磨料 , 在保证主轴以一定的慢进给条件下加 工一段时间即可 。实验结果表明 , 采用普通的电火 花加工后 , 工件表面的粗糙度为 Ra 215m , 再进行1min 左右的超声波电火花磨料复合加工 , 表面粗 糙度达到 Ra 0116m12 。南京航空航天大学的钱军等人进行了工件激振 式复合电火花微细孔加工的研究1 。它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于 , 通过工件的微 幅激振改善微细电火花加工工作液的循环 , 进而提 高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深 径比 。装置如图 4 所示 。作者进行了不同激振驱动 电压对加工速度的影响实验 , 得到下面结论 : 随着 激振驱动电压 峰 值 的 增 加 , 相 应 的 压 力 波 幅 值 增 大 , 其对工作液的扰动作用也更强烈 。由此改善排屑和工作液循环 , 提高放电脉冲的利用率 。使加工速度得到提高 。又进行了不同工件厚度的加工对比 实验和不同工件材料的加工对比实验 。得出结论 : 工件越薄 , 排屑越有利 , 加工速度提高的越快 ; 复 合加工对不同工件材料均有提高深径比的作用 。作 者认为这主要由于工件激励后加工间隙内工作液中 压力波剧变的冲击和扰动作用 , 这有助于改善电火 花微细加工的排屑条件 , 提高放电脉冲的利用率 ,使加工速度得到提高 , 并使微细孔电火花加工的深径比得到提高 。图 3 超声频间隙脉冲放电加工原理图当两个分离的电极 (工具电极和工件电极)浸入到电解液中 , 加一电压 , 阴极发生电子冷发射 ,并随之在特定的区域产生离子化状态 。由于液体介 质的消电离作用 , 使离子化过程显著衰减 , 在距阴 极一定距离处电离作用就会终止 。当提高电压时 ,会加强离子化作用 , 并使离子化区扩大 。当电压提高到某一值时 , 使离子化状态足以形成从阴极到阳 极的电子流 , 产生放电 , 这时的电压值就成为极限 放电电压 。若令两电极间的电压不变 , 而逐渐减小 两电极间的距离 , 当距离小到某一值时 , 也会从阴 极到阳极形成电子流 , 产生放电 。不仅电压脉冲可 形成火花放电 , 周期改变极间间隙同样可形成火花 放电 , 这样可以用普通的直流电源代替专用的直流脉冲电源 , 通过极间间隙的周期变化 (间隙脉冲) ,实现放电加工 。超声频间隙脉冲放电加工技术就是 根据这一原理提出的9 11 。哈尔滨工业大学的金长善等人 , 在 97 年对喷 丝板超声波电火花磨料复合加工进行了研究 , 在一 定程度上解决了生产率与表面粗糙度之间的矛盾 。图 4 工件激振式复合电火花加工装置2 超声电火花复合加工的发展趋势和展望 现有的超声电火花复合加工的理论还不成 熟 , 今后 , 应在其理论上进行更加深入的研究 , 以达到更好地利用其进行加工的目的 。 随着机电一体化技术及相关技术的发展 , 超声电火花复合加工机床向着精密化 、小型化的方 向发展 , 以扩大其应用的广度和深度 。20 航空精密制造技术1998 年第 34 卷第 6 期总之 , 随着超声电火花复合加工理论的不断深入 , 装置的不断成熟 , 必将有越来越广泛的应用领 域和广阔的应用前景 。of Synchro nizing Ult raso nic Vibratio ns wit h Pulses in EDM . Annals of t he CIRP , 1991 , 40 ( 1) : 2112147 贺庆华 , 王 才 立 , 徐 仁 等. 超 声 回 转 微 孔 电 火 花 加 工 , 电加工 , 1984 , ( 1) : 32368 郭永丰. 超声电火花同步复合加工小孔技术的研究.哈尔滨工业大学博士学位论文 , 19959 贾志新 , 张建华 , 艾兴. 超声频间隙脉冲放电加工的 放电特性和加工特性的理论研究. 电加工 , 1994 , ( 6 ) :252810 贾志新 , 张建华等. 超声频间隙脉冲放电加工研究- I I I 加工特性的理论分析. 新技术新工艺 , 1996 , ( 1 ) :91011 贾志新 , 张建华等. 超声频间隙脉冲放电加工研究- IV 加工特性的实验研究 , 新技术新工艺 , 1996 , ( 2 ) :181912 金长善 ,