特種加工中超聲輔助電火花加工技術(shù)及機(jī)理

摘 要：在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提升的今天，傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的弊端逐漸顯現(xiàn)，電火花加工技術(shù)隨之更新，并得到迅速發(fā)展。當(dāng)前，超聲輔助電火花加工工藝在工業(yè)生產(chǎn)中普遍開展，同時(shí)隨著工業(yè)生產(chǎn)中綠色環(huán)保的理念不斷深入，將工藝介質(zhì)不斷更迭在電火花加工技術(shù)里，我國電火花加工技術(shù)水平隨之發(fā)展，起到關(guān)鍵的推動作用。

關(guān)鍵詞：電火花加工;氣體介質(zhì);超聲振動

很多裝備設(shè)計(jì)中，為保障零件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，常用難加工金屬材料。為保證材料組織的穩(wěn)定，零件毛坯設(shè)計(jì)比較大，導(dǎo)致加工中材料去除量比較大。目前主要是采用切削加工或電火花成型加工，都存在成本高、效率低的問題。超聲輔助電火花加工綜合了數(shù)控切削加工和電火花成型加工優(yōu)勢，由數(shù)控系統(tǒng)控制標(biāo)準(zhǔn)電極，按軌跡加工，解決切削加工中刀具磨損大的問題和電火花成型加工中電極制造難的問題，并且利于極間蝕除顆粒排出，有助于提高加工效率，但是加工過程復(fù)雜而難以有效控制。經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者多年努力，特種加工中超聲輔助電火花加工工藝研究取得了突破性進(jìn)展。

1 特種加工中超聲輔助電火花加工工藝基本原理

超聲輔助電火花加工技術(shù)把多種新型介質(zhì)的電火花加工技術(shù)應(yīng)用于電火花技術(shù)加工中，通過分層制造原理，借鑒快速原型制造技術(shù)進(jìn)行分層數(shù)控加工，實(shí)現(xiàn)加工工藝的完成。

超聲輔助電火花工藝加工工作原理如下：

簡易電極在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，根據(jù)超聲振動輔助，按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行分層掃描加工（可在超聲振動輔助下通過工具電極與工件之間的不同放點(diǎn)位置的介質(zhì)放電加工出所需的工件形狀）;在整個(gè)電火花加工過程中，工具電極與工件分別于脈沖電源的兩端連接，工具電極旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行超聲振動，同時(shí)管狀工具電極中可通以液體、氣體等多種形式的電火花介質(zhì);在數(shù)控系統(tǒng)的作用下，工具電極的底面始終與被加工表面保持適當(dāng)?shù)木嚯x，并在絕緣強(qiáng)度最低處或間隙最小處擊穿產(chǎn)生火花放電，放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使工件電極表面材料熔化和氣化;這樣隨著連續(xù)不斷的重負(fù)脈沖放電以及工具電極的伺服進(jìn)給運(yùn)動，加工軌跡上的工件材料逐漸被蝕除，進(jìn)而加工出所需的工件形狀。

2 特種加工中超聲輔助電火花加工技術(shù)特點(diǎn)

電火花加工利用工具電極與工件之間的脈沖性火花放電產(chǎn)生的局部高溫、高壓來蝕除工件材料，可加工任何硬、脆、韌的導(dǎo)電材料。隨著技術(shù)發(fā)展，電火花加工的加工對象已經(jīng)擴(kuò)展到非導(dǎo)電材料領(lǐng)域，并向微細(xì)領(lǐng)域發(fā)展。電火花加工的應(yīng)用越來越廣泛。

超聲輔助氣中電火花加工工藝根據(jù)分層制造的電火花加工方式，其加工思想是將復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)制造過程演變?yōu)檩^為簡單的二維結(jié)構(gòu)的制造過程，與等高線數(shù)控類似，利用簡易電極，逐層去除加工材料，從而簡化了制造的難度。該技術(shù)的關(guān)鍵體現(xiàn)在層面本身的制造精度和層面之間的平滑過渡上。從工藝的角度講，層面之間的平滑過渡是通過分層厚度來體現(xiàn)的，而層面本身的制造精度一般由電極軌跡的規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)。

3 特種加工中超聲輔助電火花加工技術(shù)存在的問題

電火花加工工藝是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的電火花成型加工技術(shù)。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量研究，取得了很大進(jìn)展，但在機(jī)理、設(shè)備、介質(zhì)、工藝、質(zhì)量等方面的研究仍顯不足，目前電火花加工還存在智能化程度較低、操作困難、成本高和效率低等問題。

電火花工藝放電機(jī)理的研究，主要開展了放電點(diǎn)的位置、氣泡運(yùn)動、等離子體通道直徑等方面的研究，研究手段主要是依賴高速攝像機(jī)、應(yīng)力傳感器等檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行理論分析。但是，各方面的研究相對獨(dú)立，沒有開展系統(tǒng)分析研究，對材料熔化、蝕除顆粒排出等機(jī)理沒有深入研究，對于微細(xì)工件加工還需要尺度效應(yīng)和錯(cuò)位理論等有關(guān)理論研究，需要?dú)w納總結(jié)加工特性，以理論指導(dǎo)試驗(yàn)和實(shí)踐。

4 特種加工中超聲輔助電火花加工技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)前制造行業(yè)中，難加工材料加工，采用切削加工的局限越來越明顯，不僅效率低、周期長、刀具成本大，且以進(jìn)口為主存在一定的戰(zhàn)略隱患。采用超聲輔助電火花加工技術(shù)能夠較好地解決這些問題，值得進(jìn)一步被重視，向高速化、精密化、細(xì)微化和綠色化發(fā)展。

（1）高速化發(fā)展。目前研究采用的伺服驅(qū)動方式，控制精度不高，面對批量生產(chǎn)需求的差距很大，研發(fā)高效伺服驅(qū)動系統(tǒng)勢在必行。

（2）精密化發(fā)展。極性效應(yīng)，是電火花加工的基本機(jī)理。在極性效應(yīng)的作用下，電極逐步損耗變形，減低了銑削加工的精度。不斷積累的加工屑，會影響電火花銑削過程的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低成型精度。因此，在今后的發(fā)展工藝中，應(yīng)注重提高設(shè)備的先進(jìn)性、工藝和技術(shù)的精細(xì)及加工精度的準(zhǔn)確率。

（3）微細(xì)化發(fā)展。微細(xì)電火花加工是重要的微細(xì)加工技術(shù)，尤其是一些微小三維型面的加工中，其電極制作難度大、損耗大，導(dǎo)致成本高、精度低，采用微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)能夠解決這一瓶頸問題，但是，目前電火花銑削加工的微尺寸工件的表面質(zhì)量不高。因此，未來有效改善微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)的加工質(zhì)量值得深入研究。

（4）綠色化發(fā)展 。綠色制造是先進(jìn)制造理念和模式，電火花銑削加工技術(shù)融入該理念，是實(shí)現(xiàn)制造過程環(huán)境友好的重要舉措。當(dāng)前，電火花加工中，工作介質(zhì)因電離而產(chǎn)生有害氣霧、加工產(chǎn)生的噪音，以及資源消耗、電磁輻射、刺激性氣味等問題比較嚴(yán)重。未來，電火花銑削加工提高綠色性能，選擇與應(yīng)用優(yōu)質(zhì)介質(zhì)，減少電離氣霧;提高設(shè)備主軸精密驅(qū)動，降低噪聲，以及廣泛開展集成加工，提高效能比。

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究，電火花銑削技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，為機(jī)械加工，尤其是難加工材料的加工做出了貢獻(xiàn)。但是，還存在加工效率低，加工精度低，加工成本高，以及微細(xì)化加工難以突破等問題。為了適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展需求，今后應(yīng)重視高速化、精密化、細(xì)微化和綠色化。

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作者簡介：崔同磊（1993-），男，山東昌樂人，碩士研究生，研究方向：特種加工。