趙萬生,康小明,吳 杰,王 丹

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

第16屆國際電加工會議(ISEM-ⅩⅥ)于2010年4月19日至23日在上海舉行。國際電加工會議是國際生產(chǎn)工程研究院(CIRP)的系列國際會議之一,也是國際特種加工學(xué)術(shù)界最高級別的學(xué)術(shù)盛會。本屆國際電加工會議是首次在中國舉行,由中國機(jī)械學(xué)會特種加工分會主辦,上海交通大學(xué)承辦。會議實(shí)際錄用了來自世界各地的論文146篇,其中19篇為展示論文,127篇收錄入會議論文集《Proceedingsof the 16th International Symposium on Electromachining》。本文對收錄到論文集中的部分論文進(jìn)行了綜述,期望對國內(nèi)從事特種加工研究和開發(fā)的人們了解國際上最新的研究動態(tài)有所幫助。

1 電火花成形加工

1.1 基礎(chǔ)理論的新進(jìn)展

日本東京大學(xué)的Masaroni Kunieda[1]從極間氣泡、等離子體通道的產(chǎn)生與發(fā)展、極間能量的分布等多個(gè)角度,對電火花加工放電間隙中的基本現(xiàn)象和基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究。通過對流場的仿真,得到在液中進(jìn)行連續(xù)的電火花加工時(shí),放電間隙大部分被放電過程產(chǎn)生的氣泡所占據(jù)。即使在有一定沖液的情況下,被氣泡占據(jù)的極間加工面積也可達(dá)到50%以上。因此,液中連續(xù)電火花加工與氣中放電加工更加接近而非單純的液中單次放電。其所產(chǎn)生的加工屑的大小分布介于液中單次放電和氣中單次放電之間(圖1)。通過采用高速攝影機(jī)對單脈沖放電產(chǎn)生的等離子體區(qū)域進(jìn)行觀測,得到在極間介質(zhì)擊穿后,等離子體通道的直徑會在數(shù)微秒內(nèi)增大到極間距離的數(shù)倍,也明顯大于電蝕坑的直徑。通過對極間能量分布的研究,得出在微細(xì)電火花加工中損失在極間的能量大約占到85%,明顯高于常規(guī)尺度下的電火花加工,因?yàn)榇蟛糠帜芰勘幌脑诘入x子體通道的產(chǎn)生和擴(kuò)展上。

圖1 同氣泡分布條件下的加工屑大小的分布

日本名古屋科技大學(xué)S.Hayakawa等[2]設(shè)計(jì)了一套特殊裝置(圖2),對電火花加工過程中放電產(chǎn)生的金屬碎屑的飛散過程進(jìn)行了觀測和研究,并討論了電火花加工過程中的材料去除現(xiàn)象。通過高速攝像機(jī)對放電間隙區(qū)域的氣泡產(chǎn)生和飛散碎屑進(jìn)行了觀測,結(jié)果表明:①不管是否使用絕緣工作液,電極材料都會產(chǎn)生熔融現(xiàn)象;②工件材料的去除發(fā)生在持續(xù)放電的過程中。

圖2 S.Hayakaw a的實(shí)驗(yàn)裝置

德國亞琛工業(yè)大學(xué)的F.Klocke等[3]通過使用兩個(gè)高靈敏度壓電軸向力傳感器,測量了電火花成形加工中不同參數(shù)下單個(gè)脈沖對工具電極和工件的作用力。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,得出放電所產(chǎn)生的力與加工面積和工具電極以及工件的幾何形貌高度相關(guān),因此推測加工力和放電導(dǎo)致的氣泡和工作液流動有關(guān)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊曉冬等[4]利用分子動力學(xué)方法,研究了單晶體原子結(jié)構(gòu)的各向異性對放電蝕坑形成過程的影響(圖3)。結(jié)果表明,放電蝕坑的尺寸與晶向有關(guān),在模擬參數(shù)相同的條件下,{111}晶向上的放電蝕坑最深,{110}晶向其次,{100}晶向的放電蝕坑最淺。由此可在{111}晶向取得高的加工速度,而在{100}晶向獲得微小的放電蝕坑。作者還對放電前就在電極上存在的孔(圖4)對放電蝕坑形成過程的影響進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,當(dāng)孔位于放電蝕坑的底部時(shí),對放電蝕坑的影響最顯著。孔的直徑越大,放電蝕坑就越深、熔融區(qū)域也越大,如表1所示。

圖3 晶向?qū)Ψ烹姲伎拥挠绊?/p>

圖4 進(jìn)行模擬時(shí)孔的位置

表1 孔的位置對放電凹坑尺寸的影響

大連大學(xué)的王元剛和大連理工大學(xué)的趙福令等[5]對微細(xì)電火花加工中電極的不均勻損耗展開了研究,指出集膚效應(yīng)和電場畸變是造成微細(xì)加工出現(xiàn)錐孔的原因。對此,引入了功能梯度材料電極的概念,并通過實(shí)驗(yàn)證明功能梯度材料電極是解決電極不均勻損耗的有效途徑。

1.2 電火花加工的新工藝方法與應(yīng)用

山東大學(xué)的閆鵬、張建華等[6]對電火花放電超聲振動輔助磨削的智能控制技術(shù)(圖5)進(jìn)行了研究。電火花加工和磨削相結(jié)合有利于提高表面質(zhì)量,超聲振動輔助又可增強(qiáng)電火花加工過程的穩(wěn)定性,提高了磨削加工的效率。智能控制系統(tǒng)采用了工控機(jī),PMAC和開放式CNC系統(tǒng)。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用,能有效分析電火花加工放電狀態(tài)信號和磨削力信號。通過范例庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)(圖6)的結(jié)合應(yīng)用,獲得了較好的實(shí)時(shí)控制效果。

圖5 智能控制示意圖

圖6 超聲輔助EDM磨削加工過程的模糊控制系統(tǒng)

瑞士學(xué)者A.Schorderet等[7]對電火花微孔加工中超聲輔助裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過建立機(jī)電參數(shù)(包括超聲電極的所有組成部分——電極夾頭、錐形變幅桿、壓電換能器、平衡質(zhì)量塊和螺絲固定系統(tǒng))的有限元模型(圖7),對超聲振動電極的運(yùn)動特性進(jìn)行了計(jì)算,得出最優(yōu)的超聲振動電極幾何形貌。將該超聲振動電極應(yīng)用于電火花微孔加工中,可減少加工時(shí)間20%以上,同時(shí)不會影響工件尺寸公差和表面質(zhì)量。

圖7 超聲振動電極的有限元模型

上海交通大學(xué)的王丹、趙萬生等[8]對利用刃口電極磨削方法(EEDG)制備工具電極的方法進(jìn)行了研究。其原理如圖8所示,采用帶有刃口的不銹鋼刀片作為工具電極,工件作為正極。工具與工件同時(shí)浸入加工液中,并保持一定的加工間隙。工件相對工具做軸向和徑向進(jìn)給,利用電極的刃口磨削微細(xì)軸。同時(shí),工件高速旋轉(zhuǎn),使放電狀態(tài)保持良好和穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)主要研究在EEDG加工過程中,放電間隙和放電能量對材料去除率(MRR)及工具損耗量(TEW)的影響。另外,實(shí)驗(yàn)還對比了粗加工和精加工的加工表面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,刃口電極磨削方法(EEDG)是一種有效的電極制備方法,利用這種方法加工的電極具有精確的外形輪廓和較高的表面質(zhì)量,且這種加工方法易于使用、價(jià)格低廉。

圖8 刃口電極磨削原理圖

日本大阪大學(xué)T.Ishida等[9]對彎曲小孔電火花加工過程中的穩(wěn)定放電間隙技術(shù)進(jìn)行了研究。在前人研究的放電間隙自動控制裝置(ADGC)的基礎(chǔ)上,發(fā)明了一種小尺寸的放電間隙自動控制裝置(圖9),使其能裝載在微細(xì)機(jī)器人中進(jìn)行彎曲小孔的加工。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明,這種改進(jìn)后的裝置能控制的放電間隙達(dá)到850μm,幾乎達(dá)到了所設(shè)計(jì)的最大放電間隙,意味著這種改進(jìn)后的放電間隙自動控制裝置具有優(yōu)良的性能。

圖9 改進(jìn)后的放電間隙控制裝置

德國馬格德堡大學(xué)的H.-P.Schulze等[10]研究了電火花加工工作液添加劑對放電通道點(diǎn)火與擊穿狀態(tài)的影響。通過觀察分析添加二丁基羥基甲苯和甲基苯甲酸的正十二烷電火花加工工作液對單個(gè)脈沖放電預(yù)點(diǎn)火和擊穿狀態(tài)的影響得知,二丁基羥基甲苯添加劑對亥姆霍茲雙電層的形成和傳播有著積極的影響,這使其成為微細(xì)電火花加工中的一種有效添加劑;而甲基苯甲酸添加劑對放電過程并沒有明顯的積極影響。中國石油大學(xué)的紀(jì)仁杰、劉永紅等[11]人研究了在電火花加工工作液中添加松香對加工性能的影響。研究指出,松香作為增爆劑以適當(dāng)濃度添加入電火花加工工作液后,能提高材料去除率、降低電極相對損耗。和傳統(tǒng)的煤油基工作液相比,加入松香的工作液能獲得較高的材料去除率,但電極相對損耗也較高;在加入松香的工作液中加工獲得的表面電蝕坑較淺且無微觀裂紋現(xiàn)象。

日本工學(xué)院大學(xué)的武氵尺英樹等[12]對磁性材料電火花加工的特性進(jìn)行了研究。研究了電火花加工中脈沖占空比、單個(gè)脈沖能量和加工形狀對工件表面的磁通密度的影響。結(jié)果表明:①電火花加工可用于釹磁鐵的成型加工;②在低加工能量條件下,工件表面的磁通密度受到的影響很小。然而,在高加工能量或高脈沖占空比條件下,工件表面的磁通密度迅速下降;③電火花加工工件磁性相反的區(qū)域時(shí),加工極性也應(yīng)當(dāng)相反。日本大阪府立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的 Koji WATANABE、Hisashi M INAMI等[13]學(xué)者提出了一種新的放電修整技術(shù)。研究結(jié)果表面,這種采用短脈沖的放電修整技術(shù)可應(yīng)用于不導(dǎo)電的電鍍金剛石工具修整,統(tǒng)一金剛石顆粒高度,顯著提高包括圓柱型和球型在內(nèi)的電鍍金剛石工具的研磨性能。

上海交通大學(xué)的趙萬生等[14]對集束電極電火花加工開展了進(jìn)一步的研究。研究中引入了多孔內(nèi)沖液技術(shù),并對不同沖液流量下的電火花工作液流場分布和放電蝕除產(chǎn)物排出情況進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)單孔內(nèi)沖液相比,多孔內(nèi)沖液技術(shù)可有效提高材料去出率、降低電弧發(fā)生頻率;此外,研究還發(fā)現(xiàn),隨著沖液流量的加大,可觀察到放電維持電壓的上升、瞬間短路等現(xiàn)象。

北京市電加工研究所的楊大勇等[15]對鏡面電火花加工中的脈沖電源進(jìn)行了研究。通過采用高低壓復(fù)合放電、最小放電能量控制、等能量脈沖、提高放電電壓穩(wěn)定性和一致性、減小電極損耗以及采用相應(yīng)的放電狀態(tài)檢測方法等多種手段,改進(jìn)了鏡面電火花加工的脈沖電源。最終獲得了無混粉條件下,表面粗糙度 Ra0.05μm(加工面積490mm2,圖10)和 Ra0.15μm(加工面積 1 250 mm2,見圖 11)的較好加工效果。

圖10 鏡面加工Ra≤0.05

圖11 鏡面加工 Ra≤0.15

日本長崗科技大學(xué)的D.Hanaoka等[16]對添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%～5%A l2O3的Si3N4陶瓷的加工性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,在電火花線切割加工過程中,材料的去除率(MMR)和表面粗糙度會隨著添加劑的增加而降低,而且添加劑的增加會使工件表面的導(dǎo)電層變厚并使導(dǎo)電表面的電阻率降低。在電火花成形加工中,加工過程可以分為3個(gè)子過程:首先是對輔助電極的加工,其次是碳化物的形成和附著,最后是具有穩(wěn)定放電過程的材料去除過程。在電火花成形加工過程中,隨著添加劑的增加,MMR會隨之增加,而相對電極損耗率(TWR)隨之降低,但是表面粗糙度與添加劑的含量無關(guān)。在電火花成形加工過程中,MMR會隨著電極尺寸的減小而降低,在電極直徑為2mm時(shí),添加劑對材料去除率的影響與線切割的加工結(jié)果相類似。

德國亞琛工業(yè)大學(xué)的F.K locke等[17]利用高速攝影技術(shù)對混粉電火花加工放電區(qū)域氣泡的產(chǎn)生、擴(kuò)張和破裂等一系列過程及其持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)觀察。研究結(jié)果表明,相同加工參數(shù)條件下,加入混粉后,放電區(qū)域產(chǎn)生的氣泡體積將增大一倍,從而帶來更多的能量,并蝕除更多的工件材料。觀察中還發(fā)現(xiàn),氣泡在放電過程中能持續(xù)較長時(shí)間,這證明相當(dāng)一部分的放電過程是在氣體環(huán)境下進(jìn)行的。

德國IPK研究所以及柏林工業(yè)大學(xué)的Eckart Uhlmann和Markus R?hner等[18]研究了微細(xì)電火花加工中不同涂層材料對工具電極損耗特性的影響。實(shí)驗(yàn)研究了鈦基涂層和金剛石涂層。其中,3種鈦基涂層(TiA lN,TiCrN,TiN)以硬質(zhì)合金為基底,涂層厚度為3～5μm。金剛石涂層為不導(dǎo)電的雙層納米晶體CVD金剛石涂層,以及硼摻雜CVD金剛石涂層(B-CVD),后者采用了兩種基底材料(MoCu,WCu)。實(shí)驗(yàn)通過單脈沖放電加工,以掃描電子顯微鏡(SEM)測得的蝕坑直徑來表征工具電極的損耗程度。研究結(jié)果表明,涂層材料具有足夠高的導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性能,可減小工具電極材料的損耗。實(shí)驗(yàn)材料中,B-CVD金剛石涂層滿足上述要求,測得蝕坑直徑最小,且具有良好的微結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性。關(guān)于其基底材料、晶粒大小、硼元素濃度,以及在微細(xì)電火花加工中的材料去除速度,則有待進(jìn)一步研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王振龍等[19]利用微細(xì)電火花磨削、微細(xì)電火花銑削和微細(xì)電火花線切割等微細(xì)電加工手段,成功加工出了直徑2.8mm的鎳基高溫合金渦輪發(fā)動機(jī)零件(圖12),并在實(shí)際工況下達(dá)到40 000 r/min的最高轉(zhuǎn)速。

圖12 掃描電鏡照片

臺灣工業(yè)技術(shù)研究院的Chih-Ping Cheng等[20]提出了利用磁場輔助電化學(xué)放電加工(EC-DM)方法并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。研究表明,外加磁場有助于提高加工效率,并獲得了更好的加工精度,特別是對于450μm以上深度的孔加工。圖13為傳統(tǒng)ECDM(例1)和磁場輔助ECDM(例2)加工樣件的對比。

波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的 L.Kudla和A.Trych[21]為了尋找新型電極材料,對碳纖維的性質(zhì)進(jìn)行了對比和研究?？紤]到碳纖維的微小尺寸和低廉的價(jià)格,試圖將碳纖維應(yīng)用作為微細(xì)電火花加工的工具電極。與此同時(shí),設(shè)計(jì)了一套新的以碳纖維為電極材料的電火花加工工藝,并針對不同的放電參數(shù)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用碳纖維作為微細(xì)電火花加工的可行性,但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了電極易發(fā)生彎曲等問題。實(shí)驗(yàn)同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了在電火花加工過程中,碳纖維電極的電極損耗要低于傳統(tǒng)的碳化鎢和硬質(zhì)合金電極。文中還對采用其他復(fù)雜形狀碳纖維電極的加工效果進(jìn)行了一定的研究。

圖13 傳統(tǒng)ECDM和磁場輔助ECDM加工樣件對比示意圖

日本東京農(nóng)工大學(xué)的Tomohiro Koyano和Yuna Yahagi等[22]研究了高主軸轉(zhuǎn)速對于靜電感應(yīng)供電微細(xì)電火花放電加工特性的影響。具體是通過加工實(shí)驗(yàn)研究了高主軸轉(zhuǎn)速對微細(xì)電火花打孔材料去除率的影響。采用靜電感應(yīng)的供電方法對高速旋轉(zhuǎn)的工具電極提供電能。傳統(tǒng)的弛張式脈沖電源由于需要用電刷,無法為高轉(zhuǎn)速主軸提供穩(wěn)定的電能,而非接觸式的靜電感應(yīng)恰好能解決這一問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著主軸轉(zhuǎn)速增至20 000 r/min(所采用機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的最大值),材料去除率也相應(yīng)增大。

臺灣華梵大學(xué)的Mu-Tian Yan和Shr-Shiang Lin[23]通過一套安裝在微細(xì)電火花機(jī)床的機(jī)械視覺系統(tǒng),對電火花銑削過程中的分層加工軌跡規(guī)劃和電極損耗補(bǔ)償方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該視覺系統(tǒng)可以對工具電極側(cè)面和端面的損耗進(jìn)行直觀的測量和估計(jì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定加工深度范圍內(nèi)電極邊緣損耗率與加工長度具有線性比例關(guān)系,且在加工凹槽和孔時(shí),電極端面損耗隨著加工深度的增加而線性增加。與傳統(tǒng)的逐層放電銑削相比,這種新的加工軌跡方法可以得到更好的表面質(zhì)量和更短的加工時(shí)間,加工誤差能控制在10μm以內(nèi)。

2 電火花線切割加工

臺灣Accutex技術(shù)有限公司的等J.F.Liang[24]研究了線切割加工過程中電極絲偏差的測量。該技術(shù)用兩種方法來測量電極絲偏差,并比較它們的測量值。方法一被稱為攝像機(jī)圖象分析法(Camera Picture Analysis,簡稱CPA法),其過程為用一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得切割工件邊沿的加工錄像,這樣就能拍攝到在不同時(shí)間、不同高度的電火花放電,通過計(jì)算電火花首次出現(xiàn)在工件和在指定位置上的時(shí)間偏差值,就可得到電極絲的偏差值;分析選定位置,那么就可以畫出電極絲的偏差曲線。方法二被稱為截面測量法(Cross Section Measurement,簡稱 CSM法),其過程為在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下切割工件,然后突然關(guān)掉放電電源,那么確切的電極絲偏差就會保留在工件上;把工件放在高精度電子顯微鏡下,就可得到精確的電極絲偏差曲線。實(shí)驗(yàn)表明,由CPA方法和CSM方法測量的電極絲偏差的趨勢是一樣的,但由CPA測量的偏差值比CSM測量的值約小10%～20%,通常來說CSM測量的結(jié)果更接近真實(shí)的切割狀況。根據(jù)CPA和CSM方法測得的偏差值,改變不同的加工參數(shù),來減少電極絲偏差(圖14)。

圖14 CPA和CSM方法偏差的比較

英國伯明翰大學(xué)的M.T.Antar等[25]提供了有關(guān)用清掃脈沖技術(shù)在線切割加工Udimet720和Ti-6A l-2Sn-4Zr-6Mo等先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)用合金材料時(shí)工件一致性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在典型情況下(～100 mm2/min),兩種合金加工后產(chǎn)生小于10μm的再鑄層。然而第3次或者第4次精切后,再鑄層將會減小到3μm以下,工件的表面粗糙度值大約為Ra0.4μm(圖15)。而且工件的表面殘余應(yīng)力大為降低,工件表面的凹坑也限制在再凝固層內(nèi)。最小損害電源技術(shù)和適當(dāng)?shù)亩啻吻懈畈呗韵嘟Y(jié)合在線切割加工Ti6246和Udimet720航空發(fā)動機(jī)用合金時(shí),可大大減少再鑄層厚度到3μm以下,并具有最小的蝕坑,一些加工實(shí)例中還出現(xiàn)了零厚度的再鑄層。第4次切割后,在兩種工件材料的加工表面測量都具有較低的應(yīng)力或者接近中性的殘余應(yīng)力(圖16)。

圖15 粗加工和第4次加工后工件的界面微觀圖像

圖16 表面殘余應(yīng)力

南京航空航天大學(xué)的邱明波、劉志東等[26]提出了一種基于復(fù)合工作液的以電火花電解復(fù)合加工技術(shù)的太陽能級硅進(jìn)行切割及制絨一體化的新方法(圖17)。試驗(yàn)表明,用這種方法加工太陽能級硅切割效率高、厚度薄、切縫窄,具有表面可直接形成絨面結(jié)構(gòu)、無明顯微裂紋,且獲得的絨面反射率在全光譜波段內(nèi)光反射率較低的特征。該工藝方法為探索縮短太陽能電池制造流程,降低硅片加工成本,提高硅材料利用率,促使硅太陽能電池成本顯著降低,并形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的太陽能級硅片切割制絨一體化技術(shù)提供了理論及實(shí)踐依據(jù)。

另外,邱明波、劉志東等[27]還對P型低摻雜硅的電火花線切割加工進(jìn)行了研究。在使用線切割機(jī)床加工P型低摻雜硅過程中,采集了放電時(shí)的電流和電壓波形,并建立了帶有二極管和電阻的電路模型。夾具端、放電端和放電通道被簡化為二極管,它決定了帶有本體電阻和限流電阻的電路電流。當(dāng)以正常極性加工時(shí)(工件陽極)二極管在放電端是正向偏置的,而二極管在夾具端和放電通道端是反向偏置的,它的次電壓也稱為擊穿電壓分別為88.5 V和22 V。在放電端的接觸半徑為200℃等溫線的半徑。當(dāng)放電繼續(xù)時(shí),接觸半徑逐步增加,電流減少。為了增加切割效率,歐姆接觸在夾具端形成并增加了夾具面積,提高了放電電流,這為提高硅的電火花線切割加工效率提供了理論基礎(chǔ)。

圖17 硅片的切割實(shí)驗(yàn)示意圖

圖18 使用靜電感應(yīng)反饋的微細(xì)線切割原理圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊曉冬等[28]研究了應(yīng)用靜電感應(yīng)供電的線切割加工方法(圖18)。這種方法能減少雜散電容在脈沖發(fā)生電路中的影響,并可用最小的放電能量來完成微細(xì)線切割加工。這種方法允許電流以非接觸方式饋送給線電極,因?yàn)闆]有電刷的損耗且電極絲的震動與切割的方向無關(guān),故可實(shí)現(xiàn)很高精度的微細(xì)線切割加工。

比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)的O.J.A.Malek等[29]對WC-ZrO2復(fù)合陶瓷材料進(jìn)行了線切割加工實(shí)驗(yàn)研究。在ZrO2體積分?jǐn)?shù)分別為 0%、5%、10%的情況下,研究了ZrO2相離散度、WC顆粒尺寸大小和電火花加工過程的內(nèi)在聯(lián)系。通過X射線光電子能譜測量,表明在電火花加工表面的納米氧化鎢層的存在,證實(shí)在WC-ZrO2復(fù)合陶瓷材料的電火花加工中的材料去除機(jī)制為氧化,同時(shí)伴隨著熔融現(xiàn)象。

3 電化學(xué)加工

上海交通大學(xué)的楊曄、趙萬生和日本東京農(nóng)工大學(xué)的Wataru NATSU[30]利用同一規(guī)格的礦泉水作為電解液進(jìn)行了電化學(xué)微細(xì)加工的基礎(chǔ)研究。將直徑為300μm的硬質(zhì)合金電極放置在中心有一直徑為2mm孔的不銹鋼板中,電極作為陽極,不銹鋼板作為陰極,采用恒流源控制加工電流,加工出前端直徑為20μm的硬質(zhì)合金微細(xì)軸(圖19)。并討論了在不同加工時(shí)間和加工電流下,電極形狀和加工精度的變化。另外,利用超短脈沖電源在礦泉水工作液中進(jìn)行了電化學(xué)微細(xì)孔加工,用直徑為30μm的電極加工出直徑為88μm的微細(xì)孔。在以礦泉水為電解液的微細(xì)電化學(xué)加工中,利用超短脈沖電源加工可獲得比直流電源更好的加工精度。

圖19 微型針制備裝置示意圖

日本東京農(nóng)工大學(xué)的等A tsushi Terada[31]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微細(xì)電化學(xué)加工的放電間隙控制系統(tǒng)(圖20)。該系統(tǒng)通過控制電極的進(jìn)給速度來保證電極間隙的恒定,以實(shí)現(xiàn)工件的蝕除速度和電極的進(jìn)給速度相等。首先他們對電化學(xué)加工過程中電流波形和電極間隙之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在電極間隙變化時(shí),電解電流將發(fā)生一次短暫的超調(diào)。利用這個(gè)關(guān)系,可通過采集放電電流峰值的方法來監(jiān)測電極間隙的變化。因此建立了一套含有放電電流檢測和放電間隙實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn),采用這種放電間隙控制系統(tǒng)以后,加工速度和精度都有了一定的提高。

圖20 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

清華大學(xué)李勇等[32]對利用微陣列電極進(jìn)行微細(xì)電化學(xué)加工進(jìn)行了研究,提出了一套完整的微細(xì)電化學(xué)加工工藝和加工技術(shù),并開發(fā)出一套微細(xì)電化學(xué)加工設(shè)備。利用LIGA工藝制備微陣列電極(圖21)并涂覆上絕緣層,在厚度為100μm的鎳盤上加工出孔徑為135μm的11×11微細(xì)陣列孔(圖22)。

圖21 微陣列電極

圖22 加工出的微陣列孔

常州工學(xué)院的干為民等[33]對利用數(shù)控電化學(xué)技術(shù)加工硬質(zhì)合金進(jìn)行了研究,通過增加一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的電極和電極裝夾系統(tǒng)(圖23),把一個(gè)5軸高速CNC銑床改造為一個(gè)CNC電化學(xué)機(jī)床,主要用來做NC電化學(xué)切削、NC電化學(xué)銑削和NC電化學(xué)拋光硬質(zhì)合金的研究(圖24),并且得到了高速加工電極的材料和加工參數(shù)。研究了NC電化學(xué)加工的機(jī)理,研究結(jié)果表明工件的表面粗糙度值可達(dá)Ra0.02μm,且與電火花加工相比,加工效率得到了大大提高。

圖23 特別工具裝夾示意圖

圖24 數(shù)控電化學(xué)機(jī)械研磨示意圖

揚(yáng)州大學(xué)的王占和等[34]研究了與超聲振動相結(jié)合的脈沖電化學(xué)微細(xì)加工的機(jī)理及過程。超聲振動周期和電源脈沖周期是同步的,通過機(jī)理實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的可行性和可靠性,證明其具有較高的加工精度和加工效率。通過采用較低的加工電壓(1～5 V),以及較低濃度(NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)的鈍化電解液,可以獲得較高的加工精度和較好的表面質(zhì)量(圖25、圖26)。

圖25 加工樣件(四邊形微坑陣列)

日本隊(duì)東京農(nóng)工大學(xué)的Naoki shibuya等[35]進(jìn)行了電解液射流輔助車削工藝(EJT)的研究。這種新的方法可通過電解液噴射的方式將電化學(xué)過程與傳統(tǒng)的車削加工聯(lián)系起來(圖27)。采用平面噴射流代替圓柱射流可在不犧牲微加工性能的前提下,明顯提高加工速度。通過簡單的實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)凹槽、簡單平面和側(cè)面的加工。由于這種加工屬于電化學(xué)過程,因此在工件表面不會形成毛刺、裂縫和熱影響區(qū)。且與傳統(tǒng)車削加工相比,電解液射流車削過程中的加工應(yīng)力幾乎可忽略不計(jì),因此這種車削工藝能達(dá)到很高的加工速度,并完成很復(fù)雜的形狀(表 2)。

圖26 加工樣件(菱形微坑陣列)

圖27 電解液噴射車削原理圖

表2 加工特征比較

A.K.M.De Silva等[36]設(shè)計(jì)和開發(fā)了電化學(xué)-腐蝕雕模(ELESIN)法中所應(yīng)用的特殊功率發(fā)生器,能傳送必要的ELESIN電壓、電流特征和智能控制系統(tǒng),用基于弱水的電解液進(jìn)行有效性測試,證明通過控制不同的極間脈沖,可優(yōu)化各種加工結(jié)果,包括生產(chǎn)率、表面質(zhì)量和幾何精度。

4 電化學(xué)放電加工

臺灣東南大學(xué)Kun-Ling Wu等[37]人對電化學(xué)放電加工(ECDM)中影響氣膜形成的因素進(jìn)行了研究。在ECDM 加工過程中,氣膜的質(zhì)量是加工質(zhì)量的決定性因素。在ECDM加工過程中存在一個(gè)使氣膜穩(wěn)定、加工精度偏差最小的電壓值,稱之為“過渡電壓”,不同濃度的電解液會產(chǎn)生不同的“過渡電壓”。在“過渡電壓”下利用ECDM 對500μm厚的高耐火玻璃鉆250μm深的孔時(shí)發(fā)現(xiàn),在不同的轉(zhuǎn)速條件下,由于氣膜主要由氫和水蒸氣組成,氣膜和工具之間的剪切力可以忽略,所以轉(zhuǎn)速對加工精度影響不大。而在不同的電解液濃度下進(jìn)行加工時(shí),隨著電解液濃度的增加,具有完整結(jié)構(gòu)的氣膜會更快地形成并在較低的電壓下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放電,加工獲得的微孔更加平滑(圖28)。此外,使用平側(cè)壁工具比使用圓柱工具可顯著減少側(cè)壁放電現(xiàn)象,從而使加工孔徑減小,且加工效率更高。

圖28 不同電解液濃度和過渡電壓條件下加工孔的掃描電鏡照片和加工時(shí)間

波蘭克拉科夫先進(jìn)制造技術(shù)研究所的Grzegorz Skrabalak等[38]對ECDM加工過程中的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。作者為ECDM加工過程建立了數(shù)學(xué)模型,在這個(gè)模型中,假定加工過程中的一些參數(shù)是常量,并進(jìn)一步假設(shè)放電間隙的分布和物理、化學(xué)狀況在瞬時(shí)加工以后會發(fā)生周期性變化,是ECDM的一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。據(jù)此,建立了ECDM的材料去除率計(jì)算公式,并利用3軸數(shù)控電火花機(jī)床進(jìn)行了試驗(yàn)。通過試驗(yàn),得到了最好的加工參數(shù)(m achining parameter)。

韓國首爾國立大學(xué)的Xuan Doan Cao等[39]對利用電化學(xué)放電對玻璃進(jìn)行加工及磨削進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)的加工過程包括兩部分:ECDM的粗加工利用PCD研磨的精加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明直徑小于100μm,深度為150μm小孔的ECDM最優(yōu)加工條件為:電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,脈沖電壓為30 V,脈沖開/斷的時(shí)間為1μs/μs。ECDM 銑削加工時(shí)不產(chǎn)生熱裂紋的最優(yōu)條件是:電壓為23 V,加工的進(jìn)給速度為3μm/s,進(jìn)給深度為25μm。利用PCD研磨可改進(jìn)ECDM加工后的表面質(zhì)量和形狀度,在對玻璃進(jìn)行研磨時(shí)玻璃應(yīng)該處于韌性模式,PCD工具表面速度應(yīng)高于9 420μm/s,且進(jìn)給速度為0.75μm/s。

羅馬尼亞雅西科技大學(xué)M.Cotea等[40]對電化學(xué)鉆孔加工中的鈍化膜進(jìn)行了研究。研究表明,在電化學(xué)放電加工過程中,工件表面會出現(xiàn)一層鈍化層,它在整個(gè)電化學(xué)鉆孔工藝中起到很重要的作用。并通過實(shí)驗(yàn)研究證明,鈍化層的厚度隨著工件周圍的電場線變化。

5 激光加工

比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)的J.-P.K ruth等[41]發(fā)表了關(guān)于金屬選區(qū)激光熔化中零件和材料特性的主題報(bào)告。添加制造(AM)最新的技術(shù)發(fā)展已將其在成形制造中的應(yīng)用轉(zhuǎn)換到通用型或系列型終端用戶零件的生產(chǎn)。選區(qū)激光熔化(SLM)在不同的添加制造(AM)工藝中具有獨(dú)特地位,因?yàn)樗梢约庸じ鞣N材料,且加工的功能部件具有和基體材料相當(dāng)?shù)臋C(jī)械特性。但是SLM具有高溫度梯度和致密化比率,反過來會對SLM零件的微結(jié)構(gòu)和特性產(chǎn)生重大影響。作者分析了SLM的現(xiàn)狀,旨在理解SLM零件和材料特性來分析該過程的潛在應(yīng)用。盡管SLM可在功能部件上獲得可控的微結(jié)構(gòu),但要獲得理想的晶粒結(jié)構(gòu)和特性,在調(diào)整過程參數(shù)和建立圖形方面還有很長一段路要走。作者對SLM后可獲得的密度、表面質(zhì)量、表面粗糙度、微結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力等對零件機(jī)械性能產(chǎn)生直接影響的因素進(jìn)行了深入的討論。

日本岡山大學(xué)的 Ryoji Kitada和 Yasuhiro Okamoto等[42]分別以冷卻壓縮空氣、氮?dú)饧捌浣M合作為激光共軸方向和后方的輔助氣體(氣流方向如圖29所示),對由硅片和環(huán)氧樹脂組成的半導(dǎo)體工件進(jìn)行了激光切割實(shí)驗(yàn),研究了用冷卻輔助氣體減小熱影響區(qū)的方法(圖29)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在干燥空氣環(huán)境下,以氮?dú)鉃榧す夤草S方向輔助氣體、冷卻氣體作為后方輔助氣體,可以顯著減小熱影響區(qū),得到較高的切割效果。

圖29 干燥空氣和共軸輔助空氣流向示意圖

比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)的J.-P.K ruth等[43]對選區(qū)激光加工中估算殘余應(yīng)力的影響因素時(shí)采用了一種新的方法。SLM加工中,材料在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷大的溫度波動,造成較大的熱應(yīng)力,從而可能導(dǎo)致零件變形、裂紋或零件強(qiáng)度的下降。他們通過改變一些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),如掃描圖案或過程參數(shù)(如:底座的預(yù)熱溫度、層厚;或先掃描一個(gè)沉積粉層,再掃描一個(gè)已掃描層來減少熱應(yīng)力)。另外,他們通過定義一個(gè)新方法來快速估計(jì)熱應(yīng)力,該方法從底座上切下SLM加工的橋結(jié)構(gòu),并使用該結(jié)構(gòu)的曲率角作為對于熱應(yīng)力的測量?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)和他們自己的實(shí)驗(yàn)表明,降低高溫梯度的改變(如:使用短掃描向量和預(yù)熱底座),都能降低熱應(yīng)力,且改變掃描向量的方向能減小熱應(yīng)力,或者能減小熱應(yīng)力的破壞結(jié)果。

西班牙巴斯克大學(xué)的I.Tabernero等[44]提出了一種基于粉末陰影的激光熔覆能量衰減模型。該模型通過計(jì)算從同軸送粉噴嘴到基片各離散面的能力損失情況,預(yù)測能量衰減情況,并估算出輻射到基片上的實(shí)際能量大小。此外,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,能量衰減并沒有隨著粉末流量而加劇,這與使用該模型進(jìn)行模擬的結(jié)果一致。南京航空航天大學(xué)田宗軍等[45]研究了在TiA l金屬間化合物表面的等離子噴涂和激光重熔陶瓷涂層的腐蝕行為。等離子噴涂會造成薄層碎片,在激光重熔之后陶瓷表面則更為緊密。與等離子噴涂相比,激光重熔具有很強(qiáng)的微硬度,二者皆有脆性腐蝕性能。圖30為激光重熔后AT13涂層表面。

6 微細(xì)加工

英國愛丁堡大學(xué)的J.A.McGeough和A.Okada[46]探討了將超聲技術(shù)、激光和射流等非傳統(tǒng)的方法應(yīng)用到整形外科中的可能性。這些方法具有與骨骼和組織無接觸,擁有比傳統(tǒng)方法更低的機(jī)械應(yīng)力,可降低切割對傷口的熱影響等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)對上述幾種非傳統(tǒng)方法進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示針對骨骼和相鄰組織的切割,它們均具有較好的性能,并可以成為現(xiàn)有切割技術(shù)的有效補(bǔ)充。在進(jìn)行精確切割骨骼的過程中具有較高的速度,且在骨骼上均具有很小的外力,同時(shí)具有相對有限的熱影響區(qū)域。但這幾種非傳統(tǒng)方法對于設(shè)備的幾何自由度都具有很高的要求。

圖30 激光重熔后AT13涂層表面

日本岡山大學(xué)的HonggeGuo等[47]為了解決傳統(tǒng)機(jī)加工方法很難對硬質(zhì)合金進(jìn)行表面處理的問題,采用了大面積電子束照射的方法進(jìn)行表面精加工和表面修整(圖31)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法采用合適的電子束能量,可以得到較高的表面質(zhì)量。此外,他們不僅對電子束加工表面的光澤度和表面粗糙度進(jìn)行了研究,還對比了硬質(zhì)合金表面在加工前后拒水性的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,電子束加工可明顯提高硬質(zhì)合金表面的拒水性能。

圖31 大面積電子束照射裝置

臺灣師范大學(xué)的Shun-Tong Chen等[48]采用一種稱為“精密充蠟金屬沉積”的低成本新型混合加工方法來獲得微孔陣列。他們首先用微細(xì)電火花鉆孔的方法在表面高度光滑的金屬圓盤基底上加工出微通孔陣列,然后將軟化的蠟從這些通孔擠出制模,得到微型蠟柱陣列(也稱為“犧牲材料”),再將金屬(鎳)沉積到該基底上(圖32)。蠟柱陣列僅用熱水就可很方便地移除,從而在厚度為120μm的金屬鎳沉積層上得到了100個(gè)直徑130μm的微孔陣列。研究結(jié)果表明,含油蠟是一種理想的犧牲材料,擠出加工中蠟軟化的最佳溫度為58℃。此外,通過調(diào)節(jié)沉積時(shí)間和物質(zhì)成分,可精確控金屬沉積的厚度和組分(圖33)。

圖32 金屬沉淀裝置示意圖

圖33 與傳統(tǒng)微細(xì)電火花加工效果相比

南京航空航天大學(xué)的田宗軍等[49]以電沉積與不規(guī)則片成形相結(jié)合的方式,對點(diǎn)電極噴射電沉積過程中樹枝狀結(jié)晶過程進(jìn)行了仿真,并以石墨核心為陰極、鎳圓環(huán)為陽極,利用電沉積制備了二維尺度的鎳結(jié)晶體結(jié)構(gòu)。該方法有效提高了金屬材料中的孔隙率,可用來制備多孔金屬材料。

清華大學(xué)的胡滿紅、李勇等[50]對采用微細(xì)電解和微細(xì)電火花組合的方法加工出3D微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。研制了一套同時(shí)包含微電解加工和微電火花加工的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中首先采用3D伺服電火花銑削加工工藝進(jìn)行高速粗加工,而后采用電解銑削蝕除剩余材料,并最終得到所要求的結(jié)構(gòu)。采用微電解和微電火花組合的方法加工,得到了一個(gè)尺寸為410μm×406μm×181μm的方形柱狀結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)記錄的微細(xì)電解加工和微細(xì)電火花加工的材料去除率分別為31 182μm2/s和11 017 μm2/s。實(shí)驗(yàn)表明,采用該方法可同時(shí)獲得電火花加工的高效率和電解銑削加工的高表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

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