与电力电子相关2013a

1、3综 述国际特种加工技术研究趋势第 17 届国际电加工会议综述，郭，张亚欧（交通大学机械与动力机械系统与振动国家，200240 ）摘要：对第 17 届国际电加工会议进行了综述，介绍了近年来国内外特种加工领域的研究进展。主要内容包括电火花加工、线切割加工、电化学加工、超声加工、微细加工、激光加工及复合加工工艺的研究成果。：国际会议；特种加工；电火花加工；线切割加工；电化学加工；超声加工；激光加工；微细加工第 17 届国际电加工会议于 2013 年 4 月 9 日12 日在比利时举行，由大学承办。作为特种加（CIRP）的系列国际会议，吸引工学术界别的国际会议，也是总部设在欧洲的国际生产工程了来自世

2、界各大学及顶级厂商 160 余名代表的参加，他们分别来自 17 个国家和地区。本次会议录用公开1。电加工行业前辈、来自108 篇，集在 Elsevier 公司的的 Schumacher 做了题为“市场牵引与科学推动作用下的电火花加工技术发展的历史进程（Historical phases of EDM development driven2，回顾了电火花加工技术的发展历by the dualinfluence of Market Pull and Science Push）”的史，并展示了许多珍贵的史料，给与会代表带来很好的启迪；内布拉斯加-大学的 K. P. Rajurkar教授做了“电化学加

3、工与电火花加工综述（Review of Electrochemical and Electrodischarge Machining）”的3，重点介绍了电化学加工和电火花加工技术的发展现状和进展；大学的 Duflou 教授做了题为“离散制造领域如何减少及对特种加工的启示（Environmental Impact Reductin Discrete4，重点阐述了对不同种加工方法如Manufacturing:Ex何从能耗、对les for-Convental Proses）”的等方面对其进行分级评价；英国堡大学的 Harris 教授做了题为“一种复合生产工艺超声增材制造（Ultrasonic ad

4、ditive manufacturingA hybrid productpros for novel functal5，介绍了他们在超声增材制造方面的进展。本届会议主要围绕电火花成形加products）”的工、电火花线切割加工、微纳加工、电化学加工、激光及加工、增材制造、超声加工、建模与仿真等 11 个专题展开了分组交流。本文对集中收录的进行了综述，希望对国内从事特种加工研究的有所裨益。电火花加工电火花加工机理研究在机理研究方面， 名古屋工业大学的 Hayakawa 等6采用图 1 所示装置，通过高速摄影观察单脉冲放电间隙中电蚀产物的运动轨迹及通道中气体的膨胀与收缩来研究放电过程中材料的去除机

5、理。他们发现电极材料的去除发生在放电过程中以及刚刚结束时。即在材料去除时气泡处于膨胀过程中（图 2）。电火花加工放电间隙中的电蚀产物能否有效排出对加工的稳定性和效率有重要影响。为了提高放电间隙电蚀产物的排出效果，P. Ponandolfo 等7采用 CFD 方法研究了采用窄槽、浅型腔和复杂型腔等三种结构形式加工时，抬刀参数中的高度、速度、加速度等对工作液和蚀除产物排出的影响；采用 50：1 的放大模型进行了电极抬刀实验，用 PIV 获得了电蚀产物颗粒的运动轨迹。研究发现，对窄槽加工，抬刀高度对效率的提高；而对浅型腔加工，抬刀速度对电蚀产物的排出效果影响最大。此外，随着工作液动力粘度的增加，抬刀

6、的效果变得不明显；放电间隙气泡的存在有助于电蚀产物的排出。4图 1 实验装置图 2 电蚀产物的运动轨迹（ ：120 s 间隙 50 m，33 s）针对直线电机驱动下电火花成形加工的抬刀运动对排屑效果的影响进行了研究8。机获得的图像发现，电极下方流体的压力降低，会有空泡产生。对于方形电极，当加工大学的通过分析高速深度增加时，也会有空泡产生。当抬刀高度超过加工深度的 1/4 时，电蚀产物容易排出。所以，使用较大的抬刀高度和空泡产生时的临界抬刀速度，可以有效排屑。对窄槽加工下抬刀运动影响的研究结果表明，相比方形电极，其抬刀运动具有更好的排屑效果。电火花成形加工和电化学加工方法在进行微细加工和精密加工

7、时要保持较小的极间间隙，这就不可避免地产生了极间污染，并导致极间情况的变化。德国马格德堡大学的 H. P. Schulze 等根据污染的来源和污染存在的状态（固体颗粒、液体添加剂和气泡）对加工间隙进行了分类；特别研究了气泡污染对微细电火花加工和脉冲微细电化学加工的影响9。他们认为，极间污染导致了极间有效间隙的减小，从而引起极间电场的变化，是造成极间条件变化和加工不稳定的主要原因。极间的气泡、导电或不导电的颗粒能改变微细电火花加工的极间电场，降低击穿电压，从而获得更好的加工精度；但对脉冲微细电化学加工电场不均匀性的影响有限。在机理分析和仿真方面，国内外的研究主要分为两类：基于力学仿真的方法。热源

8、的焦蚀除模型和基于分子动J. Fonseca 等10基于单次放电的电-热模型和实验研究了伺服电压对加工效率以及电极损耗率的影响。通过分析及结合 AGIE 公司的数据，他们发现提高伺服参考电压可以对加工效率的提高起到倍增的效果，而电极损耗率却随之下降。他们认为这是提高伺服电压造成多点放电的原因造成的。阿拉巴马大学的 Y. B. Guo 等11基于时间/空间相关的热源分布建立了一个单次放电的多尺度分析有限元模型，解决了传热仿真的奇异点问题。其对 ASP2023 工具钢的加工仿真结果表明随着放电时间的增加，最高温度值下降，但是材料体积去除有所增加；电流对温度影响是线性的，但是脉宽对温度的影响是非线性

9、的。此外，过热和熔化是材料去除的主要方式。等12基于我国哈尔滨理工大学的分布热源的假设，仿真得到干式线切割单点放电时的温度场13采用分分布，进而使用分布的等离子体压力分布分析得到了蚀坑的尺寸。哈尔滨工业大学的子动力学方法仿真了电火花加工过程中工件表面的残余应力的产生及分布。仿真结果表明，熔池内的压力梯度变化很大，的压力大于其表面压力且应力峰值出现在熔化材料和固体材料过渡区域，且剪切应力超过材料的剪切强度导致材料产生塑性，以上原因使得原子或原子簇加速离开电极或工件表面。工件的温度及流体静压力分布如图 3 所示，放电蚀坑上不同位置的应力分布如图 4 所示。此外，仿真结果也解释了在工件表面产生裂纹的

10、原因是残余应力在电极或工件和表面分别的拉应力和压应力。（a）温度分布图 3 工件（b）流体静压力分布的温度及流体静压力分布5综 述（a）径向应力（b）应力（c）轴向应力（d）剪切应力图 4 电蚀坑上不同位置的应力分布1.2 放电加工新方法针对电火花成形加工中的电极损耗问题，韩国首尔国立大学的K.Y. Song和筑波技术大学的H.Gotoh等分别提出了带状电极电火花加工方法Strip EDM14和电火花线电极铣削（wire electrical discharge milling，WED-milling）15方法，分别如图5、图6所示。这两种方法均借鉴了电火花线切割加工方法，分别采用在导轮上移动

11、的带状金属或电极丝作为工具电极，加工时工具电极沿导轮以一定速度运动，被损耗的工具电极被连续送入的带状或线状电极取代，从而避免了电极损耗对工件加工精度的影响。图 5 Strip EDM 的原理图 6 WED-milling 实验装置等提出了电火花诱导烧蚀放电车削加工方法16。该方法使用一种含有我国航空航天大学的多个内孔的多功能电极，可将工作液（文中使用水）和氧气沿不同的内孔输送到加工区域，在火花放电的诱导下，氧气与工件表面的材料充分混合并燃烧，使得的工件材料被蚀除。该方法加工 TC4 材料的去除率可以达到 313 mm3/min，是普通电火削加工方法的 4.3 倍。实验中同时发现，电火花诱导烧蚀

12、放电车削加工方法存在明显的极性效应，工件接正极时可获得较高的材料去除率和较低的电极损耗。图 7 电火花诱导可控烧蚀放电车削加工方法示意图6等17等我国交通大学高速电弧放电加工（BEAM）是一种有别于传统的电火花加工及其他电弧加工的新型高效率、低成本的材料蚀除方法。该加工方法基于流体动力断弧机制、通过多孔工具电极冲液所形成的高速流场来控制并切断电弧，在断弧过程中等离子体形成冲击波去除熔融的金属材料，最终实现高材料去除率的电弧放电加工。加工 GH4169 镍基高温合金的材料去除率可以达到 14 000 mm3/min。初步的分析和试验表明该加工方法在复杂型腔以及难切削材料的高速加工方面具有良好的应

13、用前景。1.3 电火花加工新工艺硬质合金工具电火花加工后的表面存在微裂纹、微凹坑、再铸层等缺陷，降低了工具的表面完整性，并可能缩短工具的使用。为此。新潟大学的 T. TAMURA 等提出了一种在电火花成形加工机进行表面改性以去除这些表面缺陷的方法，称之为 surface egrity machining for EDM，简称 SIME18。该方法的要点是首先对工件进行电火花加工，然后以去离子水为工作液，使工件和电极之间保持较大间隙，同时外加直流电压而发生电解反应，使工件中的钴元素和 OH-形成氢氧化物而失去粘合能力，造成再铸层脱落，从而提高了工件表面完整性。机床与制造的 U. Maradia

14、等19提出了一种新的电极随机摇动方法来加在超精平面加工方面，工出超精平面（Ra0.1 m ）。这种方法使电极以图 8 所示的轨迹随机摇动，相比传统的固定轨迹摇动，这种方法增加了电极和工件的微小接触，通过降低杂散电容而使放电能量更低，从而降低了表面粗糙度值，加工出的工件表面达到了亚微米级精度。表 1 为两种电极摇动方式下加工后的工件及电极表面粗糙度对比。表 1 两种电极摇动方式下加工后的工件及电极表面粗糙度对比图 8 在 XY 平面内电极的随机摇动轨迹德国柏林工业大学的 E. Uhlmann20开展了涡轮的电火花加工深槽的技术研究，力求大幅缩短在高温合金材料 MAR-M247 加工深槽的时间并符

15、合表面粗糙度和亚表面损伤的要求。通过对加工电规准和机床控制参数的优化，涡轮的 11mm 深槽加工时间由过去的 48 min 缩短为 21.9 min。东京大学的国枝正典等研究了薄片电极电火花切割单晶 SiC 的工艺性能21，得到电极负极性加工时电极损耗率小、材料去除率高等结论，同时电极越薄，切割速快。在相同的加工条件下，加工碳化硅时的电极损耗率远低于加工钢时的电极损耗率，而前者材料去除率又远远大于后者。此外，加工过程中热应力导致的微裂纹和材料剥落被认为是该材料的去除机理之一。比利时大学的 B. Lauwers 研究了脉冲电流烧结而成的 NbxZr1-xB2-SiC（x 取值为 01，间隔 0.

16、25）复合材料（其中 SiC 体积分数为 20 %）的电火花加工性能和材料去除机理22。材料去除率和表面粗糙度情况如图 9 所示。加工过程中，热冲击和材料剥落是两种主要的去除机理。当 x=0.5 和 x=0.75 时，材料剥落占据主要位置，材料去除率高，表面无微裂纹，表面粗糙度差；而当 x=0、0.25、1.0 时，热冲击占据主导，材料去除率低，表面出现微裂纹，表面粗糙度较好。通过 X 射线光电子能谱分析可知，电火花加工 x=0.57综 述和 x=0.75 的材料时，表面会出现一层 Nb2O5 和 ZrO2 混合氧化层。该氧化层的热膨胀系数非常低甚至为负，这将导致非常高的残余热应力，促成材料剥

17、落和分层。由于 NbB2 低热传导性，NbB2-SiC 加工的材料去除率和表面粗糙度比 ZrB2-SiC 加工均要高。图 9 NbxZr1-xB2-SiC 电火花加工 MRR 和 Ra闭式整体叶盘电火花加工中存在的电极进给路径规划问题，我国针对航空航天发交通大学刘晓等提出了基于动态规划方法的切向追随规划法23。这一方法将电极进给路径规划问题分解为一系列离散阶段的电极位置姿态优化问题，通过预优化与再优化，获取电极最优位置姿态。实验结果显示，该方法可有效提高加工效率，降低电极消耗。等开发了五轴联动电火花加工机床24，该机在电火花加工装备方面，我国市电加工床加工模具钢的最大材料去除率为 1125 m

18、m3/min，最佳表面粗糙度 Ra0.045 m；加工钛合金的最大材料去除率为 829 mm3/min，最佳表面粗糙度 Ra 0.166 m，并用该机床加工出了航空航天发级叶盘。闭式泵叶轮和双电火花线切割加工电火花线切割加工基础研究线切割放电电流与电极丝和工件之间的阻抗相关，而阻抗又取决于电极丝的直径、工件厚度等。东京大学的 Hada 和国枝正典25分析了电极丝的电流密度和磁通量密度分布（图 10），通和过电磁场有限元分析得到了电极丝与工件之间的阻抗，实验结果和模拟的结果相吻合。该电磁场分析的结果可以用来得到随着不同加工条件而变化的放电电流波形，从而为优化加工条件提供依据。理工学院的 E. W

19、eingrtner 等26研究了电火花线切割加工中电极丝与工件相对移动速度对加工的影响。过大的相对速度使等离子体通道很容易滑过阳极，产生拉长的放电蚀坑。单次放电实验的研究结果表明，电极丝与工件间的相对速度不仅影响放电蚀坑的形状和每次蚀除量，也影响熔池的平均温度。相对速大，放电能量越充分地用于融化材料，而用于加热熔池的能量相对减少，因此材料去除的速度越快，熔池的平均温度就越低。故在电火花线切割加工中，常用高的相对速度修整工件。图 10 电极丝中间和的电流密度(左)和磁通量密度(右)分布图 11 不同相对速度对应的蚀坑为分析陶瓷材料 Si3N4x切割加工过程中热场和残余热应力对加工效果的影响，我国

20、哈尔滨工业大学的郭永丰等27建立了一个双层（导电层和绝缘层）的结构模型，用来仿真分析峰值电流、脉宽及走丝速度等对放电蚀坑形成的影响。其分析结果表明，导电层对绝缘层的径向热分布影响大于对其深度方向热分布的影响。放电的间隙，电压和电流的增大都使材料去除率，但走丝速度的提高会降低材料去除率。当电流小于 20 A 时，材料主要通过受热去除，而当电流大于 32 A 时，材料去除方式也会包括剥落的方式。8加工过程中工件厚度的辨识一直是电火花线切割加工的一项，辨识的准确性对加工过程的稳等28提出了一种新的电火花线切割加工工件厚度定性、效率和质量有重要影响。辨识算法，可用于提高等能量加工时的加工速度和稳定性。

21、利用工件高度、进给速率及放电频率间的数学关系，出厚度辨识系数，该厚度辨识参数是工件高度的数学函数，因此可以利用已知工件的厚度辨识参数来估计工件的高度并乘以高度修正因子，即到工件实际高度。利用该厚度辨识算法，工件高度的估计误差小于 1 mm，响应时间小于 1 s，并能提高加工速度，降低断丝率，获得良好的加工稳定性。传统的线切割加工采用的曲线插补算法都是基于割线近式方式，在加工上下异形面时往往需要用众等29提出了一种线切割加工直纹面时的插补新方法弧长增多小线段近出要加工的形面。量法。这一新的插补算法以累计弧长作为参数，每次插补沿弧线进给一个插补弧长（图 12），X、Y、U、V 分别累计弧长增量所引

22、起的各进给轴分量，当某一进给轴分量达到或超过一个插补（BLU）时，便在该轴产生一个插补的进给运动。应用这种方法加工上下异形面时只需用一条插补指令就可以直接加工出上下异形的直纹面，如图 13 所示。该方法可以通过累计弧长值作为终点判别条件。图 12图 13 利用弧长增量法原理弧长增量法加工的样件2.2 难切削材料加工聚晶石（PCD）及碳化硅（SiC）等难切削材料的加工在本次会议中得到一些学者的重点关注。航空航空大学水等30对 PCD 微细铣削刀具的 WEDM 粗加工和精加工进行了正交实验设计，我国并使用优化的加工参数在 CTB002 PCD 四边形微铣刀上加工出半径为 6.7 m 的刃口。高雄金

23、属工业研发中心的 F. C. Hsu 等31使用 Taguchi 和 ANOVA 方差分析等方法对加工参数进行分析和优化。实验结果表明开路电压的大小对于切缝宽度和材料去除率有着显著的影响。较高的电极丝张力和较低的工作液冲液压力可以减小切缝宽度，同时实验显示在最佳工况下材料去除率和切缝宽度同样受聚晶石的粒度影响。华梵大学的 Yan M T 等32设计了一种可以交替产生正负放电电流的微细线切割脉冲电源，该电源用于加工 PCD 砂轮时可有效地防止电解。和普通线切割加工相比，微细线切割在 PCD 砂轮表面产生更小的损伤层，PCD 磨削轮的磨削刃口半径可以达到 3 m，而普通线切割加工只能达到 6 m。

24、冈山大学的 A. Kimura33利用跑道形截面（track-shd sect，宽 100 m，高 200 m）的电极丝，在开发出的多丝电火花切片机（multi-wire EDM slicing，图 14）上进行了碳化硅锭片（SIC）的切割，得到了较小的切槽宽度以及良好的表面质量。研究表明利用普通的圆形电极丝进行切割，无法得到理想的横切面，而利用跑道形截面的镀铜钢丝，并采用丝侧面固定的支撑方法，最小切割宽度达到了 158 m。图 14 多线电火花切片机9综 述电化学加工电化学加工机理建模和分析大学的 L. Hotoiu34通过对具有不同时间尺度的纳米级脉冲电化学微细加工比利时（PECMM）进行

25、研究，计算了材料去除形状并且量化加工轮廓。作者双层电容对材料去除轮廓具有一定的影响并给出了量化加工误差的方法，最后给出了适用于电化学加工的多物理场数值模拟框架。大学的 D. Deconinck35建立了温度相关的多域模型，采用层流 Navier-Stokes 方程比利时来计算阴极工具移动时的电解液流场，利用多域法对 SS410 钢的加工过程进行了数值模拟。该模型采用温度依赖表达式来计算离子扩散系数和电解液动态粘度，并利用水平集方法来计算工件变形并且用类弹性体方法来划分单元网格。仿真结果表明这种方法具有非常广阔的前景。进一步的工作包括参数敏感性研究、气泡的衍化和波动对加工过程的影响。3.2 电化

26、学加工工艺大学的 W. Vanderauwera36对使用管状电极的电化学铣削加工过程中各加工参数对加工效比利时果的影响进行了研究。他们发现在利用直流电源进行加工时，电压对加工过程影响最大；而电解质溶液的速度对加工过程影响不大。在利用脉冲电源进行加工时，频率对材料去除率（MRR）影响不大，而占空比的增大会提高 MRR，而且当占空比达到 90 %时，脉冲电源的 MRR 会超过直流电源的 MRR。Rasipuram 大学的 R.nigaivelan37电化学加工不锈钢过程中的絮状产物会影响加工的效率。采用在 NaNO3 溶液中添加少量 H2SO4 的方法使产生的絮状物变为可溶性，从而提高加工的效率

27、并减小加工过程中的过切。德国亚琛工业大学的 F. Klocke 等38研究了镍基合金及钛合金的电化学加工，通过分析实验中进给速度和电流密度的关系来决定材料的有效去除率。实验结果表明进给速度与电流密度之间存在严格的线性关系，从而推断出有效材料去除率对电解液浓度没有依赖性。对于钛合金而言材料去除率可以调整为 1.78 mm/(Amin)，而镍基合金的加工速度要高于钛合金的加工速度。等39研究了石英材料电化学放电加工（ECDM）过程中添加十二烷基硫酸钠（SDS）表面活性剂后的钻孔效果。通过实验比较发现，添加十二烷基硫酸钠(SDS)表面活性剂后，电极附近电流密度增加，出现大量气泡，放电火花亮度增强、面

28、积变大并获得稳定脉冲电流。通过添加 SDS 表面活性剂加工出的孔质量更高、锥度更小，但孔径略大。4超声加工及超声辅助复合加工因超声加工通常用于以获得较高质量表面为目的的精加工，如何控制加工精度始终是超声加工的一个等40对超声加工中磨料颗粒的运动和堆积的研究发现，在加工间隙中磨关键。我国大连理工大学的料的振动和堆积会导致底部形状或凸或凹的盲孔。其底面形貌受振幅、刀具直径和加工深度的影响。我国等41提出了旋转超声加工的复合频率工业大学的方法并设计了旋转超声功率匹配电路，通过实验验证了复合频率方法可有效消除温度、负载变化对传感器的影响从而提高加工的精度。超声振动可以显著改变工具和工件间的作用力，所以

29、往往与其他加工方法复合以提高综合加工效果。我国山东大学等人42研究了超声振动辅助铣削加工（UVAM）时的铝合金表面的摩擦磨损特征。对加工过程的运动学分析和对工件表面形态的研究结果表明，与传统铣削表面相比，超声振动辅助铣削铝合金获得的具有鳞片状纹理表面的摩擦系数约减少 20 %，而表面油膜承载力约增加了 140 %（图 15）。工业大学的 Lian H 等43的研究也表明，在适当的我国超声波振动振幅下，超声振动辅助微铣削加工工件的表面粗糙度比普通微铣削加工的表面粗糙度值要小。长冈技术科学大学的 S. Nagasawa 等44研究了中心n=5000 r/min，fz=8 m/z，f=19.58 k

30、Hz，A=10 m图 15 UVAM 加工后铝合金表面 SEM10倾斜聚碳酸酯薄板叶片的超声振动切削，提出采用控制叶片励磁(时间延迟和负载比)的方法以改善加工效果。实验结果表明，该方法在相对低进给速度范围内对减少切削阻力有积极的作用。由于超声具有增强排等45对应屑的作用，因此很多孔加工方法都采用与超声复合的方式。伊朗理工大学的 P. Mehbudi用超声波振动在增强复合材料钻孔过程中减少诱导分层现象进行了研究。他们设计和制造了可以实现超声振动和旋转钻头（图 16），并以进给速率、主轴转速、超声振动振幅等参数作为控制进行了验证实验。结果表明，应用超声波振动可以减少轴向力（图 17），因此可显著地

31、减少钻孔所引起的分层现象，同时也可有效地改善孔的表面质量。此外，他们还在铬镍铁合金 738LC 上用超声波辅助钻削方法加工出了深径比为 10 的孔46。图 16 超声振动和旋转的钻头图 17 超声波辅助钻孔力的实验结果超声加工或超声辅助加工在难加工材料的去除中也得到了较多应用。英国伯明翰大学 D. Bhaduri 等47研究了超声辅助磨削镍合金工件时不同进给深度和不同振幅对磨削力、砂轮损耗率、工件的表面粗糙度等的影响并与普通磨削加工进行比较，发现辅助超声振动磨削在降低切削力的同时增加了砂轮的损耗率，并交通大学张勤俭等48进行了超声辅助振动电火花加工石材料的理想加工方法，通过引入超声辅助振动，可

32、且工件表面粗糙度随着振幅的增加而增大。我国聚晶石（PCD）材料的研究，认为这是聚晶以有效地加速工件材料的剥离。5微细加工技术随着传统的加工工艺水平的提高，宏-微加工之间的界限已经不再清晰，很多用于加工常规尺度的装备也被用来加工微小特征。D. Hanaoka 和 Y. Fukuzawa 等49开展了陶瓷/碳纳米结构的导电复合材料的电火花T 和 Si3N4/GNP 纳米复合材料等，可精加工研究，并采用辅助电极法加工绝缘的氮化硅陶瓷，加工最低电导率为 0.04 S/m 的材料。此外，他们发现导电材料的电火花加工电极损耗率和表面粗糙度特性优于绝缘材料，而在加工绝缘材料时却可以获得高的材料去除率。A.

33、Trych 等50开展了碳电极微细电火花加工的研究，分析了最佳加工参数。针对在电火花加工中的碳工具损耗，研究发现不同的加工条件对实验过程和结果产生重要影响，并确定了最佳加工参数。但是试验中也发现一些问题，如在短路后会发生碳的偏转。P. Fonda 等51应用 PCD 电极进行了硅晶片的电火花加工，可以在获得高材料去除率的同时保持低的电极损耗率。采用粗加工和精加工两个步骤来获得高品质的轴对称半球形结构。在 80 min 内可以成功粗加工 200 个半球结构，且电极几乎没有损耗。采用电火花粗加工和精加工两个工序加工 15 个高度轴对称半球体结构后，电极末端总损耗仅为 15 m。等52提出了一种新型

34、的压电陶瓷自适应微细电火此外，在微细加工装备方面，我国山东大学的花加工装置。在加工过程中，随着压电陶瓷的伸长或收缩，可以加速消电离并有助于放电间隙中电蚀产物的排出，提高系统的稳定性，减少电极的损耗。该方法可用于微细孔，微细槽等微结构零件的加工。与传统微细电火花加工相比，它可以根据放电条件实现自我调节，简化了微细电火花加工设备的设计。的等53提出了层厚约束算我国ayer depth constrained algorithm，LDCA）以自动补偿微细电火花三维扫描加工时的电极轴向损耗。该算法可以控制电极在整个三维结构的加工过程中的每个扫描点上具有最大进给，从而保持最佳放电间隙。基于该算法，厚度累

35、积误差可以被消除，同时加工深度误差可以控制在 2 m 范围内。他们加工了诸如深度小于 1 mm 的长方形微型腔、圆台及等几种典型结构，11综 述图 18 是采用与不采用 LDCA 算法所加工出的微细结构的对比。当前发、化工等行业对微小孔的加工需求越来越多，如何提高微小孔的加工效率和精度，也是当前国内外研究的热题之一。Snchez J A 和 Plaza S 等54利用底孔反靠电极方法（Inverse Slab Electrical Discharge Milling，ISEDM）利用传统的电火花加工机床在镍基合金和钛合金上加工出直径为 0.30.4 mm的大深径比微孔，从而避免了 WEDG 技

36、术所需的额外成本，并且这一过程不需要复杂的材料损耗补偿策略，不啻为微孔加工的一种适宜的替代方案。采用 ISEDM 方法可出直径为 0.2 mm，长径比约 100 的Cu-W 电极，并用该电极加工出半径误差小于 5 m，表面粗糙度值为 0.5 m 的微细孔。图 19 是在 Ti6Al4V工件上进行电火花深孔加工的结果。图 18 不采用及采用层厚约束算法所加工出的微细结构对比图 19 用底孔反靠备微细电极所加工的深孔（直径 300 m、4.15 mm）等55研究了用于加工微细孔阵列的多模式脉冲电源，包含 RC 模式、电我国哈尔滨工业大学的阻控制模式和电容控制模式等。其硬件部分是由 1 个微处理器和

37、 2 个可编程逻辑器件组成的。在微细电火花加工中，它不仅为系统提供纳秒级的单脉冲还可以通过改变电源的开路电压、电阻、电容等来获得围的能量输出（图 20）。通过实验得知 RC 模式比较适合加工微细孔阵列。采用直径为 41 m 的工具电极在不锈钢板上加工出 66 的孔阵列，每个孔间距为 0.1 mm，微孔直径为 44 m，直径误差不超过 1 m。图 20 多模式脉冲波形输出A. Schubert 和 H. Zeidler 等56采用辅助电极法在绝缘工程陶瓷材料加工出微孔，对微细电火花磨削氧化锆陶瓷的加工机理进行了探讨，并将氧化锆陶瓷表面的加工粗糙度和特征与传统金属材料进行了对比。东京农工大学的 T

38、. Ichikawa 和57对在工作液中施加超声振动和采用超小放电能量的方法实现深孔的微细电火花加工进行了深入研究。通过在工作液中施加超声振动，不仅显著提高了加工速度，而且可以实现利用超小放电能量的微孔加工。此外，实验结果还表明工具电极与工件之间的侧面间隙变小，且工具的损耗率也降低。g58采用为提高电化学微孔加工用螺旋电极的绝缘涂层的涂覆效果，金属工业的 J.电极表面腐蚀的方法来减小表面张力以提高绝缘层的涂覆效果，然后将三层 TiO2 陶瓷膜和三层环氧树脂膜涂覆在工具电极表面以保证绝缘涂层的耐压性能。利用绝缘处理后的电极进行钻孔实验，所得孔的直径为 230 m，而出口直径为 234 m，远优于

39、m）。绝缘处理电极所加工的孔（/出口直径分别为 505/348的等59利用先电火花加工后电化学加工的工艺组合，开展了燃油喷嘴倒锥孔加工研我国究。通过控制电解加工的电压、电流以及工具电极进给速度来达到同时获得倒锥孔、内圆角以及较好表面12加工质量的加工效果。基于对加工电压、脉冲持续时间、占空比以及工具电极进给速度等工艺参数对于加工孔径的影响的研究，用逐渐提高加工电压的方法，在 1 mm 厚的 Ni 板上加工了一个直径 175 m、出口直径 200 m 的倒锥孔；用逐渐减小工具电极进给速度的方法，加工了一个直径为 203 m 的倒锥孔（图 21）。直径为 181 m、出口图 21 锥形孔的微细电化

40、学加工策略德国 Chemnitz 大学的 M. H.-Oschtzchen60用逆向喷射电化学加工的方法来提高喷嘴的内径圆度。仿真模拟得到的电流密度分布图表明电化学溶解主要发生在喷嘴的前壁。逆喷射加工内径 100 m 喷嘴 0.1 s后，喷嘴端面孔径增加了 5 m，而喷嘴内倒角的深度并没有受到影响，而且喷嘴前表面的毛刺也完全被去除掉；加工 0.3 s 后，孔径扩大到 165 m，0.5 s 后，扩大到 175 m。但是由于钝化作用的影响，电化学加工在距离70 m 处停止。和 D. Kurahata61研究了不同的电化学脉冲条件对于加工碳化钨合金微细针东京农工大学的尖的影响。为了防止对工件的损伤

41、，使用 NaNO3 溶液作为电解液，并且用旋转工件和超声冲洗的方法来提高加工精度和材料去除率。为了防止氧化层吸附在工件上，采极性脉冲电流，利用负极性电流时所产生的 NaOH 来吸附氧气以减小其影响。通过上述方法，在 2.5 min 内就加工出了直径为 20 m 的微细针尖。他们还发现调整不同的脉冲周期可以得到不同的材料去除率，并且存在一个最佳的脉冲周期，而为了氧化层的吸附，应该使负极性脉宽长于 50 ms。球形探针是微型 3 坐标测量仪（CMM）的关键之一。为测量微小孔、微小槽等几何特征，微型三坐标仪金属探针直径通常要小于 0.125 mm。台学 C.F. Tsai 等62基于单脉冲放电加工（

42、OPED）和微细电解加工（ECM）技术加工出了直径为 63 m 的微小球形探头，且加工误差控制在2 m（图 22）。图 22 采用OPED 与 ECM 复合加工出的探针及加工偏差6激光加工本届国际电加工会议关于激光和加工方面的涵盖广泛，包括激光微焊接、激光快速成形、激光铣削、激光微加工等方向的分别展示了其研究领域的进展。激光焊接技术用于几十微米厚的薄板连接时，如何控制并消除热变形是需要解决的重要问题。Matsuoka 等63通过试验和数值模拟研究了厚度分别为 20 m 和 50 m 的SUS304 不锈钢薄片激光微焊接技术中焊缝形态对焊接热变形的影响。焊缝形态可以作为判断工艺参数是否合适的一个

43、重要依据。当焊缝为13综 述准焊缝时，焊接件的热变形较小，可以得到较好的焊接质量。此外，焊接件的厚度对焊接热变形也有很大的影响。焊缝形态和焊接件厚度对热变形的影响及交互关系以及热变形的机理仍有待进一步研究。图 23 熔池形态对 50 m 薄板焊接热变形影响在激光快速成型过程中，激光与基材相互作用的区域内气-粉流传输系统对于生产效率和质量的影响引起了众多研究者的和关注。通常情况下，简单的数值模型可以用来阐述激光与粉流的相互作用，但不能解释粉流密度分布随喷嘴出口距离和喷嘴结构的变化。Kovalenko 等64在已知粉流质量和激光参数的情况下，通过数值模拟和实验相结合的方法，得到优化的工艺窗口，从而

44、在激光快速成形过程中获得可控的质量和效率。激光铣削是一种应用范围很广的技术，适用于各种类型材料，尤其是陶瓷、石、硬质合金等难加工材料的加工。Kovalenko 等65利用波长为 1.06 m，平均功率 100 W，脉冲频率 50 kHz 调 Q 激光进行了硬质合金材料的激光铣削研究。与激光钻孔不同，激光铣削过程中熔融材料的堆积不具有对称性。在激光等离子体和冲击波的背压作用下，一些熔融相堆积在铣削路径周围，使工件表面变得不平整，二次表面加工将明显延长铣削时间。激光切割因其无接触、加工速度快、效率高等优点，被广泛用于微型沟槽特征的加工。Slatineanu 等66分析了使用波长 1070 nm，功

45、率 300 W 的掺镱光纤激光在金属（工具钢和弹簧钢）表面加工沟槽时工艺参数对沟槽加工质量的影响，并强调了同轴送气的重要性。但是缺乏系统性研究和理论支持，在加工质量进行定量分析方面有待进一步完善。图 25 激光同轴送气材料去除机理未加工表面 2. 激光加工表面 3. 标尺图 24 （a）激光铣削的 VK8 钢表面第一次激光扫描后的表面轮廓第二次激光扫描后的表面轮廓147增材制造本次国际电加工会议关于增材制造（3D 打印）技术的涵盖了铺粉、送丝、粘结等工艺和熔融成型等增材制造方法的的发展。一个明显的研究趋势是把 3D 打印技术与其它技术相结合，从而提高 3D 打印技术的实用性与技术优势。例如，与

46、拓扑优化设计相结合制造多孔介质材料67，用于 3D打印熔模铸造模具的混合材料，与电磁场结合的增材制造新方法等。在以粉末为原材料的快速成形技术中，要求在每一层粉末后通过滚压铺粉的方法，重新铺上一层粉末薄层。一般通过粉末压紧（der compact）的方法来获得粉末薄层，并要求每一粉末薄层表面光滑、压紧度及厚度适中。A. Budding 等 68的研究发现采用反转辊压紧的方法来进行铺粉并压紧可以获得比正转辊压紧更高的成功率（100 %对 50 %）及更高的粉床体积密度（1.021.22 g/cm3）。而在压紧度要求较低（1 g/cm3）的情况下，刮刀压紧法由于其操作简单、重复性好、成功率高，也是一

47、种较经济的选择。此外，为了拓展个人 3D 打印材料的应用范围，A. Budding 等69还推出了一种基于 3D 打印技术的快速成形设备，如图 26 所示。该 3D 打印技术用液态粘结剂将粉末粘结起来，粉末材料的范围很广，可以是石膏、金属、陶瓷等，整套设备成本约为 900 欧元。图 26 刮刀法（左）和反转辊压紧法（右）图 27 基于 3D 打印技术的快速成形设备随着低成本的木材和 的混合材料（如桉树粉和 PES 混合粉末 WPC）选择性激光烧结的发展，Jiang等70利用选择性激光烧结来加工熔模以代替传统的金属模具，在提高熔模铸造效率的同时降低了成本。为了提高熔模的强度，还提出了将熔模浸泡到

48、熔化的蜡中进行后处理的工艺，不仅提高了熔模的表面质量，还使熔模的抗拉强度增加到 2.4 MPa，弯曲强度提高到 2.82 MPa。基于焊接的增材制造可用于直接成型大型金属零件。该技术应用难点之一是倾斜或悬空结构体的加工，这是因为缺少支撑，在待成型零件边界处液态金属在重力作用下易于滴落。华技大学的 Bai 等71提出使用高频电磁场来限制熔池的方法。实验和模拟的结果都表明电磁场可限制边缘液态金属的滴落或塌陷。在合适的焊接参数和电磁场作用下，可成形倾斜角度为 5060的结构。8结语三年一度的国际电加工会议汇聚了国际特种加工方面的研究成果。由于本文作者的能力所限，难全文均可以在参考文献1所列网页中获以

49、将众多研究成果的精华凝练得极其准确。幸好本届会议的得，有意深入探讨者可以充分利用这一宝贵资源参阅一手资料。参 考文 献/science/journal/22128271/6itz R, Kruth J P. Historical Phases of EDM Development Driven by the Dual Influence of Market12Schumacher B M, KrPull and Science PushJ. Procedia CIRP, 2013, 6: 5-12.Rajurkar K P, Sundaram M M, Malshe A P. Review o

50、f Electrochemical and ElectrodischargeMachiningJ. Procedia CIRP, 2013, 6: 13-26.34Kellens K, Dewulf W, Lauwers B, et al. Environmental Impact Reductin Discrete Manufacturing: Exles for15综 述-Convental ProsesJ. Procedia CIRP, 2013, 6: 27-34.Friel R J, Harris R A. Ultrasonic Additive ManufacturingA Hyb

51、rid Product Procedia CIRP, 2013, 6: 35-40.5Pros for Novel Functal ProductsJ.6S.Hayakawa,Y.Sasaki,F.Itoigawa, et al. Relatship betdischarge machining. Procedia CIRP, 2013, 6 :174-179.n occurrence of material removal and bubble expanin electrical7P. Pon andolfo, P. Haas, R. Perez. Particle Hydrodynami

52、cs of the Electrical Discharge Machining Pros-Part 2: Die SinkingPros.Procedia CIRP, 2013, 6:47-52.8Y.S. Liao, P.S. Wu, F.Y. Liang. Study of Debris ExcluCIRP, 2013, 6:123-128.Effect in Linear Motor Equipped Die-sinking EDM Pros .Procedia9H.P. Schulze, W. Schatzing. Influenof different contaminats on

53、 the electro-erosive and the electrochemicalmicro-machining. Procedia CIRP, 2013,6: 58-63.Fonseca J, Marafona J D. The Importance of Servo Reference Voltage on Multiple DischargesJ. Procedia CIRP, 2013, 6: 417-422.1011Guo Y B, Klink A, Klocke F. Multiscale MCIRP, 2013, 6: 439-444.ing of Sinking-EDM

54、with Gaussian Heat Flux via user SubroutineJ. Procedia12Wang T, Zhe J, Zhang Y Q, et al. Thermal and Fluid Field SimulatCIRP, 2013, 6: 428-432.of Single Pulse Discharge in Dry EDMJ. Procedia13X, Han X, Zhou F, et al. Molecular Dynamics Simulat6: 433-438.of Residual Stress Generated in EDMJ. Procedia

55、 CIRP, 2013,1415K.Y. Song, D.K. Cg, M.S. Park, et al. Development of strip EDM.Procedia CIRP, 2013, 6: 53-57H. Gotoh, T. Tani, M. Okada. Wire electrical discharge milling using a wire guide with reciprocating ro2013, 6:199-202. Procedia CIRP,16L. Zhidong, X. An, Q. Mingbo.Basic study of combust-mate

56、rial removal pros by ulti-functelectrode.Procedia CIRP, 2013, 6:64-70.W. Zhao, L. Gu, H. Xu. et.al. A novel high efficiency electrical ero17pros - Blasting eroarc machiningC.Seventeenthernatal Symium on Electro machining, Procedia CIRP, 2013, 6: 621 625.181920T. Tamura, Development of on-the-Machine

57、 Surface ModificatU. Maradia, M. Scuderi, R. Knaak, et al. Super-finished SurfaE. Uhlmann, D.C. Domingos. Development and OptimizatTechnology in EDM. Procedia CIRP, 2013, 6:117-122. using Meso-micro EDM. Procedia CIRP, 2013, 6: 157-162.of the Die-Sinking EDM-Technology for Machining theNickel-based

58、Alloy MAR-M247 for Turbine Components. Procedia CIRP, 2013, 6:180-185.21Y. Zhao, M. Kunieda, K. Abe. Experimental InvestigatsCIRP, 2013, 6:135-139.o EDM Behaviors of Single Crystal Silicon Carbide. Procedia22O. Malek, J. Vleugels, B. Lauwers. Electrical Discharge Machining of (NbxZr1-x)B2-SiC Com6:1

59、86-189.ites. Procedia CIRP, 2013,23X. Liu, X. Kang, W. Zhao.Electrode Feeding Path Searching for 5-Axis EDM of2013, 6:107-111.egral Shrouded Blisks. Procedia CIRP,2425D.Y., F.G. Cao, J.Y. Liu, et al. Overview on Five-Axis PreciEDM Techniques. Procedia CIRP, 2013, 6:192-198.H. Hada, M. Kunieda,ysis o

60、f wire impedance in wire-WEDM considering electromagnetic fields generated around wireelectrode, Procedia CIRP, 2013, 6: 244- 249.E. Weingrtner, K. Wegener, F. Kuster. Influence of workpiece circumferential speed in wire electrical discharge machining, Procedia CIRP, 2013, 6: 238-243.2627Hou P J, Gu