高效放電加工技術(shù)研究現(xiàn)狀*

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

前蘇聯(lián)科學(xué)院的拉扎連柯夫婦研制出世界上第一臺(tái)實(shí)用化電火花加工裝置，電火花加工技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的飛速發(fā)展，已成為現(xiàn)階段不可或缺的一種加工技術(shù)，在機(jī)械、航空宇航、電子、輕工、模具、汽車等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。電火花加工靠電能和熱能蝕除材料，工具與工件之間沒有直接接觸，不存在宏觀切削力，可以加工任何導(dǎo)電材料，特別適合難加工材料[1-2]。除此之外，放電加工在半導(dǎo)體、絕緣陶瓷等非導(dǎo)電材料加工、彎曲孔加工和微細(xì)加工等方面也有較多研究[3-4]。

近20年來，高速銑削的發(fā)展對電火花加工產(chǎn)生了較大沖擊，為快速適應(yīng)市場需求，提高電火花加工效率成為企業(yè)和研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。人們在傳統(tǒng)電火花加工基礎(chǔ)上，從不同的方面做了探索：改進(jìn)電火花加工工藝、改善機(jī)床結(jié)構(gòu)、提高伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度、提出電火花復(fù)合加工等方法。這些方法難以顯著提高加工效率，為此研究人員研究新的火花電腐蝕原理。電弧加工和放電燒蝕加工采用新的蝕除原理進(jìn)行放電加工，蝕除效率顯著提高。

電火花加工技術(shù)概述

1 加工基本原理

圖1 電火花加工原理Fig.1 Principle of EDM

電火花加工是通過導(dǎo)電工件和工具電極之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余材料，以達(dá)到工件尺寸、形狀及表面質(zhì)量要求的加工技術(shù)。如圖1所示，工具電極和工件分別連接脈沖電源的負(fù)極和正極，工件和工具電極間通常充有液體介質(zhì)。當(dāng)工具電極和工件間距離減小達(dá)到放電要求時(shí)，液體介質(zhì)被擊穿形成放電通道，電流密度可達(dá)到105～106A/cm2。放電通道內(nèi)瞬時(shí)產(chǎn)生大量熱量，致使工件表面金屬產(chǎn)生局部熔化甚至氣化而被蝕除，形成放電凹坑，如圖2所示。隨著放電持續(xù)進(jìn)行，可以將工具電極的形狀復(fù)制到工件上[2,5-6]。

圖2 電火花加工微觀原理Fig.2 Microcosmic principle of EDM

2 加工介質(zhì)的改進(jìn)

加工介質(zhì)在電火花加工過程中起到消電離、冷卻和排出蝕除產(chǎn)物的作用。相對傳統(tǒng)的油介質(zhì)，加工介質(zhì)正向多元化方向發(fā)展。目前研究較多的是水、氣體、混粉加工、水包油以及霧化介質(zhì)。Jeswani[7]和Jilani等[8]用水作為工作介質(zhì)，進(jìn)行了電火花加工試驗(yàn)，表明水作為工作介質(zhì)沒有火災(zāi)隱患，但其加工精度不高，且絕緣性能較差，并且需要保持合理的pH值以防止對工件及機(jī)床的腐蝕。日本的國枝正典最早提出氣中放電電火花加工理論，隨后Li[9]、徐明剛[10]、李立青[11]、Puthumana等[12]對氣中放電加工機(jī)理進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)氣中電火花放電加工可以提高加工精度，但存在短路率高的問題，會(huì)影響加工效率。20世紀(jì)80年代毛利尚武提出了混粉電火花加工技術(shù)，Simao[13]、蘇宏志[14]、趙萬生等[15]對混粉電火花加工進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混粉可使放電間隙增大，保證小脈沖能量下的正常放電，改善了加工表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了混粉電火花鏡面加工。薛榮媛等[16]利用水包油型乳化液作為工作介質(zhì)加工鈦合金TC4，發(fā)現(xiàn)加工效率是煤油的兩倍左右，表面粗糙度值比蒸餾水中減小15%～20%。紀(jì)仁杰等[17]用不同添加劑配制了3種水包油型電火花加工工作液，和煤油相比具有材料去除率高、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。張彥振等[18]開發(fā)了一種油包水型乳化液，試驗(yàn)表明在沖液條件下，較煤油基工作液材料去除率提高7.8%，對工作環(huán)境改善較大。Gu[19]和夏永高等[20]研究了準(zhǔn)干式電火花加工方法，發(fā)現(xiàn)利用高壓霧氣作為工作介質(zhì)可使放電間隙變大，減少短路概率，可以獲得良好的加工表面完整性，能用于精加工，對不同加工介質(zhì)的比較如表1所示。改變傳統(tǒng)的油介質(zhì)，在保證加工效率提高的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)綠色加工，沒有火災(zāi)隱患。

表1 不同加工介質(zhì)的比較

3 排屑性能的提升

在電火花加工過程中，如果加工產(chǎn)生的金屬廢屑不及時(shí)排出，會(huì)重新凝固而堆積在極間，容易導(dǎo)致短路或拉弧，嚴(yán)重影響放電加工的正常進(jìn)行。常采用強(qiáng)迫沖液和工具電極定時(shí)抬刀的辦法，可以有效提高排屑效率和防止拉弧[21]。電極抬刀能有效促進(jìn)排屑、提高加工穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)較為簡單而被廣泛采用[22]。如圖3所示，首先電極抬起，極間形成負(fù)壓區(qū)，新鮮的工作液經(jīng)側(cè)面間隙進(jìn)入電極底部，同時(shí)電極抬起能帶出部分電蝕產(chǎn)物。緊接著電極下降，工作液被擠出，從而沖走廢屑。完成抬刀后，兩極間距離又恢復(fù)到平均放電間隙，放電加工繼續(xù)進(jìn)行。

圖3 抬刀運(yùn)動(dòng)的工作液更新Fig.3 Dielectric fluid renewal of electrode jump motion

傳統(tǒng)抬刀一般是定時(shí)、定速、定高抬刀，為提高排屑效率，產(chǎn)生了高速抬刀和模糊控制抬刀方法。儲(chǔ)召良等[23]做了抬刀運(yùn)動(dòng)對電火花加工電蝕產(chǎn)物濃度影響的試驗(yàn)，結(jié)果表明高速抬刀相對普通抬刀具有更好的排屑效果，使極間的電蝕產(chǎn)物分布均勻且濃度大幅下降，增大了電火花加工的穩(wěn)定性和效率。李澤[21]和Labib等[22]設(shè)計(jì)了電火花模糊抬刀控制系統(tǒng)，表明模糊抬刀方法具有實(shí)時(shí)性高、反應(yīng)迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)抬刀參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化，提高了排屑效率，保證極間放電的穩(wěn)定高效[21,24]。3種抬刀方法比較如表2所示。

表2 不同抬刀方法性能比較

除了抬刀運(yùn)動(dòng)，加工過程中增加極間流場擾動(dòng)也是提高排屑的有效方法。Sundaram等[25]指出采用超聲波促進(jìn)間隙內(nèi)碎屑的排出是有效的。Mohan等[26]利用旋轉(zhuǎn)管電極對金屬基復(fù)合材料進(jìn)行加工，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電極旋轉(zhuǎn)速度的增大，材料去除率得到明顯提高。曹一龍等[27]用螺旋電極進(jìn)行電火花小孔加工，改變加工間隙流場的流動(dòng)狀態(tài)以及電蝕產(chǎn)物的受力，使得圓柱電極間隙流場的層流變?yōu)槁菁y電極的紊流，增強(qiáng)了小孔加工過程中的排屑能力。葉明國等[28]采用永磁電火花復(fù)合加工，當(dāng)加工鐵磁性物質(zhì)時(shí)，通過對廢屑產(chǎn)生一個(gè)軸向的磁力來改善加工屑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止廢屑在極間堆積，使排屑達(dá)到一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)平衡，提高加工速度。

4 脈沖電源的研究

電火花加工過程中，蝕除量主要來源于脈沖電源的能量，放電能量越大則蝕除效率越高，但加工表面質(zhì)量會(huì)受到影響，綜合考慮到表面質(zhì)量和加工效率，采用窄脈寬脈沖電源是一種方法。提高加工效率可以通過降低電源能耗，提高脈沖電源電能利用率來實(shí)現(xiàn)。張海峰等[29]針對傳統(tǒng)脈沖電源存在電能利用率低的弊端，提出一種高效電壓調(diào)節(jié)型火花放電脈沖電源，利用電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化控制，電源具有自適應(yīng)調(diào)壓及等電流脈沖寬度特性，可實(shí)現(xiàn)空載電壓、脈沖寬度、脈沖間隔大范圍獨(dú)立可調(diào)。黃瑞寧等[30]研究了節(jié)能型電火花加工脈沖電源，采用LCL-T拓?fù)渲麟娐方Y(jié)構(gòu)，變壓器二次側(cè)采用同步整流技術(shù)，使得電源平均能效達(dá)到80%。此外，還可以通過提高脈沖利用率來提高加工效率。蘇健等[31]對等能量脈沖電源進(jìn)行了研究，增加了放電擊穿時(shí)刻檢測電路，對每一個(gè)脈沖的放電時(shí)刻進(jìn)行檢測，并作為啟動(dòng)放電持續(xù)時(shí)間及脈沖間隔控制電路的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)等能量的脈沖放電，試驗(yàn)結(jié)果表明，等能量脈沖電源大大提高了脈沖的利用率，加工效率始終高于普通脈沖電源的加工效率20%以上，最高可提高效率50%以上。

電弧加工技術(shù)

電弧弧柱具有極高的能量密度和電熱轉(zhuǎn)換效率，是大電流、長脈沖條件下產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)的自持放電，在電火花加工過程中必須避免發(fā)生，否則將對工件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損害。但如果可以有效地控制電弧通斷，則可以極大地提高放電加工效率[32]。目前主要有電弧氣刨、電熔爆加工、短電弧加工、高速電弧成形加工、電火花電弧復(fù)合銑削加工等方法。

1 電弧氣刨

電弧氣刨是利用碳棒與工件之間產(chǎn)生的高溫電弧將金屬熔化，用壓縮的空氣將熔化金屬吹掉， 并在金屬上加工溝槽的方法。如圖4所示，碳棒與工件之間保持一定的間隙，電源提供強(qiáng)電壓，電弧放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫加熱金屬至熔融，同時(shí)壓縮的高速氣流將熔融態(tài)產(chǎn)物吹出，碳棒以一定的速度沿刨削方向和電極進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)，完成加工[33]。影響電弧氣刨工藝參數(shù)有碳棒規(guī)格及適用電流、刨削速度、電弧長度、碳棒傾角以及碳棒伸出長度等。大電流可以提高刨削速度，并獲得較光滑的刨槽，但電流過大碳棒頭易發(fā)紅，鍍銅層易脫落。刨削速度太快會(huì)形成“夾碳”缺陷，速度過慢易出現(xiàn)“粘渣”問題等。

電弧氣刨可用于難加工材料的大余量去除，加工效率高，但加工精度較低[34]，該方法已廣泛應(yīng)用于焊縫清根、開坡口、切割等加工工藝。加工過程中噪音和污染較大，加工表面缺陷較重，應(yīng)用推廣受到一定的限制，人們研究主要集中在工程應(yīng)用方面[35-36]。

圖4 電弧氣刨加工原理Fig.4 Principle of carbon arc air gouging

2 電熔爆加工

電熔爆技術(shù)采用非接觸性強(qiáng)電加工，帶電工具電極與工件表面間產(chǎn)生特殊電作用，使工件表面局部迅速熔化，在高速工作液的沖擊下，熔化金屬迅速爆離工件表面，以達(dá)到去除金屬的目的，同屬于無切削力加工范疇。如圖5所示，工具盤與工件同向差速旋轉(zhuǎn)，兩者之間保持微小間隙，形成電弧放電，工作液充分連續(xù)的噴淋。加工電流最大能達(dá)到3000A，在刀盤和工件之間的微小間隙內(nèi)產(chǎn)生劇烈放電，高能量密度電流作用下瞬時(shí)產(chǎn)生高溫、高熱，足以使表面大量的材料迅速熔化、氣化，熔化的金屬在工作液的作用下產(chǎn)生劇烈熔爆并迅速爆離工件表面，加工效率高。與此同時(shí)，工具盤作勻速縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成對工件的加工。該技術(shù)不受制于材料的硬度和機(jī)械性能，具有非常好的應(yīng)用前景[37]。

電熔爆技術(shù)是電火花加工技術(shù)的拓展，同屬于無切削力加工范疇，比傳統(tǒng)加工效率高，能耗與加工成本比電火花加工低，不受制于材料的硬度和機(jī)械性能，對各種特殊材料及難加工材料可進(jìn)行經(jīng)濟(jì)而高效的加工。但電熔爆技術(shù)采用脈沖或直流電源放電進(jìn)行加工，加工效率和表面質(zhì)量存在不可調(diào)和的矛盾，刀盤損耗及噪聲等問題也沒有得到根本解決[38]。

圖5 電熔爆加工原理Fig.5 Principle of electrical melting and explosion

3 短電弧加工

短電弧加工技術(shù)是一種非接觸強(qiáng)電流加工技術(shù)，施加一定比例帶壓力氣液混合物工作介質(zhì)，利用兩極之間產(chǎn)生短電弧放電群組或微弧火花放電群組來蝕除材料的一種電切削方法，其加工原理如圖6所示。

圖6 短電弧加工原理Fig.6 Principle of short arc machining

目前新疆短電弧科技有限公司開發(fā)出了短電弧加工技術(shù)及裝備，研究成果獲得了良好的應(yīng)用。周碧勝等[39]研究了短電弧切削技術(shù)在水泥磨輥、立方磨輥高效加工工藝中的應(yīng)用。盧江等[40]對短電弧加工技術(shù)高效性特點(diǎn)進(jìn)行了研究，解釋了短電弧群組加工技術(shù)的高效性。劉宏勝等[41]則對短電弧加工的60#鋼表面層性能進(jìn)行了探索，分析了不同電加工參數(shù)下的工件表面層性能。

4 電弧成形加工

電弧成形加工過程中，電極或工件無法依靠高速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)斷弧，如果高能量的電弧長時(shí)間駐留工件，會(huì)使零件過度蝕除而導(dǎo)致廢品，有效控制斷弧是保證加工的關(guān)鍵。當(dāng)前的斷弧機(jī)制可分為“機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧”和“流體動(dòng)力斷弧”。機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧采用電極和工件之間進(jìn)行高速相對運(yùn)動(dòng)的方式，通過極間電弧沿切向移動(dòng)、拉長甚至拉斷，如圖 7（a）所示[32]。趙萬生等[42-43]提出流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工技術(shù)，斷弧機(jī)理則是變速流體直接作用于弧柱的結(jié)果如圖7（b）所示。

針對成形特殊要求，徐輝等[44]制備了用于高速電弧放電加工的多孔電極，材料去除率MRR＞14000 mm3/min，工具損耗率TWR＜1%。王春亮等[45]研究了用于高速電弧放電加工的疊片電極，驗(yàn)證了疊片電極用于閉式渦輪葉盤流道的可行性。多孔電極和疊片電極的使用，促進(jìn)了電弧加工技術(shù)在成形中的應(yīng)用，單位能量材料去除率顯著提高。

圖7 兩種不同的斷弧機(jī)制Fig.7 Two different kinds of arc breaking mechanisms

5 電火花電弧復(fù)合銑削

電火花電弧復(fù)合銑削采用高壓脈沖電源進(jìn)行擊穿放電，由直流電源通過火花放電通道輸送電弧加工所需的電能，管狀工具電極在數(shù)控系統(tǒng)的控制下按照預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速銑削。該技術(shù)原理如圖8所示，當(dāng)電極足夠靠近工件，形成火花放電通道，直流電源向放電通道輸送電流形成電弧，高溫電弧使電極材料熔化和氣化，同時(shí)管狀電極旋轉(zhuǎn)和沖液起到排屑和冷卻的作用，保證加工穩(wěn)定進(jìn)行[46]。

Wang等[46]提出高速電火花電弧復(fù)合加工技術(shù)，用電火花電弧復(fù)合銑削方法來加工鈦合金Ti-6Al-4V，研究發(fā)現(xiàn)，在電極轉(zhuǎn)速3000r/min，內(nèi)充液壓力為0.32MPa條件下，當(dāng)峰值電流為700A時(shí)，加工效率可達(dá)21494mm3/min，相對電極損耗率為1.7%。Wang等[47]進(jìn)行超高速電火花電弧復(fù)合加工研究，使用內(nèi)外徑分別為4mm和10mm的中空管狀石墨電極，加以內(nèi)充液和輔助側(cè)沖液來加工模具鋼，在電極轉(zhuǎn)速3000r/min，峰值電流為700A時(shí)，加工最高去除率達(dá)到12688mm3/min，相對電極損耗為2.3%。Wang等[48]利用高電流密度電火花銑削來加工鎳基合金Inconel718，使用石墨電極，有效的沖液起到有效斷開放電通道和冷卻工件的作用，研究發(fā)現(xiàn)沖液壓力為0.32MPa，峰值電流為920A時(shí)，其材料去除率達(dá)到15062mm3/min，相對電極損耗為1.73%。高效電弧加工各種方法比較如表3所示。

圖8 電火花電弧復(fù)合銑削原理圖Fig.8 Illustration of ultra-high-speed combined machining of EDM and arc machining

表3 各種電弧加工方法比較

放電燒蝕加工

放電燒蝕加工是由南航劉志東教授團(tuán)隊(duì)提出的高效放電加工技術(shù)，電火花加工首先活化金屬基體，誘導(dǎo)氧氣與基體發(fā)生可控?zé)g，形成加工。該技術(shù)材料去除率高，加工能量來自金屬自身的氧化燃燒，反應(yīng)劇烈，加工表面存在一定缺陷。如何控制金屬的燃燒反應(yīng)，并輔以其他方法對已加工表面進(jìn)行優(yōu)化處理，達(dá)到加工效率的同時(shí)保證表面質(zhì)量是研究的重點(diǎn)。

1 加工原理

放電燒蝕加工技術(shù)是利用電火花放電誘導(dǎo)氧氣與金屬在通氧階段發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放的大量化學(xué)能進(jìn)行高效地蝕除加工。燒蝕加工過程包含引燃活化、氧化蝕除和修整加工3個(gè)階段，如圖9所示[49]。引燃活化階段利用電極與工件間火花放電形成的高溫加熱工件表面，形成高溫活化區(qū)域，如圖9（a）所示；氧化蝕除階段活化金屬氧化放出大量熱形成熔融金屬和氧化物，在放電爆炸力和氣流沖刷下，排出加工區(qū)域，如圖9（b）所示；修整階段停止供氧，常規(guī)電火花放電進(jìn)行修整蝕除，如圖9（c）所示。

2 燒蝕加工能量來源

放電點(diǎn)金屬被加熱活化后，活化區(qū)金屬與氧氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，并釋放巨大的化學(xué)能，該過程可以用一個(gè)化學(xué)反應(yīng)表示：金屬+氧氣→金屬氧化物+大量化學(xué)能。

這些能量直接作用于放電點(diǎn)周圍基體金屬并使局部金屬熔化，而金屬熔化所需要的能量并不巨大，例如1mol鐵與氧氣充分燃燒生成Fe3O4釋放的能量理論上可以將20.7mol鐵加熱至熔融態(tài)[50]。在金屬燃燒過程中，未排出的蝕除產(chǎn)物受到放電通道擠壓從熔融坑底部推出來，這些熔融物質(zhì)加熱表面的金屬可以形成二次燃燒，生成傳播性燒蝕擴(kuò)展，如圖10 所示[51]。

Cao等[52]采用單脈沖對鈦合金進(jìn)行高效燒蝕穿孔加工，對材料蝕除機(jī)理進(jìn)行分析。單個(gè)大電流脈沖點(diǎn)燃金屬，發(fā)生氧化反應(yīng)，在放電通道擠壓和氣流沖刷下，熔融金屬沿著電極壁形成傳播性擴(kuò)展燒蝕，如圖11所示，試驗(yàn)得出單脈沖誘導(dǎo)燒蝕穿孔效率是電火花的10萬倍。Cao等[53]研究沖液霧化燒蝕深孔加工技術(shù)，試驗(yàn)表明沖液霧化燒蝕加工效率是內(nèi)沖液電火花加工的6.47倍。

圖9 燒蝕加工微觀過程Fig.9 Microcosmic machining processes of EDM ablation

圖10 傳播性燒蝕擴(kuò)展Fig.10 Ablation extension process

圖11 單脈沖穿孔示意和對應(yīng)的實(shí)物SEMFig.11 Illustration of mono-pulse EDM ablation drilling and corresponding SEM

3 功能電極燒蝕加工

為了分散燒蝕加工過程的能量，許俊[54]和Xu等[55]進(jìn)行了氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工技術(shù)研究，采用功能電極對Cr12進(jìn)行燒蝕銑削，原理如圖12所示。功能電極通道分為氣體介質(zhì)輸入單元和氧氣輸入單元，高壓工作液和具有一定壓力的氧氣分別通過工作液輸入單元和氣體介質(zhì)輸入單元，同時(shí)噴入加工區(qū)域，相互沖擊形成均勻的氣液混合工作介質(zhì)沖向工件表面，研究表明采用正極性加工時(shí)，其加工效率為常規(guī)電火花銑削的近10倍，加工表面粗糙度為 8.1μm[54-55]。

4 燒蝕機(jī)械復(fù)合加工

王琳等[56]提出電火花誘導(dǎo)可控?zé)g高效磨削工藝，通過導(dǎo)電磨輪電火花引燃燒蝕并軟化工件材料，然后將已燒蝕和軟化的材料磨除，電火花誘導(dǎo)作用下的可控?zé)g與機(jī)械磨削兩種狀態(tài)交替進(jìn)行直至加工結(jié)束，其原理如圖13所示。試驗(yàn)表明燒蝕磨削可獲得與機(jī)械磨削相近的表面粗糙度，比電火花磨削表面好，且放電利用率提高，該工藝方法大大提高難加工材料的可磨削性。劉仁體等[57]針對燒蝕加工產(chǎn)生較大燒蝕坑的問題，將燒蝕加工與傳統(tǒng)的機(jī)械磨削相結(jié)合，復(fù)合機(jī)械磨頭進(jìn)行修整，提出了電火花誘導(dǎo)燒蝕機(jī)械磨頭修整加工方法，達(dá)到提高加工效率和降低燒蝕加工表面粗糙度的效果。陳龍海[58]和Liu等[59]研究了電火花誘導(dǎo)可控?zé)g復(fù)合車削技術(shù)，對TC4鈦合金進(jìn)行放電誘導(dǎo)可控?zé)g，并同時(shí)通過車刀主切削刃在線修整去除燒蝕層和軟化層，副切削刃在線修整已加工表面。

邱明波等[60]利用金剛石的修整作用，研究了金剛石燒結(jié)電極放電燒蝕加工，電極是內(nèi)部隨機(jī)分布金剛石顆粒的管狀燒結(jié)磨頭。加工過程首先在鈦合金表面產(chǎn)生電火花誘導(dǎo)燒蝕，然后利用金剛石顆粒在線修整燒蝕加工表面，提高燒蝕效率及表面質(zhì)量，其原理如圖14所示，在相同試驗(yàn)條件下，金剛石燒結(jié)電極的燒蝕加工效率是常規(guī)電火花鉆削加工的14.5倍，并獲得了近似機(jī)械加工的表面質(zhì)量[60]。

圖12 氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削Fig.12 Multi-function electrode EDM ablation milling

圖13 燒蝕磨削微觀原理Fig.13 Microcosmic principle of EDM ablation grinding

圖14 燒結(jié)金剛石電極電火花加工原理Fig.14 Principle of sintered diamond electrode EDM

結(jié)束語

加工效率是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，電火花加工過程的高效化不僅需要從其加工原理去探索，而且還需要在設(shè)備、工藝等方面展開研究。在高效放電加工中，對加工機(jī)理、加工工藝以及裝備開發(fā)等方面都有待深入探索，針對難加工金屬材料及導(dǎo)電非金屬材料零件具有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）同傳統(tǒng)切削相比，電火花加工效率較低，可以從改進(jìn)工作介質(zhì)、提升排屑性能、使用新型脈沖電源等方面來改善電火花加工性能，提高加工效率。由于需要避免產(chǎn)生電弧燒傷工件，電火花加工效率的提升不明顯，但是電火花加工精度高，表面質(zhì)量好，可以用于零件的精加工。

（2）電弧弧柱能量密度很高，如果長時(shí)間作用于工件表面，會(huì)對工件造成燒傷，甚至過度蝕除而導(dǎo)致廢品，有效控制電弧通斷是電弧加工技術(shù)的研究重點(diǎn)。利用電弧放電進(jìn)行高效加工，材料去除率高，雖然表面存在一定缺陷，但在難加工材料零件的粗加工和大余量去除方面應(yīng)用前景廣泛。

（3）放電燒蝕加工獨(dú)辟蹊徑，利用電火花誘導(dǎo)金屬燃燒釋放大量化學(xué)能，材料蝕除率高，在氧氣關(guān)斷期間，放電加工起到常規(guī)電火花加工作用。因此，放電燒蝕加工在高效蝕除工件的同時(shí)，可以獲得類似電火花加工的良好表面質(zhì)量。

（4）燒蝕機(jī)械復(fù)合加工結(jié)合燒蝕和機(jī)械加工的作用，燒蝕不但可以去除工件材料，而且能夠軟化表面，緊跟的機(jī)械加工可以去除軟化工件，得到類似機(jī)械加工的表面。加工過程中機(jī)械作用的工件材料為軟化基體，宏觀切削力較小，該技術(shù)與傳統(tǒng)特種加工相似，可以用于薄壁、低剛度的工件加工，與材料的機(jī)械性能無關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]KUMAR S, SINGH R, SINGH T P, et al. Surface modification by electrical discharge machining: A review[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(8): 3675-3687.

[2]劉志東, 高長水. 電火花加工工藝及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

LIU Zhidong, GAO Changshui. EDM technology and appication[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2011.

[3]ZELLER F, H?SEL T, MüLLER C, et al. Microstructuring of non-conductive silicon carbide by electrical discharge machining[J]. Microsystem Technologies, 2014,20(10-11): 1875-1880.

[4]SHABGARD M R, GHOLIPOOR A,BASERI H. A review on recent developments in machining methods based on electrical discharge phenomena[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 87(5):2081-2097.

[5]HO K H, NEWMAN S T. State of the art electrical discharge machining (EDM)[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003,43(13): 1287-1300.

[6]KUNIEDA M, LAUWERS B,RAJURKAR K P, et al. Advancing EDM through fundamental insight into the process[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2005, 54(2): 64-87.

[7]JESWANI M L. Electrical discharge machining in distilled water[J]. Wear, 1981,72(1): 81-88.

[8]JILANI S T, PANDEY P C.Experimental investigations into the performance of water as dielectric in EDM[J].International Journal of Machine Tool Design and Research, 1984, 24(1): 31-43.

[9]LI L Q, WANG Z L, GUO Y F,et al. Experimental research on machining performance of electrode materials in dry EDM[J]. Materials Science Form, 2006, 531/533:173-176.

[10]徐明剛, 張建華, 張勤河,等. 超聲振動(dòng)改善氣體介質(zhì)電火花加工的機(jī)理研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2007, 18(11): 1261-1264.

XU Minggang， ZHANG Jianhua， ZHANG Qinhe， et al. Study on the mechanism of ultrasonic vibration in improving the effect of gas medium electrical discharge machining[J].China Mechanical Engineering, 2007, 18(11):1261-1264.

[11]李立青, 趙萬生, 狄士春, 等. 氣體放電加工基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(2): 203-207.

LI Liqing, ZHAO Wansheng, DI Shichun,et al. Experimental study on electrical discharge machining in gas[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering , 2006, 42(2): 203-207.

[12]PUTHUMANA G, JOSHI S S.Investigations into performance of dry EDM using slotted electrodes[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2011, 12(6): 957-963.

[13]SIMAO J, LEE H G, ASPINWALL D K, et al. Workpiece surface modification using electrical discharge machining[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture, 2003, 43(2):121-128.

[14]蘇宏志, 王顯方. 基于正交試驗(yàn)的混粉電火花加工的研究[J]. 新技術(shù)新工藝,2016(8):49-51.

SU Hongzhi, WANG Xianfang. Research on powder mixed EDM based on orthogonal experiment[J]. New Technology & New Process,2016(8):49-51.

[15]趙萬生, 孟慶國, 劉維東, 等. 混粉電火花鏡面加工技術(shù)的研究及進(jìn)展[J]. 中國機(jī)械工程, 2001, 12(4):466-469.

ZHAO Wansheng, MENG Qingguo, LIU Weidong, et al. An overview of research on mirror surface machining by using powdermixed fluid EDM[J]. China Mechanical Engineering, 2001, 12(4):466-469.

[16]薛榮媛, 劉志東, 王祥志, 等. 水包油型乳化液鈦合金TC4電火花加工特性研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2014, 25(9):1164-1168.

XUE Rongyuan, LIU Zhidong, WANG Xiangzhi, et al. Research on titanium alloy TC4 electrical-discharge machining characteristics using oil-in-water emulsion[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(9):1164-1168.

[17]紀(jì)仁杰, 劉永紅, 張彥振, 等. 不同添加劑對電火花加工工作液的影響[C]//第13屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議集,中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì). 2009.

JI Renjie, LIU Yonghong, ZHANG Yanzhen, et al. Effect of different additives on working fluid for EDM[C]// Transactions of the 13th Nontraditional Machining Conference of China, Nontraditional Machining Chapter of Chinese Mechanical Engineering Society, 2009.

[18]張彥振, 劉永紅, 紀(jì)仁杰, 等. 油包水型電火花成形加工乳化液流變特性研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 47(5):188-193.

ZHANG Yanzhen, LIU Yonghong, JI Renjie, et al. Research on the rheology of water-in-oil emulsion used in sinking electrodischarge machining[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(5):188-193.

[19]GU L. Electrical discharge machining in jetted mist[C]//Proceedings of the ISEM XV, Pittsburgh, USA, 2007.

[20]夏永高, 顧琳, 趙萬生. 干式和準(zhǔn)干式電火花加工技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電加工與模具, 2007(6): 22-26.

XIA Yonggao, GU Lin, ZHAO Wansheng.Developments and applications of dry-EDM and quasi-dry-EDM[J]. Electromachining &Mould, 2007(6): 22-26.

[21]李澤. 電火花模糊抬刀控制研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2016.

LI Ze. Research on fuzzy jump control for electrical discharge machining[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2016.

[22]LABIB A W, KEASBERRY V J,ATKINSON J, et al. Towards next generation electrochemical machining controllers: a fuzzy logic control approach to ECM[J]. Expert Systems With Applications, 2011, 38(6): 7486-7493.

[23]儲(chǔ)召良. 電極抬刀運(yùn)動(dòng)與電火花加工性能研究[D]. 上海:上海交通大學(xué),2013.

CHU Zhaoliang. Study of electrode jump motion and EDM performance[J]. Shanghai:Shanghai Jiao Tong University, 2013.

[24]儲(chǔ)召良, 趙萬生, 顧琳. 抬刀運(yùn)動(dòng)對電火花加工電蝕產(chǎn)物濃度的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(11): 185-192.

CHU Zhaoliang, ZHAO Wansheng,GU Lin . Effect of electrode jump motion on machining debris concentration[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(11): 185-192.

[25]SUNDARAM M M, BILLA S,RAJURKAR K P. Generation of high aspect ratio micro holes by a hybrid micromachining process[C]//ASME 2007 International Manufacturing Science and Engineering Conference, Georgia, USA, 2007.

[26]MOHAN B, RAJADURAI A,SATYANARAYANA K G. Electric discharge machining of Al-SiC metal matrix composites using rotary tube electrode[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 153-154(1): 978-985.

[27]曹一龍, 曹明讓, 郝岳峰, 等. 螺旋電極電火花小孔加工排屑仿真和試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2015 (1): 89-92.

CAO Yilong, CAO Mingrang, HAO Yuefeng, et al. The chip removal simulation and experimental research of EDM drilling with spiral electrode for small hole[J]. Machine Design and Research, 2015(1): 89-92.

[28]葉明國, 楊勝強(qiáng), 曹明讓. 永磁電火花復(fù)合深小孔加工流場排屑模擬[J]. 電加工與模具, 2009(4): 17-20.

YE Mingguo, YANG Shengqiang, CAO Mingrang. Fluid field simulation of debris driven during small hole permanent magnetic field and EDM compound drilling[J]. Electromachining &Mould, 2009(4): 17-20.

[29]張海峰, 劉永紅, 沈蓉, 等. 高效電壓調(diào)節(jié)型電火花脈沖電源的設(shè)計(jì)[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2009, 33(6):116-120.

ZHANG Haifeng, LIU Yonghong, SHEN Rong, et al. Design of voltage-adjusting and high-effective EDM pulse generator[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2009, 33(6): 116-120.

[30]黃瑞寧, 李毅, 劉曉飛,等. 節(jié)能型電火花加工脈沖電源的研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2016, 27(18): 2520-2523.

HUANG Ruining, LI Yi, LIU Xiaofei, et al.Research on energy-saving EDM pulse power supply[J]. China Mechanical Engineering, 2016,27(18): 2520-2523.

[31]蘇健, 葉樹林. 等能量脈沖電源的研究[J]. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 23(2): 30-33.

SU Jian , YE Shulin. The study of isopulse generator[J]. Journal of Foshan University (Natural Science Edition) , 2005, 23(2): 30-33.

[32]顧琳. 電弧放電加工—航空難切削材料的高效加工技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù),2016(3): 36-41.

GU Lin. Electrical arc machining—high efficient machining technology for difficultto-cut aeronautical materials[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2016(3): 36-41.

[33]楊建國, 胡軍峰, 方洪淵, 等. 電弧氣刨過程應(yīng)力場特點(diǎn)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(8): 233-237.

YANG Jianguo, HU Junfeng, FANG Hongyuan, et al. Characteristic of stress field during the carbon arc air gouging process[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008, 44(8): 233-237.

[34]PARKANSKY N, BEILIS I I,RAPOPORT L, et al. Electrode erosion and coating properties in pulsed air arc deposition of WC-based hard alloys[J]. Surface and Coatings Technology, 1998, 105(1-2): 130-134.

[35]邢卓, 崔曉東. 904L不銹鋼揮發(fā)銨蒸氨塔的焊接[J]. 焊接技術(shù), 2005, 34(1): 46-47.

XING Zhuo, CUI Xiaodong. Welding of 904L stainless steel volatile ammonium ammonia evaporimeter[J]. Welding & Joining, 2005, 34(1):46-47.

[36]李慶賀. 非熔化盤式電極清根技術(shù)研究[D]. 北京：中國石油大學(xué), 2009.

LI Qinghe. Study on non-consumable diskshaped electrode gouging technology[D]. Beijing:China University of Petroleum, 2009.

[37]柴永生, 李巖, 李文卓. 電熔爆銑削機(jī)床及加工試驗(yàn)研究[C]//第14屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議, 蘇州, 2011.

CHAI Yongsheng, LI Yan, LI Wenzhuo. The electrical melting and explosion milling machine tool and experimental research[C]//Transactions of the 14th Nontraditional Machining Conference of China, Suzhou, 2011.

[38]梁楚華, 朱志堅(jiān), 楊明潔. 電熔爆技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 現(xiàn)代制造工程,2004(1): 98-100.

LIANG Chuhua, ZHU Zhijian, YANG Mingjie. The development status and prospect of the electrical melting and explosion technique[J].Modern Manufacturing Engineering, 2004(1): 98-100.

[39]周碧勝, 周新民. 短電弧切削技術(shù)對水泥磨輥、立磨輥高效加工的工藝應(yīng)用[C]//第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì), 2013.

ZHOU Bisheng, ZHOU Xinmin. Application of short electricity arc cutting on high efficiency machining technology for cement grinding roller and vertical grinding roller[C]// Transactions of the 15th Nontraditional Machining Conference of China, Nontraditional Machining Chapter of Chinese Mechanical Engineering Society, 2013.

[40]盧江, 梁楚華, 周碧勝. 基于短電弧切削加工技術(shù)高效性特點(diǎn)的研究[J].電加工與模具, 2011(2): 57-60.

LU Jiang, LIANG Chuhua, ZHOU Bisheng.The research of the high efficiency based on the short electricity arc cutting[J]. Electromachining& Mould, 2011(2): 57-60.

[41]劉宏勝, 周建平, 張君澤, 等. 基于短電弧加工的60#鋼表面層性能初探[J].機(jī)床與液壓, 2014(19): 23-27.

LIU Hongsheng, ZHOU Jianping, ZHANG Junze, et al. Study of surface layer properties of 60# steel based on short electrical arc machining[J]. Machine Tool & Hydraulics,2014(19): 23-27.

[42]趙萬生, 顧琳, 徐輝, 等. 基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工[J]. 電加工與模具, 2012(5): 50-54.

ZHAO Wansheng, GU Lin, XU Hui, et al. High-speed electrical arc machining based on hydrodynamic arc breaking mechanism[J].Electromachining and Mould, 2012(5): 50-54.

[43]ZHAO W S, GU L, XU H, et al. A novel high efficiency electrical erosion process- blasting erosion arc machining[J]. Procedia CIRP, 2013, 6(5): 622-626.

[44]徐輝, 顧琳, 趙萬生, 等. 高速電弧放電加工的工藝特性研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 51(17): 177-183.

XU Hui, GU Lin, ZHAO Wansheng, et al.Study of machining characteristics of blasting erosion arc machining[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(17): 177-183.

[45]王春亮, 顧琳, 趙萬生. 用于高速電弧放電加工的疊片電極[J]. 電加工與模具,2015(6): 6-9.

WANG Chunliang, GU Lin, ZHAO Wansheng. Laminated electrode applied in blasting erosion arc machining[J].Electromachining and Mould, 2015(6): 6-9.

[46]WANG F, LIU Y, ZHANG Y, et al.Compound machining of titanium alloy by super high speed EDM milling and arc machining[J].Journal of Materials Processing Technology,2014, 214(3): 531-538.

[47]WANG F, LIU Y, TANG Z, et al. Ultra-high-speed combined machining of electrical discharge machining and arc machining[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture, 2013, 228(5): 663-672.

[48]WANG F, LIU Y H, SHEN Y, et al.Machining performance of inconel 718 using high current density electrical discharge milling[J].Advanced Manufacturing Processes, 2013,28(10): 1147-1152.

[49]劉志東. 放電誘導(dǎo)可控?zé)g高效加工典型工藝方法[J]. 電加工與模具, 2012(1):1-6.

LIU Zhidong. Series typical efficient machining methods of controllable burning by discharge-induced[J]. Electromachining &Mould, 2012(1): 1-6.

[50]邱明波, 曹中利, 劉志東. 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工技術(shù)研究[C]//中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì).全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議, 2015.

QIU Mingbo, CAO Zhongli, LIU Zhidong.Research on deep hole machining by discharge induced ablation[C]// Nontraditional Machining Chapter of Chinese Mechanical Engineering Society. Nontraditional Machining Conference of China, 2015.

[51]WANG X Z, LIU Z D, QIU M B, et al. Mechanism of electrical discharge machining ablation[J]. Advanced Manufacturing Processes,2014, 29(11-12): 1367-1373.

[52]CAO Z, LIU Z, WANG X, et al.Monopulse electrical discharge machining ablation drilling technology for Ti-6Al-4V titanium alloy[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016,86(1):1-8.

[53]CAO Z, LIU Z, LING J, et al. Deeptype hole machining by inner jetted aerosol dielectric ablation[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015,78(9): 1989-1998.

[54]許俊, 劉志東, 徐安陽, 等. 氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕高效銑削研究[J]. 電加工與模具, 2013(2): 16-20.

XU Jun, LIU Zhidong, XU Anyang, et al. Study on high-efficient spark-induced ablation milling by gas-liquid mixture function electrode[J]. Electromachining & Mould, 2013(2):16-20.

[55]XU A, LIU Z, LI W, et al. Study of high-efficiency electrical discharge machininginduced ablation machining of titanium alloy TC4 using a multi-function electrode[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 72(1): 377-385.

[56]王琳, 劉志東, 邱明波, 等. 鈦合金TC4電火花誘導(dǎo)可控?zé)g高效磨削技術(shù)研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2012, 33(8): 1524-1530.

WANG Lin, LIU Zhidong, QIU Mingbo,et al. Study of TC4 controllable burned efficient grinding induced by electrical discharge machining[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33(8): 1524-1530.

[57]劉仁體, 邱明波, 徐安陽, 等. 電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工方法研究[J].電加工與模具, 2016(4): 1-6.

LIU Renti, QIU Mingbo, XU Anyang, et al. Study on the electro-discharge machining induced ablation added grinding finishing machining[J]. Electromachining & Mould,2016(4): 1-6.

[58]陳龍海, 劉志東, 邱明波, 等. TC4鈦合金電火花誘導(dǎo)可控?zé)g復(fù)合車削技術(shù)研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2013, 34(11): 2626-2634.

CHEN Longhai, LIU Zhidong, QIU Mingbo,et al. Technical research of combined machining of TC4 titanium alloy by edm induced controllable combustion and turning dressing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(11):2626-2634.

[59]LIU Z D, YIN C J, CHEN L H, et al.Efficient combined machining of electro sparkinduced controllable combustion and turning dressing for TC4[J]. Advanced Materials and Manufacturing Processes, 2014, 29(5): 614-620.

[60]邱明波, 凌加健, 陳龍海, 等. 金剛石燒結(jié)電極放電燒蝕加工蝕除機(jī)理[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 51(3): 190-195.

QIU Mingbo, LING Jiajian, CHEN Longhai,et al. The mechanisms of processing by sparkinduced combustion with sintered diamond electrode[J]. Journal of Mechanical Engineering,2015, 51(3): 190-195.