【正文】 具。從總體來說，微細(xì)電火花加工技術(shù)在國際和國內(nèi)都取得了較大進(jìn)展，日本已到了實用化的階段。我國目前的微細(xì)電火花加工技術(shù)和用于該技術(shù)的微小驅(qū)動裝置也已經(jīng)取得了階段性的突破和成果，用微細(xì)電火花加工技術(shù)已經(jīng)能制作 Φ15μm 的微細(xì)軸和Φ19μm 的微小孔，接近國際先進(jìn)水平。微細(xì)電火花加工技術(shù)具有電極制作簡單、電極與工件間宏觀作用力小、可控性好等優(yōu)點，微細(xì)電火花加工技術(shù)已成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的一個重要組成部分，在精密機(jī)械加工、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、光學(xué)、通訊、模具等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)合我國微細(xì)電火花成形加工技術(shù)的實際情況，比如在電火花成形加工工藝技術(shù)方面，我們有不少能工巧匠，在長期的生產(chǎn)實踐中積累了豐富的工藝經(jīng)驗，加工出許多具有國際領(lǐng)先水平的工件。也就是說，在工藝領(lǐng)域我們具有相對的技術(shù)優(yōu)勢，如果投入一定的技術(shù)力量認(rèn)真研究，我國微細(xì)電火花成形加工技術(shù)將會有更大的進(jìn)展和突破。現(xiàn)在，國際上微細(xì)電火花加工技術(shù)發(fā)展主要有幾個趨勢，在某種程度上來說，這也是它的發(fā)展特點：精密微細(xì)化微細(xì)加工在近代加工技術(shù)中是一個新的加工領(lǐng)域。微細(xì)電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標(biāo)之一。圖 11 是日本東京生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授 [1]加工出的 Φ5um 的微細(xì)孔和 的微細(xì)軸，代表了當(dāng)前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。圖 11 Φ5μm 的微細(xì)孔和 的微細(xì)軸德國卡爾斯魯厄(karlsruhe) 大學(xué)和日本東京大學(xué) [2]利用線電極電火花磨削（WEDG)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了硬質(zhì)合金微型銑刀的加工技術(shù)，并利用該銑刀進(jìn)行了銑削加工試驗(圖12)。圖 12 硬質(zhì)合金微型銑刀及其加工形狀智能化雖然智能控制系統(tǒng)在微細(xì)電火花成形加工中得到了大量應(yīng)用，但仍有許多不完善之處，需解決一些問題。為此，微細(xì)電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應(yīng)重點研究和應(yīng)用以下技術(shù)。具體為：（1）專家系統(tǒng)的應(yīng)用。國外微細(xì)電火花成形機(jī)床在專家系統(tǒng)方而有了新的進(jìn)展，加工時可自動選取最優(yōu)參數(shù)，自動監(jiān)控加工過程，實現(xiàn)自動化最優(yōu)控制。（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自學(xué)習(xí)、容錯性和并行處理信息的能力，可以提高對放電狀態(tài)、加工效率、放電位置等的預(yù)測精度，提高在線實時控制效果，推動微細(xì)電火花成形加上過程控制向更高層次發(fā)展。圖 13 是機(jī)床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定工藝參數(shù)的流程圖。圖 13 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定工藝參數(shù)的流程圖（3）模糊控制技術(shù)的應(yīng)用。目前，國外電火花成形機(jī)幾乎都應(yīng)用了模糊控制(FC)技術(shù)。用模糊控制理論可以起到替代一個熟練操作人員的作用。即對檢測到的間隙放電狀態(tài)進(jìn)行模糊推理，以識別加工是否高效、穩(wěn)定，由此確定下階段新的加工參數(shù)，來實現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。個性化隨著生產(chǎn)的需要，各行各業(yè)出現(xiàn)了許多特殊的零件與結(jié)構(gòu)，與之對應(yīng)，為了適應(yīng)零件多品種、小批量的特點，微細(xì)電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能也呈現(xiàn)個性化的發(fā)展趨勢。高效化近年來在提高微細(xì)電火花成型加工效率方面有了新突破。利用非燃性工作液或在工作液中加入添加劑的微細(xì)電火花成形加工機(jī)可成倍提高加工速度。新型電源和機(jī)器人技術(shù)也已應(yīng)用到了微細(xì)電火花加工機(jī)床中，使微細(xì)電火花線切割機(jī)床的加工速度和其他性能有了大幅度提高。 有限元法仿真在電火花加工中的應(yīng)用隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使仿真技術(shù)在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，其中數(shù)值模擬方法，特別是有限元方法，作為一種先進(jìn)的科學(xué)手段，具有物理意義明確和易于考慮邊界條件等優(yōu)點，是進(jìn)行電火花加工機(jī)理研究的有效途徑。在工程中，許多問題都可以歸結(jié)為解某一個特定的微分方程組，但由于實際問題多種多樣，邊界條件十分復(fù)雜，有限元方法就是把無法用理論方法精確求解的復(fù)雜問題，通過一定的方法轉(zhuǎn)換為可計算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計算機(jī)對原問題進(jìn)行近似求解的一種工程計算方法。自上個世紀(jì) 80 年代以來，有限元方法就被國內(nèi)外的很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者應(yīng)用到了電火花加工的研究當(dāng)中，并在溫度場等方面的研究取得了顯著的進(jìn)展。微細(xì)電火花加工溫度場的研究工作受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。使用高分辨率的測溫儀雖然可以采集溫度場數(shù)據(jù)，但是費用昂貴，而且采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響；應(yīng)用有限差分法研究溫度場雖有精確度高等優(yōu)點，但不適用于復(fù)雜的邊界條件。而有限元法克服了這一缺點。B．Revaz，Anjali V．Kulkarni，Yadava Vinod，J ．Marafona等分別開展了這方面的研究工作。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué) [3]和廣東工業(yè)大學(xué)也相繼開展了這方面的研究工作。a)電火花加工有限元模型 b)溫度模擬結(jié)果圖14 電火花加工的溫度場分析 [14]J．Marafona [4]利用有限元法模擬了放電加工的電熱過程，模型正極為銅，負(fù)極為鋼，放電通道抽象為均勻的圓柱體，使用定半徑的表面熱源，并對放電后電極和工件的溫度場進(jìn)行了分析（見圖14）。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較后，基本上反映了單脈沖電火花加工的實際溫度場分布情況。國內(nèi)也有研究人員曾用有限元仿真方法模擬氣中微細(xì)電火花沉積加工 [5]的工具電極和工件的單脈沖溫度場，如圖15所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。圖15 單脈沖瞬態(tài)溫度場，工具電極放電中心的溫度隨時間變化曲線，并用此曲線預(yù)測工藝參數(shù)劃分了范圍，并把圖16陰影區(qū)域作為工藝參數(shù)的選擇區(qū)。峰值電流 I/A放電持續(xù)時間 t/μs0246810121 2 3 4 5 6Tm 熔點Tb 沸點Cu(+)TmFe()TmCu(+)TbFe()Tb圖 16 氣中微細(xì)電火花沉積的工藝參數(shù)范圍圖最后通過實驗對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，該實驗選擇在普通電火花成形機(jī)床 DP30 上進(jìn)行。加工介質(zhì)為空氣，電極材料為黃銅， ，接正極；工件為普通高速鋼，接?負(fù)極。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了三組工藝參數(shù)(見表 11)。表 11 沉積黃銅選用的工藝參數(shù)工藝參數(shù) 1 工藝參數(shù) 2 工藝參數(shù) 3峰值電流 I/A 脈沖寬度 ti/μs 4 8 8脈沖間隔 to/μs 30 120 120使用這三組工藝參數(shù)進(jìn)行加工，均有沉積物生成。如圖 17 所示為氣中微細(xì)電火花沉積加工實例。其中峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。沉積柱直徑 ，高 ，加工時間 180min，加工過程中火花微弱，沉積增長緩慢但十分穩(wěn)定，沉積效果良好。由此，驗證了氣中微細(xì)電火花沉積溫度場的數(shù)值模擬分析對預(yù)測其工藝參數(shù)適用。圖 17 氣中微細(xì)電火花沉積加工實例 課題的主要研究內(nèi)容微細(xì)電火花加工是從傳統(tǒng)電火花加工中演變出來的一種新的加工方法，雖然機(jī)理方面和傳統(tǒng)的電火花加工并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但其能加工微細(xì)結(jié)構(gòu)的特點還是與電火花加工有著很多的區(qū)別的。因此，我將以微細(xì)電火花加工為研究對象，研究其溫度場方面的一些相關(guān)內(nèi)容。本課題將就微細(xì)電火花加工技術(shù)的以下問題進(jìn)行研究：（1）以傳統(tǒng)電火花加工理論為基礎(chǔ)，從電火花加工中影響材料放電蝕除的主要因素入手，分析微細(xì)電火花加工的機(jī)理和特點。（2）建立微細(xì)電火花加工的熱源模型，用 MARC 軟件模擬微細(xì)電火花加工過程中工具電極和工件溫度場變化。（3）通過對比氣體和液體介質(zhì)中，不同極性，不同材料的溫度場變化，分析和揭示微細(xì)電火花加工過程中工具電極和工件溫度場變化規(guī)律及特性。（4）分析模擬工具電極和工件溫度場變化對于研究微細(xì)電火花加工的重要作用和意義。第 2 章 微細(xì)電火花加工的相關(guān)原理 微細(xì)電火花加工的基本原理工具電極和工件分別接在脈沖電源的兩極，兩極之間有一定的間隙，間隙充滿工作介質(zhì)。當(dāng)兩極間加上脈沖電壓時，由于工具電極與工件表面微觀不平，使極間電場分布不均勻。工具電極在伺服機(jī)構(gòu)的控制下向工件進(jìn)給，當(dāng)極間的間隙減小到一定值時，導(dǎo)致介質(zhì)在相對最小間隙處或絕緣強(qiáng)度最低處電離擊穿，形成放電通道，在該局部產(chǎn)生瞬時脈沖火花放電。由于受到放電時磁場力箍縮效應(yīng)和周圍工作介質(zhì)壓縮效應(yīng)的作用，通道瞬間擴(kuò)展受到限制，使放電能量集中于很小的范圍內(nèi)。在放電通道非常小的空間內(nèi)將瞬時流過放電電流，電流密度極大，可達(dá) 104~107 A/cm2。通道中的介質(zhì)以等離子體狀態(tài)存在，其離子與電子的數(shù)量幾乎相等，因此，該通道是電的良導(dǎo)體并呈電中性。在這種時間和空間高度集中的情況下，在極間電場作用下，通道中的正離子與電子高速地向陰極和陽極運動并發(fā)生劇烈碰撞，動能轉(zhuǎn)變成熱能，在工件表面形成熱源。由于這一加熱過程一般只有 107~104s，所以 使電極材料迅速熔化、氣化。這些氣化后的金屬蒸汽瞬時間體積猛增，快速熱膨脹，導(dǎo)致氣壓升高，產(chǎn)生很大的熱爆炸力，使熔融態(tài)的電極材料被排擠、拋出而進(jìn)入工作介質(zhì)中。在脈沖間隔期間，兩電極間消電離，工作介質(zhì)恢復(fù)絕緣狀態(tài)。重復(fù)上述過程，雖然脈沖放電蝕除的工件材料量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的工件材料，完成微細(xì)電火花加工。圖 21 為微細(xì)電火花加工裝置示意圖 [6]。1自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置 2工具 3工作液 4工件 5工作液泵 6脈沖電源 圖 21 微細(xì)電火花加工裝置示意圖。 微細(xì)電火花加工的微觀過程微細(xì)電火花加工過程大致分為以下幾個階段：（1）極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。放電通道是由大量帶正電和負(fù)電的粒子以及中性粒子組成，帶電粒子高速運動，相互碰撞，產(chǎn)生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達(dá)到 10000 攝氏度以上。由于放電開始階段通道截面很小，而通道內(nèi)由于高溫?zé)崤蛎浶纬傻膲毫Ω哌_(dá)幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴(kuò)展，產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。在放電的同時還伴隨著光效應(yīng)和聲效應(yīng)，這就形成了肉眼所能看到的電火花。（2）電極材料的融化，汽化熱膨脹。工作介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負(fù)電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負(fù)極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化直至沸騰氣化。通道高溫高壓，形成了爆炸膨脹的特性。所以在觀察微細(xì)電火花加工時，可以看到工件與工具電極間有冒煙現(xiàn)象并聽到輕微的爆炸聲。（3）電極材料的拋出。正負(fù)電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。通道中心的壓力最高，金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸汽被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作介質(zhì)中。加工中看到的桔紅色火花就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。（4）極間介質(zhì)的消電離。在微細(xì)電火花放電加工過程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物如果來不及排除和擴(kuò)散，那么產(chǎn)生的熱量將不能及時傳出，使該處介質(zhì)局部過熱，局部過熱的工作液高溫分解，結(jié)碳，使加工無法進(jìn)行，并燒壞電極。因此為了保證微細(xì)電火花加工過程的正常進(jìn)行，在兩次放電之間必須有足夠的時間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排除，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作介質(zhì)消電離。實際上，微細(xì)電火花加工的過程遠(yuǎn)比上述復(fù)雜，它是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學(xué)和膠體化學(xué)等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程 [6]。 微細(xì)電火花加工的實現(xiàn)條件實現(xiàn)微細(xì)電火花加工，應(yīng)具備如下條件：工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離。在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可以適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質(zhì)、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極距離過短，則會造成短路，在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現(xiàn)電腐蝕加工。兩電極之間必須充入介質(zhì)。在進(jìn)行微細(xì)電火花加工時，兩極間一般采用液體介質(zhì)；進(jìn)行沉積加工時，采用氣體介質(zhì)效果更好。輸送到兩電極間的脈沖能量密度應(yīng)足夠大。在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑） ，實現(xiàn)微細(xì)電火花加工。所以，放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。放電必須是短時間的脈沖放電。由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴(kuò)散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)。脈沖放電需重復(fù)多次進(jìn)行，并且多次脈沖放電在時間上和空間上是分散的。這里包含兩個方面的意義：其一，時間上相鄰的兩個脈沖不在同一點上形成通道；其二，若在一定時間范圍內(nèi)脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時間內(nèi)，脈沖放電應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免發(fā)生電弧和局部燒傷。脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時排放至放電間隙之外，使重復(fù)性放電順利進(jìn)行。在微細(xì)電火花加工過程中中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物（如介質(zhì)的汽化物）亦可以促進(jìn)上述過程；另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等。 微細(xì)電火花加工的工作介質(zhì)選擇微細(xì)電火花加工通常在液體介質(zhì)中進(jìn)行。工作液密度和粘度較大，壓縮放電通道的能力強(qiáng)，產(chǎn)生較大的爆炸力，強(qiáng)化電蝕產(chǎn)物的拋出效應(yīng)。工作液的氣化、膨脹部分的去除效果，會對熔化并要轉(zhuǎn)移到工件表面的電極材料有很強(qiáng)的沖刷作用，這對去除加工十分有利。一般來說微細(xì)電火花加工用煤油作為工作液，在放電過程中將發(fā)生熱分解，而產(chǎn)生大量的碳，還能和金屬結(jié)合形成金屬碳化物的顆粒，即膠團(tuán) [7]。中性的膠團(tuán)在電場作用下可能與其可動層脫離，而成為帶負(fù)電的碳膠粒。碳膠粒在電場的作用下會向正極移動，并吸附在正極表面，進(jìn)而在正極表面生成一層碳黑膜。該層黑膜可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這對傳統(tǒng)的去除加工是十分有利的。