【文章內(nèi)容簡介】 40 年代逐漸興起的一個(gè)新工藝、新技術(shù)。由前蘇聯(lián) 學(xué)者拉扎連科夫婦于 1943 年發(fā)明 [13]。隨著脈沖電源和控制系統(tǒng)的改進(jìn)，電火花加工得到了迅速的發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展，新材料的加工要求也在不斷提高，尤其是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，以及新的高硬度、高韌性、高強(qiáng)度和其他難加工材料的不斷涌現(xiàn)，電火花加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程得到了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并逐步走向成熟。如今，電火花加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天技術(shù)、高精密機(jī)械以及模具制造等國家的支柱產(chǎn)業(yè)中。由于電火花加工的原理獨(dú)特，可以完成各種難加工材料、一些具有復(fù)雜曲面零件的加工以及一些特殊殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –7– 或者極端要 求的加工。在現(xiàn)代化制造業(yè)里，電火花加工已經(jīng)成為一種無可替代的先進(jìn)加工方法 [14]。 在特種加工里，電火花加工是最常用的加工方法之一。在電火花的整個(gè)加工過程中，高壓脈沖放電擊穿距離極近的兩電極之間的絕緣介質(zhì)，火花放電產(chǎn)生的高能量腐蝕去除兩電極上的材料，但一次放電的材料去除量是微乎其微的，通過微觀去除的不斷積累，實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件的加工。 電火花加工的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（ 1）適合于難切削材料的加工；（ 2）可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件；（ 3）易于實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化；（ 4）可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)的工藝性等 [15]。 電 火花加工的原理是利用刀具和工件（正、負(fù)電極）之間的電火花脈沖放電腐蝕去除多余的金屬，以達(dá)到零件加工要求預(yù)定的大小、形狀和表面質(zhì)量。放電腐蝕現(xiàn)象早在20 世紀(jì)初就被人們發(fā)現(xiàn)。例如，插頭或電器開關(guān)的接觸點(diǎn)，在打開、接觸時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生電火花，接觸面被燒灼，從而變得粗糙，進(jìn)而被燒灼成坑。長期以來，電火花腐蝕被人們一直認(rèn)為是有害的，人們不斷的研究產(chǎn)生電腐蝕的原因，并嘗試通過一定的手段來減輕和避免電腐蝕的產(chǎn)生。但是事情都是一分為二的，利害、優(yōu)缺點(diǎn)之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。只要掌握其中的規(guī)律，在某些情況下，事情可以從壞的轉(zhuǎn)變?yōu)?好的，對人們有害的事物同樣可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷θ藗冇欣?。研究結(jié)果表明，電火花腐蝕產(chǎn)生的主要原因是：放電過程中產(chǎn)生大量的熱量，使電極達(dá)到非常高的溫度從而可以使任何的金屬局部熔化、氣化從而產(chǎn)生放電坑。這樣，人們在想辦法避免電火花腐蝕金屬的同時(shí)，開始研究如何利用該腐蝕用于金屬材料的加工。要達(dá)到這一目的，必須創(chuàng)造以下條件，解決下列問題 [16]： （ 1）必須使工件被加工表面與工具電極之間一直保持一定的放電間隙，隨著加工條件的變化，間隙也要相應(yīng)的變化，但通常為 ～ 。當(dāng)放電間隙過大時(shí)，機(jī)床加在正負(fù)電極之間的電壓 將不能夠擊穿工作介質(zhì)，因而也將不會(huì)產(chǎn)生電火花，使加工不能夠進(jìn)行；當(dāng)放電間隙過小時(shí)，很可能造成短路，也不能產(chǎn)生電火花，影響加工的進(jìn)行。所以，電火花加工機(jī)床必須有相應(yīng)的工具電極自動(dòng)進(jìn)給裝置和調(diào)節(jié)裝置，以使在加工過程中能夠讓電極和工件之間有最利于加工的距離。 （ 2）讓機(jī)床加在正負(fù)電極上的工作電壓為脈沖電壓，這樣在整個(gè)加工過程中，可以使放電加工進(jìn)行一段時(shí)間、停歇一段時(shí)間。這樣可以把放電產(chǎn)生的高能量聚集在放電點(diǎn)，在能量擴(kuò)散之前完成工件材料的去除；否則，持續(xù)放電，只能使大面積的溫升，使工件材料熔化、燒傷，該加工只能用于 焊接或者切割，而無法完成電火花材料去除加工。 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –8– （ 3）火花放電必須在煤油、皂化液、去離子水等有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行。只有介質(zhì)具有較高的絕緣強(qiáng)度，才有利于產(chǎn)生脈沖性的火花放電。液體介質(zhì)還負(fù)責(zé)把火花放電過程中產(chǎn)生的碳黑、金屬小屑、小氣泡等電蝕產(chǎn)物從放電間隙中排出去，液體介質(zhì)還對電極和工件表面有冷卻的作用。 電火花加工過程理論上可以分為四個(gè)階段，電火花加工去除材料就是這四個(gè)階段周而復(fù)始的疊加過程 [15]。 （ 1）極間介質(zhì)的擊穿與放電 工具電極與工件之間在脈沖電壓的作用下將形成一個(gè)電場，電場強(qiáng)度隨著兩電極間電 壓的升高或極間距離的減小而增大。兩電極間的電場強(qiáng)度并非均勻，這是因?yàn)楣ぞ唠姌O和工件的微觀表面是凹凸不平的，而且兩電極間的距離有非常小。液體介質(zhì)中帶電粒子在電場的作用下迅速聚集于電場強(qiáng)度最大處，使極間電場更不均勻，當(dāng)陰極表面某處的場強(qiáng)超過 106V/cm 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生場致電子發(fā)射，由陰極表面逸出電子。電子在電場作用下向陽極高速運(yùn)動(dòng)并碰撞介質(zhì)中的中性粒子，產(chǎn)生碰撞電離，形成帶正電的粒子和帶負(fù)點(diǎn)的電子，碰撞電離持續(xù)發(fā)生并迅速增多，使介質(zhì)擊穿而放電，該過程非常迅速，一般為 107～ 108s，間隙電阻迅速從絕緣狀況降低 到幾分之一歐姆，間隙電流迅速增大。由于放電通道直徑很小，所以通道中的電流密度高達(dá) 105～ 106A/cm2。 （ 2）能量的轉(zhuǎn)換、分布與傳遞 極間介質(zhì)一旦被擊穿，脈沖電源將瞬時(shí)釋放能量，把電能轉(zhuǎn)化為熱能、磁能、動(dòng)能、聲能、光能等。其中大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，使兩電極放電點(diǎn)和通道本身溫度迅速上升，該處局部產(chǎn)生熔化或氣化，通道中的介質(zhì)也氣化或者熱分解；還有一部分熱量在傳導(dǎo)、輻射過程中消耗掉。 （ 3）電極材料的拋出 脈沖放電初期，放電點(diǎn)的局部金屬材料在瞬時(shí)高溫的作用下氣化和熔化。短促的氣化會(huì)產(chǎn)生非常大的熱爆炸力，被加熱 至熔化狀態(tài)的材料被擠出或?yàn)R出。在脈沖放電的初始階段或者脈沖放電持續(xù)時(shí)間短時(shí)，這種熱爆炸力拋出效應(yīng)顯著。而整個(gè)脈沖放電期間，主要是電動(dòng)力和流體動(dòng)力在起主要作用。放電過程中產(chǎn)生的氣泡壓力很大，放電結(jié)束后，氣泡溫度停止上升，但是氣泡在介質(zhì)液體的慣性作用下繼續(xù)增大，從而泡內(nèi)的壓力急劇降低，甚至?xí)档酱髿鈮阂韵?，形成局部真空，使溶解在過熱和熔化材料中的氣體析出，熔化的高溫材料本身在低壓下繼續(xù)沸騰。熔融金屬材料及其蒸汽在壓力驟降的情況下從小坑中再次沸騰飛濺而被拋出。 （ 4）極間介質(zhì)的消電離 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –9– 一次脈沖放電結(jié)束后，有一段時(shí) 間間隔，使間隙介質(zhì)消電離，恢復(fù)本次放電通道處間隙介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，而順利的按照兩極相對電阻率最小或最近處形成下一擊穿放電通道。這一脈沖間隔時(shí)間的選擇，不僅要考慮介質(zhì)本身消電離所需的時(shí)間，還要考慮電蝕產(chǎn)物排離出放電區(qū)域的難易程度。 電火花加工的原理決定了其具有一定的局限性，如：只能用于加工金屬等導(dǎo)電材料，加工速度一般較慢，存在電極損耗，最小角部半徑有限制，加工后的表面由無數(shù)小凹坑組成，粗、中加工時(shí)較毛糙，且表面有一薄薄的變質(zhì)層。 電火花加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 隨著科技的發(fā)展，人們對材料以及加工質(zhì)量的要求也 越來越高，電火花加工技術(shù)作為一種特種加工在未來的加工制造中所起的作用將會(huì)越來越重要，其加工質(zhì)量會(huì)隨著科技的進(jìn)步而不斷提高，新的科技也將會(huì)在電火花加工當(dāng)中應(yīng)用的越來越多。 目前，電火花加工主要分為以下幾種加工：（ 1）微細(xì)電火花加工；（ 2）電火花線切割加工；（ 3）混粉電火花加工；（ 4）空氣中放電電火花加工；（ 5）電火花銑削加工；（ 6）電火花表面改性和堆積加工；（ 7）特殊材料（如：超硬材料、半導(dǎo)體材料、絕緣材料）的電火花加工；（ 8）電火花復(fù)合加工；（ 9）高速電火花小孔加工等 [14]。 隨著產(chǎn)品性能、精度、材料、信 息、技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，電火花加工技術(shù)向著更深層次、更高水平的方向發(fā)展，發(fā)展的總體趨勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（ 1）多軸聯(lián)動(dòng)化；（ 2）微細(xì)化；（ 3）高效化；（ 4）多元化；（ 5）綠色化；（ 6）復(fù)合化 [17]。 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –10– 2 電火花加工試驗(yàn) 殷鋼加工試樣制備 企業(yè)給學(xué)校機(jī)械工程學(xué)院現(xiàn)代制造研究所提供的 試驗(yàn) 用的殷鋼為大塊體 ，且表面粗糙，氧化嚴(yán)重，無法用以 試驗(yàn) 用，因此必須經(jīng)過一定的嚴(yán)格的處理才能被用于 實(shí)驗(yàn)室 的微精密電火花加工試驗(yàn)用。加工試樣的制備步驟包括切割、粘接、研磨、清洗等四步。 （ 1）切割 從大塊狀的殷鋼體上切割下 755520mm 的殷鋼小塊體。考慮到加工費(fèi)用的問題，利用鋸片對大塊殷鋼進(jìn)行切割，之后又使用 砂輪對殷鋼小塊體的兩面進(jìn)行磨削 ，而不用電火花線切割，雖然線切割制造試樣的表面精度高，且兩個(gè) 7555mm 的表面平行度好。經(jīng)加工 下來的殷鋼小塊體經(jīng)過后期的進(jìn)一步加工處理同樣能夠達(dá)到 試驗(yàn) 要求的精度，因此不用電火花線切割也是可以的。 （ 2）粘接 用鋸片 切割下來的殷鋼塊體要經(jīng)過進(jìn)一步的研磨才能符合 試驗(yàn) 要求的精度。而本 試驗(yàn) 采用手工研磨，所用設(shè)備為現(xiàn)代制造研究所超凈 實(shí)驗(yàn)室 的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)重力式研磨拋光機(jī)（如圖 所示）。由于殷鋼試 樣體積較小、質(zhì)量較輕，且非回轉(zhuǎn)型塊體，為方便研磨，需要把試樣粘貼在 圓盤 試驗(yàn)塊上，以利于試驗(yàn)操作，所用粘貼劑為石蠟 。 圖 旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)重力式研磨拋光機(jī) 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –11– （ 3）研磨 現(xiàn)代制造研究所超凈 實(shí)驗(yàn)室 的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)重力式研磨拋光機(jī)主旋轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)速為400rpm， 試驗(yàn) 中所用的轉(zhuǎn)速為 120rpm，輔以試樣自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，用自來水冷卻并沖洗研磨中磨下來的金屬粉末以及砂紙的沙粒。 研磨的目的是為了去除鉗工切割時(shí)導(dǎo)致的深的劃痕，同時(shí)使殷鋼塊體的 試驗(yàn) 加工表面達(dá)到一定的表面粗糙度，以適合電火花加工。本 試驗(yàn) 研磨時(shí)所用的濕磨砂質(zhì)粒度 號從小到大為 400、 600、 800、 1000。 為防止將殷鋼塊體加工表面磨黑，應(yīng)嚴(yán)格控制每次研磨的時(shí)間。研磨次數(shù)、每次研磨時(shí)間見表 所示。 表 殷鋼研磨時(shí)間及次數(shù) 砂紙?zhí)?粒度 400 600 800 1000 研磨時(shí)間（ s） 120 120 60 30 研磨次數(shù) 3 3 2 2 （ 4）清洗 研磨完的殷鋼試樣仍然粘在圓柱試驗(yàn)塊上，為使其脫離試驗(yàn)塊，先在電磁爐上加熱整個(gè)粘接體（加熱時(shí)，讓圓盤 試驗(yàn)塊在下，防止劃傷磨好的殷鋼表面），當(dāng)粘接劑石 蠟熔化后，用 鑷子將殷鋼試樣 從圓盤上取 下 ，接著用試紙吸試樣上的石蠟，重復(fù)三次，再用酒精棉擦拭，重復(fù)幾次， 直到試樣被清洗干凈為止，最后用 水沖洗， 高壓氣槍 吹干。（整個(gè)過程中試樣及試驗(yàn)塊溫度很高，應(yīng)時(shí)刻注意避免燙傷） 將研磨完成的殷鋼試樣（圖 ）拿到超凈 實(shí)驗(yàn)室 的 Olympus MX40 型 金相顯微鏡（見圖 ）下觀察，該金相顯微鏡具有明、暗場模式，能實(shí)現(xiàn) 50～ 1000 倍放大，并具有外接設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)圖像采集和保存功能，用該顯微鏡觀察試樣表面形貌，拍照并保存照片，其表面微觀形貌如圖 所示，但是在觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)殷鋼表面偶爾會(huì)有一些微小的―空洞 ‖（如圖 所示），分析為在鑄造加工殷鋼時(shí)由于排氣措施不合理，造成了殷鋼內(nèi)部溶有氣體，從而造成了孔洞缺陷（圖中的形狀不規(guī)則的黑色部分），由于這樣的缺陷很少、且面積很小，對整個(gè)電火花加工結(jié)果的影響極小，故可以忽略不計(jì)。顯微鏡下觀察在磨完的表面上有錯(cuò)綜復(fù)雜的微觀劃痕，表明整個(gè)研磨過程均勻、平穩(wěn)。 （后來，用超凈實(shí)驗(yàn)室的平面度儀測量得到研磨后的殷鋼 表面 平面度為 ，用 ZYGO NewView5022 型表面輪廓儀 測得研磨后殷鋼表面的粗糙度為 ） 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –12– 圖 研磨完成的殷鋼試樣 圖 Olympus MX40 型 金相顯微鏡 圖 研磨后殷鋼表面形貌 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –13– 圖 殷鋼內(nèi)部的氣孔缺陷 工具電極的制備方法 銅板疊加式組合電極 用紫銅板 紫銅是一種常用的電極材料， 試驗(yàn) 中用電解制銅板作為制備工具電極的原材料。所用銅板的參數(shù)見表 。 表 銅板的規(guī)格 厚度（ mm） 平行度（ μm） 表面粗糙度（ μm） 1 ≤20 6 把大銅板用切割機(jī)切成兩種小銅板以備疊加時(shí)用（大小銅棒經(jīng)過鉗工加工，以便其形貌更好，更適合電火花精密加工），兩種小銅板的規(guī)格分別為： a．厚 1mm、長 50mm、寬 50mm； b．厚 1mm、長 50mm、寬 49mm。 之后，在兩種銅板上鉆 Φ9mm的孔，各 尺寸參數(shù)如圖 銅板尺寸參數(shù)所示。 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –14– 圖 銅板尺寸參數(shù) （單位： mm） 為了將所切得的銅板組合到一起，必須之作一個(gè)夾子，使銅板能夠穩(wěn)定地固定在上面。該夾子必須導(dǎo)電良好，上面還得有能夠連接到電火花加工機(jī)床上的部件。 綜合以上要求，選用厚 的 45 號鋼制作一個(gè) ―L‖形的銅板夾，其上有固定用孔和連接用孔。其中固定銅板的孔位 Φ9mm 的通孔，連接機(jī)床用的孔位 為 Φ6mm 的螺紋孔，銅板夾的寬度為 45mm。 ―L‖形銅板夾尺寸參數(shù)如圖 所示。 圖 銅板夾尺寸參數(shù) 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –15– 銅板夾的實(shí)體效果圖如圖 所示 圖 銅板夾實(shí)體效果圖 將已加工好的兩種銅板（大、小銅板各 12 片）相間用螺栓、螺母、墊片緊固在銅板夾上，并旋擰上一段帶螺紋的鋼棒（用螺栓加工而成），用以連接到電火花加工機(jī)床上用。為保證各個(gè)銅板間接觸良好、導(dǎo)電良好，緊固螺栓、螺母應(yīng)擰緊，從而使銅板的原變形得以恢復(fù)，能夠更好的導(dǎo)電。制備好的組合電極效果圖如圖 所示 。 圖 制備好的銅板疊加電極效果圖 殷鋼冷卻板冷卻微流道電火花加工研究 –16– 一體式紫銅工具電極 用紫銅棒 將直徑為 50mm 形狀規(guī)整的紫銅棒垂直于軸線切割成厚為 27～ 28mm 的圓柱，再在車床上車削兩個(gè)端面，使兩端面完全垂直于軸線，接著再半精車、精車其中一個(gè)端面，使其表