特种加工技术最新研究进展——第16届国际电加工会议论文综述.pdf

电加工与模具 2 0 1 1 年增刊 专 稿 综 述 特种加工技术最新研究进展 第 1 6届 国际 电加工会议论文综述 赵万生 康小明 吴 杰 王 丹 上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室 上海 2 0 0 2 4 0 摘要 通过对 第 1 6届 国际电加 工会议 论文进 行 综述 介绍 了近几 年 来 国际特 种加 工领域 的 最 新研 究进展 主要概 括 了电火花加 工 电化 学加 工 电化 学放 电加 工及 激光加 工等研 究成 果 关键词 国际会 议 特种 加工 电火花加 工 电化 学加 工 电化 学放 电加工 激 光加工 中图分 类号 T G 6 6 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 1 S O一0 0 1 4 1 3 Re ce nt Pr o g r e s s o f No nt r a d it io n a l M a ch in in g Te ch n o lo g ie s S u mma r iz in g t h e P u b l is h e d P a p e r s in I S EM X V I Z h a o W a n s h e n g Ka n g Xi a o min g W u J ie W a n g Da n S h a n g h a i J ia o To n g Un iv e r s it y S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 Ch in a Ab s t r a ct Th i s p a p e r in t r o d u ce s t h e l a t e s t p r o g r e s s o f n o n t r a d it io n a l ma ch i n i n g NTM t e ch n o l o gi e s i n r e ce nt y e a r s b y s umma r i z i n g t he p ub li s h e d p a p e r s in Th e 1 6 t h I nt e r n a t i o n a l S y mp o s iu m o n El e ct r o ma ch i n i n g I S EM X i Th i s p a p e r ma in ly i n clu d e s e l e ct r ica l d is ch a r g e ma ch i n in g E DM e le ct r o ch e mica l ma ch in in g ECM e le ct r o ch e mi ca I d is ch a r g e ma ch i n in g E CDM l a s e r ma ch in in g a nd o t h e r n o nt r a di t i o n a l ma ch in in g t e ch n o lo g i e s Ke y wo r ds in t e r n a t i on a l s y mp o s iu m NTM EDM ECM ECDM la s e r ma chi nin g 第 1 6届 国际 电加 工 会议 I S E M X 于 2 0 1 0 年 4月 1 9日至 2 3日在上 海举行 国际电加工 会议 是 国际生产 工 程研 究 院 CI R P 的系 列 国际会 议 之 一 也是 国际特种 加工学 术界最 高级别 的学术 盛会 本届 国际 电加工 会议 是 首次 在 中国举 行 由中 国机 械学 会特种 加工 分 会 主办 上 海 交通 大 学 承办 会 议实际 录用 了来 自世界 各地 的论 文 1 4 6篇 其 中 1 9 篇为展示论文 1 2 7篇收录人会议论文集 P r o ce e d in g s o f t he 1 6t h I n t e r n a t io n a l Sy mp o s i um o n Ele ct r o ma ch in in g 本文对收录到论文集中的部分论文进 行 了综述 期望对 国 内从 事 特 种加 工研 究 和 开发 的 人 们 了解 国际上 最新 的研 究动 态有所 帮助 1 电火 花成 形 加 工 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 0 第一作者简介 赵万生 男 1 9 5 7年 生 教授 1 4 1 1 基础 理论 的新 进展 E t 本东 京大 学 的 Ma s a r o n i Ku n ie d a 从 极 间 气 泡 等离子体 通道 的产生与 发展 极 间能量 的分 布等 多个 角度 对 电火 花加 工 放 电间 隙 中 的基 本 现象 和 基础理 论进行 了研究 通 过 对 流场 的仿真 得到 在 液 中进 行连续 的 电火 花加 工 时 放 电 间隙 大部 分 被 放 电过程产 生的气 泡所 占据 即使 在有 一定 冲液 的 情况 下 被气 泡 占据 的极 间加 工 面积也 可 达 到 5 0 以上 因此 液 中连 续 电火花 加 工 与气 中放 电加 工 更加 接近而 非单纯 的液 中单 次放 电 其 所产生 的加 工 屑的大小 分布介 于液 中单 次放 电和气 中单次放 电 之 间 图 1 通 过采用 高速摄 影 机对 单脉 冲 放 电产 生的等离子体区域进行观测 得到在极间介质击穿 后 等离子体通道的直径会在数微秒内增大到极间 距离 的数倍 也 明显 大 于 电蚀 坑 的直 径 通过 对 极 间 能 量分 布 的研 究 得 出在 微 细电 火花加 工 中损 失 专稿 综述 电加工与模具 2 0 1 1 年增刊 在极 问 的能量 大约 占到 8 5 明显 高于 常 规尺 度 下 的电火花 加工 因为 大部 分 能 量 被 消耗 在等 离 子 体 通 道 的产生 和扩展 上 基 于 放 电 残 渣 体 积 的残 渣 直 径 分 佰 I l 曼 皿 20 m 一 15 20 m 四 10 15i xi n 囵 5 1 0 n 1 口 够2 5 m 气 1 一 连续放 电 一 液 中 单次 无冲 冲 单 次 放 电 洗流 洗 流 放 电 动 动 图 1 同气泡分 布条 件下 的加工屑大小 的分布 日本名古 屋 科 技 大学 S Ha y a k a wa等 设 计 了 一 套 特殊装 置 图 2 对 电 火 花加 工 过程 中放 电产 生的金 属碎屑 的飞散 过 程 进 行 了观测 和研 究 并 讨 论 了电火花 加工 过程 中 的材料去 除 现象 通过 高速 摄像 机对放 电 间隙区域 的气 泡产 生和 飞散 碎屑进 行 了观测 结果 表 明 不 管 是 否 使用 绝 缘 工 作 液 电 极 材料 都会产 生熔 融 现 象 工 件 材 料 的 去 除发 生 在持续 放 电的过 程 中 尚 图 2 S Ha y a k a wa的 实 验装 置 德国亚 琛工 业 大 学 的 F Kl o ck e等 通 过 使 用 两个高灵 敏度 压 电轴 向力 传 感 器 测 量 了电火 花 成 形 加工 中不 同参 数下单 个脉 冲对 工具 电极 和工件 的 作 用力 通过对 实 验 结 果 的 分析 得 出放 电所 产 生 的力与加工面积和工具电极以及工件的几何形貌高 度相 关 因此推 测加 工 力 和 放 电 导致 的气 泡 和 工作 液 流动有关 哈尔 滨工业 大学 的杨 晓冬 等 利 用分 子动 力学 方法 研究 了单 晶体 原 子 结 构 的各 向异 性 对放 电蚀 坑形成 过 程 的 影 响 图 3 结 果 表 明 放 电蚀 坑 的 尺寸 与 晶向有关 在 模 拟 参 数 相 同 的条 件 下 1 1 1 晶 向上 的放 电蚀 坑最 深 1 1 0 晶 向其 次 1 0 0 晶 向 的放 电蚀坑 最浅 由此 可 在 1 1 1 晶 向取得 高 的加 工 速度 而在 1 0 0 晶 向获得 微小 的放 电蚀坑 作 者 还对放电前就在电极上存在 的孔 图 4 对放 电蚀坑 形成 过 程 的影 响进 行 了研究 研究 结果表 明 当孑 L 位 于放 电蚀 坑 的底 部 时 对 放 电蚀 坑 的 影 响 最 显 著 孔 的直径 越大 放 电蚀 坑 就 越深 熔 融 区域 也越 大 如表 1 所 示 l 11 o2 寻 8 6 耋 4 2 0 放 电 凹坑 深度 放 电凹坑 直径 图 3 晶 向对 放 电 凹 坑 的 影 响 1 号孔 2 号孔 弋 一一 去除区域 3 号孔 熔融区 域 it 4 号孔 电极 5 号孔 图 4进 行 模 拟 时 孔 的位 置 表 1 孔 的 位 置 对 放 电 凹 坑 尺 寸 的 影 响 大连 大 学 的王 元 刚 和 大 连 理 工 大学 的 赵 福 令 等 对微 细 电火花 加工 中 电极 的不 均匀 损耗展 开 了 研 究 指 出集 肤效 应 和 电 场 畸变 是 造 成微 细 加 工 出 现锥孔 的原 因 对此 引 入 了功 能 梯度 材 料 电极 的 概念 并通 过 实验 证 明 功能 梯 度 材 料 电极 是 解 决 电 极 不均 匀损耗 的有 效途 径 1 2 电火花 加工 的新工 艺方 法与应 用 山东大学的闫鹏 张建华等 对电火花放 电超 声振 动辅 助 磨 削 的 智 能 控 制 技 术 图 5 进 行 了研 究 电火 花加 工 和磨 削 相 结 合 有 利 于提 高 表 面 质 量 超 声振 动辅助 又 可 增 强 电火 花 加 工 过程 的稳 定 性 提 高 了磨 削 加工 的效 率 智 能 控 制 系统 采 用 了 工控机 P MA C和开 放式 C NC系统 多传感器 数 据融合技 术 的应 用 能 有效 分 析 电火 花加 工 放 电状 态信号和磨削力信号 通过范例库 神经 网络和模 糊 控制技 术 图 6 的结 合 应 用 获 得 了较 好 的实 时 控制 效果 一 1 5 电 加工与 模具 2 0 1 1 年增刊 专稿 综述 图 5 智能控制示 意图 图 6超声 辅 助 EDM 厝 削加 工 过 程 的模 糊 控 制 系统 瑞士学 者 A S ch o r d e r e t 等 对 电火 花微孔 加工 中超 声辅助 装置 的参数设 计进行 了研究 通过 建立 机 电参数 包 括超 声 电极 的所有 组 成 部分 电极 夹 头 锥形 变幅杆 压 电换能 器 平 衡质 量 块 和螺 丝 固定 系统 的有 限元模 型 图 7 对超 声振 动 电极 的 运动 特性进行 了计 算 得 出最 优 的 超声 振 动 电极 几 何形 貌 将 该超声 振动 电极 应用 于 电火 花微孔 加工 中 可减少加 工 时 间 2 0 以上 同 时不 会 影 响工 件 尺 寸公差 和表 面质 量 图 7超 声 振 动 电 极 的 有 限 兀 模 型 上海交通 大学 的王 丹 赵万 生 等 对利 用 刃 口 电极 磨削方 法 E E D G 制 备工 具 电极 的方 法 进行 了 研究 其原 理如 图 8所 示 采用 带 有 刃 口的 不锈 钢 刀 片作为工 具 电极 工件 作 为正极 工 具与 工件 同 时浸 入加工 液 中 并 保 持一 定 的加 工 问 隙 工件 相 对工 具做轴 向和径 向进 给 利 用 电极 的刃 口磨 削 微 细轴 同时 工件 高速旋转 使放 电状态 保持 良好和 稳定 实验 主要研 究 在 E E D G加 工过 程 中 放 电间 隙和放 电能 量 对 材料 去 除 率 MR R 及 工具 损 耗 量 T E w 的影 响 另外 实验 还对 比了粗加 工 和精 加 一 1 6一 工的加工 表面 质 量 实验 结 果证 明 刃 口电极 磨 削 方法 E E D G 是 一 种 有 效 的 电极 制 备 方 法 利 用 这 种 方法 加工 的电极具有 精确 的外形 轮廓和 较高 的表 面质量 且这种 加工方 法易 于使用 价格低 廉 图 8刃 E l 电 极 磨 削 原理 图 日本 大 阪 大学 T I s h i d a等 对 弯 曲小 孔 电火 花加 工过程 中 的稳 定放 电间 隙技 术进行 了研 究 在 前人研 究 的放 电间隙 自动控 制装 置 A D GC 的基 础 上 发 明 了一 种小 尺寸 的放 电间隙 自动 控制装 置 图 9 使 其能装 载在 微 细机 器 人 中进 行 弯 曲小 孔 的加 工 通 过相关 实验 证 明 这 种改 进 后 的装 置 能控 制 的放 电间 隙达 到 8 5 0 I T I 几乎达 到 了所 设计 的最 大 放 电间隙 意 味着 这种 改 进 后 的放 电 间 隙 自动控 制 装置具 有优 良的性 能 图 9改 进 后 的 放 电 I司隙控 制 装 置 德 国马格 德 堡 大学 的 H 一 P S ch u l z e等 叫研 究 了电火 花加工 工作液 添加剂 对放 电通道 点火 与击 穿 状态 的影响 通过 观察分 析添加 二丁基 羟基 甲苯和 甲基苯 甲酸 的正 十二 烷 电火花加 工工作 液对单个 脉 冲放 电预点火 和击 穿状 态 的影 响得 知 二 丁基 羟 基 甲苯添 加剂对 亥姆霍 兹双 电层 的形 成和 传播有着 积 极 的影 响 这使 其成 为 微 细 电火 花加 工 中的一 种 有 效添加 剂 而 甲基 苯 甲酸 添加 剂 对放 电过 程并 没 有 明显 的积极影 响 中国石 油 大 学 的纪 仁杰 刘 永 红 等 人研究 了在 电火 花加 工 工作 液 中添 加 松 香 对 加工性 能的影 响 研究 指 出 松 香作 为 增爆 剂 以适 当浓 度添 加入 电火 花加 工工 作 液后 能提 高材 料 去 专 稿 综 述 电加工与模具 2 0 1 1 年增刊 除率 降低电极相对损耗 和传统的煤油基工作液 相比 加入松香 的工作液能获得较高的材料去除率 但电极相对损耗也较高 在加入松香的工作液 中加 工 获得 的表面 电蚀 坑较 浅且无 微观 裂纹 现象 日本工 学 院大学 的武 j 尺英 榭 等 对 磁性 材 料 电火 花加 工 的特性进 行 了研究 研 究 了电火 花加工 中脉冲占空比 单个脉 冲能量和加工形状对工件表 面 的磁通 密度 的影 响 结 果表 明 电火 花加 工 可 用于 钕磁铁 的成 型加 工 在低 加工 能量 条件 下 工 件表 面 的磁 通 密度 受 到 的影 响很 小 然 而 在 高加 工能量 或高 脉 冲 占空 比条 件 下 工 件 表 面 的磁通 密 度 迅速 下降 电火花 加工 工件磁 性相 反 的 区域 时 加 工极性 也应 当相 反 日本 大 阪府立 产业 技术综 合 研 究 所 的K0 i i WA TA N A B E Hi s a s h i MI N AMI 等 学者 提 出 了一 种 新 的放 电修 整 技 术 研 究 结 果表 面 这 种采 用 短 脉 冲 的放 电修 整 技术 可 应 用 于 不导 电的电镀 金 刚石 工 具 修 整 统 一 金 刚石 颗 粒 高 度 显著提 高包 括 圆柱 型 和球 型 在 内的 电镀 金 刚 石 工具 的研磨 性 能 上海交通大学的赵万生等 对集束 电极 电火 花加 工开 展 了进一 步 的研 究 研究 中引入 了多孔 内 冲液技 术 并 对不 同 冲液 流 量 下 的 电火 花 工 作 液 流 场分 布和放 电蚀 除产 物排 出情 况进行 了数 值模 拟 和 实验验 证 研究 结果 表 明 与传 统单孔 内冲液相 比 多孔 内冲液技 术 可 有效 提 高 材 料 去 出 率 降低 电弧 发生频率 此外 研究还发现 随着 冲液流量的加大 可观察到放电维持 电压的上升 瞬间短路等现象 北京 市电加工研究 所 的杨大 勇等 对 镜 面电火 花加工中的脉 冲 电源 进行 了研 究 通 过 采用 高低 压 复 合放 电 最 小放 电 能 量控 制 等能 量 脉 冲 提 高 放 电电压稳定 性 和一 致 性 减 小 电极 损耗 以及 采 用 相 应 的放 电状 态检 测 方 法 等 多 种手 段 改进 了镜 面 电 火花加工的脉冲电源 最终获得 了无混粉条件下 表面粗 糙度 R a 0 0 5 m 加工 面积 4 9 0 mm 图 1 0 图 1 0镜 面加 工 Ra 0 0 5 和 R 0 1 5 m 加工 面积 1 2 5 0 mm 见 图 I 1 的较 好加 工效 果 图 1 1锐 面加 工 尺n 0 1 5 13本 长 岗科 技 大 学 的 D Ha n a o k a等 对 添 加 了质量 分数 3 5 A l o 的 s i N 陶瓷 的加 工 性 能 进行 了研 究 研究 结 果 表 明 在 电火 花线 切 割 加 工 过程 中 材 料 的去除 率 MMR 和表 面粗糙 度会 随 着 添加剂 的增 加 而 降低 而且 添 加 剂 的增 加 会 使 工 件 表面 的导 电层 变厚 并 使 导 电表 面 的 电阻 率 降低 在 电火 花成形 加工 中 加 工 过 程 可 以分 为 3个 子 过 程 首先是 对 辅助 电极 的加工 其 次是碳 化物 的形成 和 附着 最 后 是具有 稳定 放 电过程 的材 料去 除过程 在 电 火 花 成 形 加 工 过 程 中 随 着 添 加 剂 的 增 加 MMR会 随之 增加 而相 对 电极 损耗 率 T wR 随之 降低 但 是 表面 粗糙 度 与 添加 剂 的 含量 无 关 在 电 火花成 形加 工 过 程 中 MMR 会 随 着 电极 尺 寸 的减 小 而 降低 在 电极 直 径为 2 mm 时 添 加 剂对 材料 去 除率 的影 响与线 切割 的加 工结 果相类 似 德国亚琛工业大学的 F Kl o ck e 等 利用高速 摄 影技术 对混 粉 电火 花加 工 放 电 区域 气 泡 的 产 生 扩 张 和破裂 等一 系列 过程及 其持 续时 间进行 了详 细 观 察 研 究结 果表 明 相 同加 工参 数条 件下 加 入 混 粉后 放 电 区域产生 的气 泡体 积将 增大 一倍 从 而带 来更 多 的能量 并 蚀 除 更 多 的工 件 材 料 观 察 中还 发现 气泡在放 电过程中能持续较长时间 这证明相 当一部 分 的放 电过程 是在 气体 环境下 进行 的 德 国 I P K 研 究 所 以及 柏 林 工 业 大 学 的 E ck a r t Uh lma n n和 Ma r k u s R 6 h n e r 等 研 究 了微 细 电火 花加工 中 不 同 涂层 材 料 对 工 具 电极 损 耗 特 性 的 影 响 实验 研 究 了钛 基 涂 层 和 金 刚 石 涂 层 其 中 3 种钛 基 涂 层 T iA 1 N T iC r N T iN 以 硬 质 合 金 为 基 底 涂层 厚度 为 3 5 F m 金 刚 石涂 层 为 不 导 电的 双层 纳 米 晶体 C VD金 刚 石 涂层 以及 硼 掺 杂 C VD 金 刚石 涂 层 B C VD 后 者 采 用 了 两 种 基 底 材 料 Mo C u WC u 实 验 通 过 单 脉 冲 放 电 加 工 以扫 描 专 稿 综 述 电加工与模具 2 0 1 1 年增刊 间 加工 误差 能控 制在 1 0 m 以 内 2 电火 花 线 切 割 加 工 台湾 Accu t e x技 术有 限公 司 的等 J F L ia n g 研 究 了线 切割 加工 过程 中 电极丝偏 差 的测量 该 技 术用 两种 方法来 测 量 电极 丝 偏 差 并 比较 它 们 的测 量值 方 法 一 被 称 为 摄 像 机 图 象 分 析 法 C a me r a P ict u r e A n a l y s is 简称 C P A 法 其 过 程 为 用 一 个 数 字摄像 机 获得切 割 工 件 边 沿 的加 工 录像 这 样 就 能 拍摄 到在 不 同时间 不 同高度 的 电火花 放 电 通过计 算 电火花 首次 出现在 工件 和在 指定 位置 上 的时 间偏 差值 就 可得 到电 极 丝 的偏 差 值 分 析 选 定 位 置 那 么 就可 以画 出电极 丝 的偏 差 曲线 方法 二被 称 为截 面 测 量 法 C r o s s S e ct i o n Me a s u r e me n t 简 称 C S M 法 其 过程 为在 一 个 稳 定状 态 下 切 割 工件 然 后 突 然关掉 放 电电源 那 么确 切 的 电 极丝 偏 差 就 会 保 留 在工件 上 把工件 放 在高精 度 电子显 微镜 下 就可得 到精确 的 电极丝偏 差 曲线 实 验表 明 由 C P A方法 和 C S M 方法 测 量 的 电 极 丝 偏 差 的趋 势 是 一 样 的 但由 C P A 测 量 的偏 差 值 比 C S M 测 量 的 值 约小 l 0 2 0 通 常来 说 C S M 测 量 的结 果 更 接 近 真 实的切 割状况 根 据 C P A和 C S M 方 法测 得 的偏 差 值 改变不同的加工参 数 来减少 电极 丝偏差 图 1 4 豢 图 1 4 C P A 和 CS M 方 法偏 差 的 比较 英 国伯 明翰 大学 的 M T A n t a r 等 提供 了有 关用 清扫 脉冲技 术 在 线 切 割 加工 Ud i me t 7 2 0和 T i 一 6 A I 一 2 S n 一 4 Z r 一 6 Mo等先进 航 空发 动 机 用 合 金 材 料 时 工件 一 致 性 的 实 验 数 据 在 典 型 情 况 下 1 0 0 mm mi n 两 种合金 加工 后产 生小 于 1 0 m 的再铸 层 然 而第 3次 或 者第 4次精 切 后 再 铸 层 将 会 减 小 到 3 m 以 下 工 件 的 表 面 粗 糙 度 值 大 约 为 R a O 4 m 图 1 5 而且工件的表面残余应力大为 降低 工件表 面 的 凹坑 也 限制 在 再凝 固层 内 最 小 损害 电源技术 和适 当的多 次切 割策 略相结 合在 线切 割加工 Ti 6 2 4 6和 Ud ime t 7 2 0航 空 发动机 用合 金 时 可大大减少再铸层厚 度到 3 m 以下 并具有最小 的蚀坑 一些 加工 实例 中还 出现 零厚 度 的再铸层 第 4次 切割后 在 两 种 工 件材 料 的加 工 表 面测 量 都 具有较低的应力或者接近中性的残余应力 图 1 6 圈 圈露 圈豳 簟誓 图 1 5 粗加工和第 4次加工后T件的界面微观图像 茎 一 三 b F i6 2 4 6 图 1 6表面残余应力 南京航空航天大学的邱 明波 刘志东等 提出 了一 种基 于复 合工作 液 的 以电火 花 电解 复合 加工技 术的太 阳能级硅进行切割及制绒 一体化 的新方法 图 1 7 试验表 明 用 这种 方 法加 工 太 阳 能级硅 切 割效率高 厚度薄 切缝窄 具有表面可直接形成绒 面结构 无明显微裂纹 且获得的绒面反射率在全光 谱波段内光反射率较低的特征 该工艺方法为探索 缩 短 太 阳能电 池制造 流程 降低 硅 片加工 成本 提 高 硅材 料利用 率 促使 硅太 阳能 电池成 本显 著降低 并 形 成具 有我 国 自主知识 产权 的太 阳能 级硅 片切 割制 一 1 9一 m m m m m m O 9 8 7 6 5 4 3 2 l o 2 l l l 电 加工与 模具 2 o l 1 年增刊 专稿 综述 绒一 体化技术 提供 了理论 及实践依 据 另 外 邱 明 波 刘 志东 等 还对 P型低 掺 杂 硅 的电火花线切 割加工 进行 了研究 在使用线 切割 机 床加工 P型低掺 杂 硅过 程 中 采 集 了放 电 时 的电 流 和电压波形 并建立 了带有二极管和 电阻的电路模 型 夹具端 放 电端和放电通道被简化为二极管 它 决定 了带有本 体 电阻和 限流 电阻 的电路 电流 当以 正常极 性加工 时 工件 阳极 二极管 在放 电端是正 向 偏置 的 而二极 管在 夹具 端 和 放 电通 道 端是 反 向偏 置 的 它的次 电压也称 为击穿 电压分别 为 8 8 5 v 和 2 2 V 在 放 电端 的 接触 半 径 为 2 0 0 等 温线 的半 径 当放 电继 续 时 接 触半 径 逐 步增 加 电流减 少 为 了增加 切割效 率 欧姆 接触 在夹 具 端 形成 并 增加 了夹具 面积 提 高 了放 电 电流 这为提 高硅 的电火 花 线切割加 工效率 提供 了理论基 础 1 线筒2 双槽 导轮3 恒张力机构4 平衡块 5 电导块6 电源7 上定位块8 工件 9 电介质溶液系统l 0 下定位块1 1 导轮 图 1 7硅 片 的 切割 实验 示 意 图 哈尔滨 工业 大学 的杨 晓 冬 等 副研 究 了应 用 静 电感应供 电的线 切割 加 工 方 法 图 1 8 这种 方 法 能 减少 杂散 电容 在脉 冲发 生 电路 中的影 响 并 可用 c 充 电 图 l 8使用静 电感 应反馈的微细线切 割原理图 一 2 0一 最小 的放 电能 量来完成 微细线 切割 加工 这种方法 允许 电流 以非接 触 方式 馈 送 给线 电极 因 为没 有 电 刷的损耗 且电极 丝 的震 动 与 切割 的方 向无 关 故 可 实现很 高精度 的微细线 切割加 工 比利 时鲁 汶 天 主教 大学 的 O J A Ma l e k等 对 WC Z r O 复合 陶瓷 材料 进 行 了线 切 割 加 工 实验 研 究 在 z r 体积分 数分 别 为 0 5 1 0 的情 况下 研究 了 Z r O 相 离散 度 WC颗 粒 尺 寸 大小 和 电火 花加 工 过程 的 内在 联 系 通 过 x 射线 光 电子 能谱 测量 表明在 电火花 加 工 表面 的 纳米 氧 化钨 层 的存在 证实在 WC Z r O 复合陶瓷材料的电火花加 工 中的材 料去 除机制 为氧化 同时伴 随着熔 融现象 3 电化 学加 工 上海 交 通大 学 的杨 晔 赵 万 生 和 日本东 京农 工 大学 的 Wa t a r u NA T S U 利 用 同一 规 格 的矿 泉 水 作 为 电解 液进行 了 电化学 微细加 工 的基 础研究 将 直 径为 3 0 0 m 的硬 质 合金 电极 放置 在 中心有 一直 径 为 2 mm孔 的不 锈钢板 中 电极作 为 阳极 不 锈钢 板作 为 阴极 采用 恒流源 控制加工 电流 加工 出前端 直径 为 2 0 m 的硬质 合 金微 细 轴 图 1 9 并 讨 论 了在不 同加工 时 间和 加 工 电流 下 电极 形 状 和加 工 精度 的变化 另外 利 用 超 短脉 冲电源 在 矿 泉水 工 作液 中进行 了 电化学 微 细 孔 加 工 用直 径 为 3 0 a m 的 电极 加 工 出直 径 为 8 8 b t m 的微 细 孔 在 以矿 泉 水 为电解液 的微 细 电化 学加 工 中 利 用超 短 脉 冲 电 源 加工可 获得 比直流 电源更好 的加工精 度 上 l 绝缘 十 水的 高度 l 1 I l 韭 I h l 一 4 3 0 4 不 锈 钢 板 图 1 9微型针制备装置示意图 日本东 京农 工大 学 的等 A t s u s h i T e r a d a 设 计 了一种应 用于微 细电化学 加工 的放 电间隙控制 系统 图 2 0 该系统通过控制 电极 的进给速度来保证 电极 间隙 的恒定 以实现 工 件 的蚀 除 速度 和 电极 的 进 给速度 相等 首先他们 对 电化 学加 工过程 中 电流 波 形和 电极 间隙 之间 的关 系进行 了研究 研究 发现 在 电极 间 隙变 化 时 电解 电流将 发 生一 次 短 暂 的超 调 利用这个关系 可通过采集放 电电流峰值 的方 电 加工与 模具 2 0 1 1 年 增刊 专稿 综述 明显 提高加工 速度 通过简单 的实验 装置可 实现 凹 槽 简单 平面 和侧 面 的加 工 由于这 种加 工 属 于 电 化学过 程 因此 在工件 表面不 会形成 毛刺 裂缝 和热 影响 区 且与传 统 车削 加 工相 比 电解液 射 流 车削 过程 中的加工应 力几 乎 可 忽 略不 计 因此 这 种 车削 工艺能达 到很高 的加 工 速 度 并完 成 很 复杂 的形 状 表 2 隧 麓隧 图 2 7 电解液喷射车削原理图 表 2加工 特征 比较 A K M D e S il v a等 钊 设 计 和开发 了电化学 一 腐 蚀雕模 E L E S I N 法 中所 应 用 的特 殊 功 率 发 生 器 能传 送必要 的 E L E S I N 电压 电流 特 征 和智 能控 制 系统 用基 于弱水 的 电解 液进行 有效性 测试 证 明通 过 控制不 同的极 问脉 冲 可优化 各种加 工结果 包括 生 产率 表 面质量 和几何 精度 一 2 2 4 电化 学放 电加 工 台湾 东南 大 学 Ku n L i n g Wu等 人 对 电化 学 放 电加工 E C DM 中影 响气膜 形成 的 因素进 行 了研 究 在 E C D M 加工 过程 中 气 膜 的质 量是 加工质 量 的决定 性 因 素 在 E C D M 加 工 过 程 中存 在 一 个 使 气膜稳 定 加 工精 度偏 差 最 小 的 电压值 称 之 为 过 渡 电压 不 同浓度 的电解 液 会 产生 不 同 的 过 渡 电 压 在 过 渡 电压 下 利 用 E C D M 对 5 0 0 m 厚 的 高耐 火 玻璃 钻 2 5 0 m 深 的孔 时 发 现 在不 同 的转 速条 件下 由于气膜 主要 由氢和 水蒸气组 成 气膜 和 工具之 间 的剪 切力 可 以忽 略 所 以转 速对 加工 精 度 影响不 大 而 在不 同的 电解 液 浓度 下 进行 加 工 时 随着 电解 液浓 度 的增 加 具有 完 整结 构 的气膜 会 更 快地形 成并在 较低 的电压 下 实 现稳 定 放 电 加 工 获 得 的微 孔更加 平滑 图 2 8 此外 使 用平 侧壁 工 具 比使用圆柱工具可显著减少侧壁放 电现象 从而使 加工孑 L 径减小 且加 工效率 更高 4 M KO H 5 M K 0H 6 M K0H 电压 4 5 V 电压 4 0 V 电压 3 8 V I 时 闯 5 8 S 时 司 4 4 s 时 间 3 7 s 图 2 8不 同 电解 液浓 度 和过 渡 电压 条 件 F 加工孔 的扫描 电镜照片和加工时 问 波 兰克拉 科夫先 进制 造技 术研 究所 的 G r z e g o r z S k r a b a l a k等 引 对 E C D M 加工 过程 中 的参数 进行 了 优化 作者 为 E C D M 加工 过程 建立 了数学 模型 在 这个模 型 中 假定加 工过 程 中的一 些参数 是常量 并 进一步 假设放 电 间 隙的分 布和 物理 化 学 状况 在 瞬 时加 工 以后会 发生 周期性 变化 是 E C D M 的一个 准 稳态 过程 据此 建立 了 E C D M 的材 料去 除率计 算 公式 并利用 3轴数 控 电火 花 机 床进 行 了试 验 通 过试 验 得 到 了最好 的加工参 数 ma ch in in g p a r a me t e r 韩国首尔国立大学的 X u a n D o a n C a o等 对利 用 电化 学放 电对 玻璃 进 行加 工 及磨 削 进 行 了研 究 实 验 的加 工过 程 包括 两部 分 E C D M的粗 加 工利 用 专 稿 综 述 电加工与模具 2 0 1 1 年增刊 P C D 研 磨 的 精 加 工 实 验 结 果 证 明直 径 小 于 1 0 0 m 深 度 为 1 5 0 m 小 孔 的 E C DM 最 优 加 工 条 件 为 电解 液质量 分数 3 0 脉 冲 电压 为 3 0 v 脉 冲开 断 的时 间为 1 s s E C DM 铣 削加 工 时不产 生 热 裂纹 的最优 条 件 是 电压 为 2 3 v 加 工 的 进 给速 度 为 3 tx m s 进 给 深度 为 2 5 m 利用 P C D研 磨 可 改 进 E C D M 加 工后 的表 面质量 和形 状 度 在对 玻 璃进 行研 磨 时玻璃 应 该处 于 韧性 模 式 P C D 工具 表 面速 度应 高于 9 4 2 0 t m s 且 进给 速度 为 0 7 5 t m s 罗马尼 亚 雅 西 科 技 大 学 M C o t e a等 对 电化 学 钻孔 加工 中 的钝 化 膜 进 行 了研 究 研 究 表 明 在 电化学放 电加 工过 程 中 工 件 表 面 会 出 现一 层 钝 化 层 它在 整个 电化 学钻 孔工 艺 中起 到很 重要 的作 用 并通 过实 验研究 证 明 钝 化 层 的厚 度 随着 工 件 周 围 的电场线 变化 5 激 光加 工 比利 时鲁汶 天 主教大 学 的 J 一 P K r u t h等 发 表 了关于金 属选 区激 光熔 化 中零件 和材 料特性 的主 题报告 添 加制 造 A M 最 新 的技 术 发 展 已将 其在 成形 制造 中 的应 用转 换到 通用 型或 系列 型终端 用 户 零件 的 生 产 选 区激 光 熔 化 S L M 在 不 同 的 添 加 制 造 AM 工 艺 中具 有 独 特 地 位 因为 它 可 以加 工 各种材料 且加工的功能部件具有和基体材料相 当 的机械特 性 但是 S L M 具 有 高 温 度 梯 度 和致 密 化 比率 反过 来 会 对 S L M 零 件 的 微 结 构 和 特 性 产 生 重 大 影 响 作 者 分 析 了 S L M 的 现 状 旨在 理 解 S L M 零 件 和 材 料 特 性 来 分 析 该 过 程 的 潜 在 应 用 尽管 S L M 可在功能部件上获得 可控的微结构 但 要获得 理想 的 晶粒 结 构 和特 性 在调 整 过 程 参 数 和 建立 图形 方 面 还 有很 长 一段 路 要 走 作 者 对 S L M 后可获 得 的密度 表 面质 量 表 面 粗 糙度 微 结 构 和 残 余应 力 等对零 件机 械性 能产生 直接 影 响的 因素进 行 了深 入 的讨 论 日本 冈山大学 的 R y o j i Ki t a d a和 Ya s u h i r o O k a m o t o等H 分别以冷却压缩空气 氮气及其组合作为 激光 共轴 方 向和后 方 的辅 助 气 体 气 流方 向如 图 2 9 所示 对 由硅 片和 环氧树 脂组 成 的半 导体工 件进 行 了激光 切 割实验 研 究 了用 冷 却 辅助 气 体 减 小 热影 响 区的方 法 图 2 9 实验 结果 表 明 在 干燥 空 气 环 境下 以 氮气 光共 轴 方 向辅 助气 体 冷 却 气体作 为后方 辅助 气体 可 以显著 减小 热影 响 区 得 到较高 的切割 效果 于空 气 露 点 一 7 0 l l 轴辅助 气体 一 一 a 喷 嘴 N b 喷 嘴 F N 图 2 9 干燥空气和共轴辅助空气流 向示意 图 比利时 鲁汶 天 主 教 大 学 的 J 一 P Kr u t h等 对 选 区激光加工中估算残余应力的影响因素时采用了 一 种新 的方 法 S L M 加工 中 材料 在 短 时间 内经 历 大 的温 度波 动 造 成较 大 的热应 力 从 而可 能导致 零 件 变形 裂纹 或 零件 强 度 的下 降 他 们 通过 改 变 一 些标 准参 数 如扫 描 图 案或 过 程 参 数 如 底 座 的预 热 温度 层 厚 或先 扫描 一 个 沉 积 粉层 再 扫 描 一 个 已扫描层 来减 少热 应力 另 外 他们 通过定 义一个 新方 法 来 快 速 估 计 热 应 力 该 方 法 从 底 座 上 切 下 S L M 加 工 的桥 结构 并使 用 该结 构 的 曲率 角作 为对 于热 应力 的测 量 现有 的文 献和他 们 自己的实验表 明 降低 高 温梯度 的改 变 如 使 用 短扫 描 向量 和预 热底座 都 能降 低 热 应 力 且 改 变 扫描 向量 的 方 向 能减小 热应 力 或者 能减小 热应 力 的破坏 结果 西 班牙 巴斯 克大 学 的 I T a b e r n e r o等 提 出 了 一 种基 于粉 末 阴影 的激光熔 覆 能量衰 减模 型 该 模 型通过 计算从 同轴 送粉 喷 嘴到基 片各 离散 面的 能力 损 失情况 预 测能 量衰 减情 况 并 估算 出辐 射到基 片 上 的实 际能 量大小 此 外 验证试 验结 果表 明 能量 衰减 并没 有随着 粉 末 流 量 而 加 剧 这 与使 用 该 模 型 进行 模拟 的 结 果 一 致 南 京 航 空 航 天 大 学 田宗 军 等 研究了在 Ti Al 金属 问化合物表面的等离子喷 涂和 激光 重熔 陶瓷 涂层 的腐蚀 行为 等 离子 喷涂会 造成薄 层碎 片 在 激光 重 熔 之 后 陶 瓷表 面 则 更 为 紧 密 与 等离 子喷 涂 相 比 激 光 重熔 具 有 很 强 的微 硬 度 二 者 皆 有 脆 性 腐 蚀 性 能 图 3 0为 激 光 重 熔 后 AT1 3涂层 表 面 6 徽 细 加 工 英 国爱 丁 堡 大 学 的 J A McGe o u g h和 A O k a d a 刮 探讨了将超声技术 激光和射流等非传统的方 法应 用 到整形 外科 中的可能性 这 些方 法具 有与骨 骼和组 织 无接触 拥 有 比传统 方法 更低 的机械 应力 可降低 切 割对伤 口的热影 响 等优点 通 过实验 对上 述 几 种非 传 统 方法 进行 了研究 结 果 显示 针 对骨 骼 一 2 3 电加工与模具 2 o l 1 年增刊 专 稿 综述 和相邻 组织 的切割 它 们均具 有较好 的性能 并可 以 成为现 有切割技 术 的有效补充 在进 行精确 切割骨 骼的过程中具有较高的速度 且在骨骼上均具有很 小 的外力 同时 具有 相 对 有 限 的热影 响区域 但 这 几 种非传 统方法 对于设 备的几 何 自由度都具有 很高 的要 求 a b c 图 3 0激 光 重熔 后 AT1 3涂层 表 面 日本 冈 山大学 的 Ho n g g e Gu o等 为 了解 决传 统机加工 方 法 很 难 对 硬质 合 金 进 行 表 面 处 理 的 问 题 采用 了大面积 电子束 照 射 的方 法 进行 表 面精 加 工 和表 面修整 图 3 1 实 验结 果表 明 该方 法 采用 合 适的 电子 束 能量 可 以得到 较 高 的表 面质 量 此 外 他们不 仅对 电子 束加 工 表 面 的光 泽度 和 表 面粗 糙 度进行 了研究 还 对 比 了硬质 合 金 表 面在 加工 前 后 拒水性 的变化 实 验 结 果显 示 电子束 加 工 可 明 显 提高硬 质合金表 面 的拒 水性 能 图 3 1 大 面积 电子 束 照 射 装 置 台湾 师范大 学 的 S h u n T o n g C h e n等 副采用 一 种 称为 精 密充蜡 金属沉 积 的低 成本新 型混合 加工 方 法来获得 微孔 阵列 他 们首先 用微 细电火 花钻孑 L 的方法在表 面高度 光滑 的金属 圆盘基底 上加工 出微 通 孔阵列 然后将 软化 的蜡 从这些 通孔挤 出制模 得 一 2 4一 到微 型蜡 柱 阵 列 也 称 为 牺 牲 材 料 再 将 金 属 镍 沉 积到该 基 底 上 图 3 2 蜡 柱 阵 列仅 用 热 水 就可 很 方 便地 移 除 从 而 在 厚度 为 1 2 0 m 的金 属 镍 沉积层 上得到 了 1 0 0个直 径 1 3 0 m 的微孔 阵列 研究结 果表 明 含 油蜡是一 种理 想的牺牲 材料 挤 出 加工 中蜡软 化 的最 佳温 度为 5 8 此外 通过 调节 沉积时 间和物 质成 分 可 精 确控 金属 沉 积 的厚 度 和 组分 图 3 3 电解质 图 3 2 金 属沉 淀 装 置 示 意 图 且 图 3 3 与 传 统 微 细 电火 花 加 工 效 果 相 比 南京航空 航 天 大 学 的 田宗 军 等 以 电沉 积 与 不规 则片成形 相 结合 的方式 对 点 电极 喷射 电 沉积 过程 中树枝状 结 晶过 程 进 行 了仿 真 并 以石 墨 核心 为 阴极 镍 圆环 为阳极 利用 电沉积制 备 了二 维尺度 的镍 结 晶体 结构 该方 法有效 提高 了金属材料 中的 孔 隙率 可用 来制 备多孑 L 金属材 料 清华大 学 的胡 满红 李 勇等 对 采 用微 细 电解 和微 细 电火 花组 合的方 法加 工 出 3 D微 小结 构 进行 了理 论和 实验研究 研 制 了一 套 同时包 含微 电解加 工 和微 电火 花加 工的实 验系统 在实验 中首先 采用 3 D伺服 电火花铣 削加 工工艺 进行高速 粗加 工 而后 采用 电解铣 削蚀 除剩 余 材料 并 最 终 得 到所 要求 的 结构 采用微 电解 和微 电 火花 组合 的方 法加 工 得 到 了一个 尺寸 为 4 1 0 m 4 0 6 m 1 8 1 m 的方形 柱状结 构 实 验记 录 的微 细 电解 加 工 和微 细 电火 花 加工 的材 料去 除率 分 别 为 3 1 1 8 2 m S和 1 l 0 1 7 m s 实验 表 明 采用该 方法 可 同时 获得 电火 花加 工 的高效率 和 电解 铣削 加工 的高表面质 量等优 点 专 稿 综述 电加工与模具 2 0 1 1 年增刊 参考 文献 1 1 Ma s a n o r i Ku n ie d a Ad v a n ce me n t s in f u n d a me n t a l s t u d ie s o n EDM g a p p h e n o me n a c P r o ce e d i n g s o f t h e 1 6 t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s iu m o n El e ct r o ma ch in in g S h a n g ha i 2 01 0 1 5 23 2 H a y a k a wa S D o k e T I t o i g a w a F e t a 1 Ob s e r v a t i o n o f f l y i n g d e b r i s s ca t t e r e d f r o m d i s ch a r g e p o i n t i n E DM p r o ce s s C 3 P r o ce e d in g