李 勇，佟 浩，李寶泉

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084；2.無錫微研精微機(jī)械技術(shù)有限公司，江蘇無錫214013）

1 微細(xì)電火花加工研究概述

微細(xì)加工的尺度應(yīng)該在微米量級，但一般認(rèn)為微細(xì)加工的特征尺寸應(yīng)小于200μm。廣義上微細(xì)加工可分為兩大類，即使用掩膜板的光刻加工和不使用掩膜板的非光刻加工。光刻加工的典型代表是主要應(yīng)用于集成電路和MEMS的硅微細(xì)加工，該技術(shù)結(jié)合薄膜沉積、氧化摻雜及各種刻蝕技術(shù)，形成了成體系的微細(xì)加工流程，主要以硅基材料為加工對象，加工成形二維微細(xì)結(jié)構(gòu)。而采用X射線深度光刻的LIGA工藝可加工出高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)。非光刻的微細(xì)加工，通常被稱之為微細(xì)特種加工。微細(xì)特種加工一般是基于光、電、化學(xué)等不同的能量方式作用于加工材料，輔之以工件和工具的相對精微運(yùn)動控制，可加工出微細(xì)孔、槽及三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。

微細(xì)電火花加工屬于微細(xì)特種加工范疇，其基本加工機(jī)理與常規(guī)工業(yè)用電火花加工并無不同，但在工藝和裝備技術(shù)上有一定的特殊性。實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工的主要技術(shù)關(guān)鍵在于微細(xì)工具電極的制作、微小能量放電電源、微小加工間隙的伺服進(jìn)給控制以及加工工藝方法等。

30余年來，國內(nèi)外有關(guān)微細(xì)電火花加工的研究主要涉及微細(xì)電極制備、脈沖放電電源、伺服進(jìn)給控制、微細(xì)孔和微結(jié)構(gòu)加工、加工材料、混粉工作液、附加超聲振動或旋轉(zhuǎn)磁場及復(fù)合加工等方面。

基于在線制作、電極損耗自動補(bǔ)償?shù)那擅顦?gòu)思，日本東京大學(xué)開發(fā)出的線電極放電磨削[1]（wire electro-discharge grinding，WEDG）工藝開啟了微細(xì)電火花加工的一條基本路徑。該方法易得到更小尺寸的電極軸且易保證較高的尺寸和形狀精度，在線制作避免了二次裝夾誤差。

WEDG是點(diǎn)放電加工方式，工具電極的成形加工效率較低，再用在線制備的微細(xì)工具電極進(jìn)行加工如陣列微孔加工，其電極損耗顯著且加工效率和加工一致性均偏低?！半p絲雙放電”回路的設(shè)計將電極制備分為粗、精加工，對應(yīng)不同放電能量，具有提高加工效率的效果[2]。將點(diǎn)放電方式改變?yōu)榫€放電方式，微細(xì)電火花線切割加工出陣列工具電極，然后可對應(yīng)進(jìn)行陣列微孔加工[3]，這種陣列工具電極的截面形狀可以是方形、菱形或三角形等。

采用LIGA工藝制備工具電極用于微細(xì)電火花加工的研究思路具有創(chuàng)新性[4]，但由于LIGA工藝成本極高、微細(xì)電火花加工電極損耗嚴(yán)重，采用LIGA工藝電極用于微細(xì)電火花加工并無實(shí)用價值。而一種采用二維銅箔片層疊構(gòu)成三維微結(jié)構(gòu)電極的工藝方法，為三維微型腔的微細(xì)電火花直接成形加工提供了一種可能途徑[5]。

在實(shí)驗(yàn)研究中采用較多的RC脈沖電源，存在放電效率較低、可控性較差的問題，對微細(xì)電火花加工的加工質(zhì)量和加工效率均有不利影響。一種FPGA控制的高頻窄脈寬、高峰值電流的多路RC放電電源[6]，可有效改善微細(xì)電火花加工的加工質(zhì)量和加工效率。以提升加工質(zhì)量為目標(biāo)，55～90 MHz高頻諧振微能脈沖放電電源的研發(fā)應(yīng)用，可明顯減輕加工過程中的發(fā)熱損傷、重鑄層及熱影響區(qū)等的加工缺陷[7]。

直觀而言，微細(xì)電火花加工放電間隙的減小，要求在電極進(jìn)給方向具有更精密的伺服進(jìn)給控制。結(jié)合宏微驅(qū)動，PZT激勵同步壓縮放電通道的微細(xì)電火花加工研究頗有創(chuàng)意[8]，意圖實(shí)現(xiàn)放電間隙與放電狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。脈沖電源具有放電輸出回路和PZT致動器驅(qū)動回路兩路輸出，在放電脈寬輸出時，PZT致動器伸長從而壓縮放電通道；在脈沖間隔時，致動器縮短、極間距離增大，拉伸放電通道使兩極間消電離。

電火花加工的順利進(jìn)行很大程度上取決于放電間隙內(nèi)的狀態(tài)，這不僅是間隙大小的伺服控制，更重要的是工作液的更新和加工屑的排出。搖動工藝通過電極附加徑向超聲圓振動的方式用于微細(xì)電火花加工[9]，有助于排屑從而提高加工效率。

采用電極端部放電，利用簡單截面形狀工具電極進(jìn)行逐層掃描的加工方法，開辟了三維微結(jié)構(gòu)型腔的微細(xì)電火花加工新途徑[10]。工具電極損耗是電火花加工的天生缺陷，在微細(xì)電火花加工中工具電極損耗相對加劇。在微細(xì)電火花三維掃描加工中，相對去除材料面積和體積，工具電極截面積小、電極長度方向損耗量大，且電極損耗隨加工深度逐層累積。因此，針對離線或在線工具電極損耗補(bǔ)償?shù)难芯縖11]對于微細(xì)電火花三維掃描加工的順利進(jìn)行、以及提升加工精度和加工效率至關(guān)重要。

本研究團(tuán)隊(duì)圍繞微細(xì)電火花加工，從微細(xì)電極在線制備及微細(xì)孔加工工藝到三維微結(jié)構(gòu)加工工藝，通過持續(xù)的研究和不斷的技術(shù)積累，開發(fā)出微細(xì)電火花加工裝備并開拓其應(yīng)用。本文在了解前述微細(xì)電火花加工的研究及開發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，簡要介紹了本研究團(tuán)隊(duì)的研發(fā)思路和研究成果，并嘗試探討微細(xì)電火花加工的基礎(chǔ)關(guān)鍵研究問題以及進(jìn)一步研究開發(fā)應(yīng)用的發(fā)展途徑。

2 微細(xì)電極在線制備及微細(xì)孔加工工藝

WEDG的加工原理是基于絲線和被加工軸之間的電火花線切割和電極反拷方法的優(yōu)化結(jié)合，通過主軸的進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及線電極放電磨削絲的移動來加工工具電極軸。WEDG工藝將微細(xì)點(diǎn)放電加工方式與精密數(shù)控運(yùn)動結(jié)合，可加工圓柱、圓錐、棱柱、棱錐、螺旋體及階梯狀等多種微小軸類形狀。WEDG的重要價值在于在線制作出微細(xì)工具電極，然后即可進(jìn)行微細(xì)孔電火花加工、三維微型腔電火花加工等[12]。

WEDG可實(shí)現(xiàn)小至微米級的微細(xì)電極在線制作，但同時對加工系統(tǒng)的運(yùn)動定位精度提出了相應(yīng)的較高要求。加之每次在線制作的微細(xì)電極長度有限且存在電極損耗，在應(yīng)用于微細(xì)孔的持續(xù)加工或陣列微細(xì)孔的加工時，需要不斷修復(fù)電極。因此，微細(xì)電極在線制作的重復(fù)一致性誤差直接影響微細(xì)孔的加工精度乃至其可能的工業(yè)應(yīng)用。

在不過分苛求加工系統(tǒng)運(yùn)動定位精度的前提下，以易于實(shí)現(xiàn)批量化微細(xì)孔加工一致性為目標(biāo)，本研究團(tuán)隊(duì)提出了一種切向進(jìn)給WEDG方法[13]，其原理示意見圖1。通常在WEDG中，線電極走絲機(jī)構(gòu)相對被制備的微細(xì)工具電極徑向進(jìn)給（圖1b），該微細(xì)工具電極直徑尺寸去除分辨率為進(jìn)給運(yùn)動分辨率的2倍（Δd=2SR），即微細(xì)工具電極直徑誤差為進(jìn)給方向運(yùn)動定位誤差的2倍。在提出的切向進(jìn)給WEDG方法中，線電極走絲機(jī)構(gòu)相對被制備的微細(xì)工具電極沿導(dǎo)向塊圓弧切向進(jìn)給（圖1c），這樣可避開定位誤差的敏感方向，使微細(xì)工具電極直徑去除分辨率遠(yuǎn)小于進(jìn)給運(yùn)動分辨率（Δd′<2ST），即直徑誤差遠(yuǎn)小于進(jìn)給方向運(yùn)動定位誤差，且沿著導(dǎo)向塊切向進(jìn)給，越靠近導(dǎo)向塊中心對稱軸，微細(xì)工具電極的去除分辨率越高（圖2），有利于控制電極的尺寸精度和一致性。

圖1 工具電極的徑向與切向進(jìn)給WEDG原理

圖2 微細(xì)電極直徑與切向進(jìn)給距離位置

利用切向進(jìn)給WEDG方法的高去除分辨率，再結(jié)合微細(xì)電極直徑的在線測量反饋，可在定位精度為±2μm的運(yùn)動平臺上使微細(xì)電極去除分辨率達(dá)到1μm（圖3）。

圖3 微細(xì)電極去除分辨率達(dá)到1μm示例

為解決WEDG單點(diǎn)放電制備微細(xì)電極效率較低的問題，本研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化了自穿孔反拷與切向進(jìn)給WEDG相結(jié)合的在線制備微細(xì)電極工藝（圖4）。具有一定剛度且易于裝夾的電極棒料通過自穿孔反拷以較高效率加工到接近目標(biāo)直徑尺寸，然后采用具有CCD在線測量反饋的切向進(jìn)給WEDG制備出微細(xì)電極。以直徑0.5 mm的電極毛坯棒料為例，自穿孔反拷8次可將棒料加工到直徑90μm，此時電極存在軸向錐度誤差，再采用切向進(jìn)給WEDG將電極加工到目標(biāo)尺寸，即直徑27μm（圖5），多個微細(xì)電極的重復(fù)加工一致性誤差小于2μm。與只用切向進(jìn)給WEDG相比，該組合工藝的在線制備效率提高了40倍。

圖4 自穿孔反拷結(jié)合切向進(jìn)給WEDG工藝

圖5 制備的微細(xì)電極

基于自穿孔反拷與切向進(jìn)給WEDG相結(jié)合在線制備出的微細(xì)電極，在加工陣列微細(xì)孔時也需對工藝作一定考慮。如圖6所示，為避免過長微細(xì)電極低剛性對孔加工精度的不利影響，同時又具有一定的長徑比，以連續(xù)加工數(shù)個微細(xì)孔后再修整電極，首先自穿孔反拷制備具有較大剛度的直徑D和有效長度L，然后采用切向進(jìn)給WEDG將直徑D加工成適于微細(xì)孔加工的長度L1和直徑d。加工一定數(shù)量的微細(xì)孔后，微細(xì)電極損耗變短，再重復(fù)電極修整步驟，直到所有陣列微細(xì)孔加工完成。

圖6 陣列微孔連續(xù)加工工藝

采用圖6所示陣列微細(xì)孔加工工藝，通過切向進(jìn)給WEDG每次制備微細(xì)電極后加工5個孔并循環(huán)5次，在厚度0.2 mm不銹鋼板上加工出的5×5陣列微細(xì)孔如圖7所示，陣列微細(xì)孔直徑一致性為（73±1.1）μm。

圖7 厚0.2 mm鋼板上加工的陣列孔

3 三維微結(jié)構(gòu)型腔加工工藝

利用簡單截面形狀工具電極、采用選擇電極端部放電掃描加工，可加工成形三維微結(jié)構(gòu)型腔。由于微細(xì)電火花加工的工具電極尺寸微小，加工三維微結(jié)構(gòu)型腔時電極損耗嚴(yán)重，電極形狀和尺寸變化很快。選擇電極端部放電掃描加工時，其加工優(yōu)勢是利用電極的軸向端部損耗，消除掉電極的側(cè)向損耗直接破壞電極形狀的影響，而電極軸向損耗需電極損耗補(bǔ)償以支持加工的持續(xù)進(jìn)行。如果每掃描加工一層的軸向進(jìn)給量越微小，即軸向進(jìn)給量愈小，成形精度會愈高，但同時會增加逐層掃描的加工次數(shù)，加工時間較長。

選擇電極端部放電掃描加工過程中，突出的問題是工具電極損耗快，電極損耗造成極間間隙超過放電間隙，放電加工狀態(tài)很快將無法持續(xù)，維持持續(xù)放電加工的必要手段首先是電極損耗的實(shí)時補(bǔ)償。通過實(shí)驗(yàn)得到電極損耗率從而確定電極軸向損耗的恒速進(jìn)給補(bǔ)償是最基本的方法，但電極損耗受加工電參數(shù)、加工極性、工作液、電極形狀、電極和工件材料組合等多因素耦合影響，電極損耗的補(bǔ)償亟需實(shí)時動態(tài)的方法，以適應(yīng)微細(xì)電火花加工放電間隙微小的情況，并提高放電加工效率。

電火花加工本身就具有加工間隙伺服控制的基礎(chǔ)，由此研究提出了一種微細(xì)電火花伺服掃描加工方法，用于簡單截面電極端部放電逐層掃描加工三維微結(jié)構(gòu)型腔[14-16]。如圖8所示，通過放電狀態(tài)檢測回路實(shí)時反饋放電加工狀態(tài)，伺服控制電極軸向進(jìn)給，始終保持加工間隙SB處于放電狀態(tài)，在電極橫向掃描加工過程中，電極端部損耗自然得以實(shí)時補(bǔ)償，同時伺服控制合理的放電間隙，也可優(yōu)化提高脈沖放電有效利用率。

圖8 工具電極端部損耗自動補(bǔ)償示意圖

橫向掃描速度影響伺服掃描加工的分層厚度，將電極伺服進(jìn)給控制與工件分層數(shù)控軌跡聯(lián)動掃描進(jìn)行分離控制，主軸電極旋轉(zhuǎn)均化電極端部損耗及改善排屑。基于Pro/Engineer軟件平臺開發(fā)出適用于三維伺服掃描加工的CAD/CAM系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)從模型設(shè)計、掃描規(guī)劃到自動化加工的全過程。

采用電極端部伺服掃描加工的形狀誤差主要由加工深度誤差決定。伺服掃描加工的本質(zhì)是電極端部相對被加工表面的隨動加工過程，易于引入形面表面不平整度和逐層累積的加工深度誤差。因?yàn)閷γ繉哟庸け砻娴碾S動仿形加工，深度精度由每層掃描厚度疊加形成，這使待加工表面的初始傾斜和平整度誤差、掃描過程軌跡間距及重疊變化引入的隨機(jī)誤差逐層累積，造成三維形面較大的平整度誤差和深度誤差。且從直觀上而言，伺服掃描加工是在實(shí)體表面上逐層加工的，具有中空區(qū)域上的加工問題還需研究解決。

為避免形面不平整誤差和深度累積誤差，達(dá)到伺服掃描加工精度的可控性，研究提出了伺服掃描過程中橫向掃描各瞬間點(diǎn)位時工具電極軸向伺服進(jìn)給深度的層深約束控制算法[17]。層深約束控制算法的基本思想見圖9。在每層掃描路徑上的每個點(diǎn)位，實(shí)時計算電極端部到達(dá)的深度位置，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的分層厚度hc所在深度時，則停止伺服進(jìn)給，以使每個掃描點(diǎn)都能到達(dá)設(shè)定的分層厚度hc所在深度，而不受被加工表面初始形貌的影響。層深約束控制算法的關(guān)鍵在于實(shí)時計算出每個掃描點(diǎn)加工到hc的電極應(yīng)進(jìn)給深度值Zmax，其關(guān)系式為Zmax=hc+電極損耗長度，而電極損耗長度與掃描加工所經(jīng)過的路徑長度相關(guān)聯(lián)。

圖9 層深約束控制算法基本思想

采用層深約束控制算法控制加工深度，即使單分層厚度內(nèi)掃描路徑所經(jīng)過的待加工表面凸凹不平，也可使每層加工深度一致趨平，且可能在中空區(qū)域上或邊緣開放工件上進(jìn)行加工。如圖10所示，采用層深約束控制算法加工出輪廓小于800μm的三維微型腔結(jié)構(gòu)，加工底面平整度和棱角精度均得到改善，加工深度誤差小于2μm，并驗(yàn)證了可在中空區(qū)域上或邊緣開放工件上加工出所設(shè)計三維微結(jié)構(gòu)（圖11）。

圖10 三維微型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工

圖11 在未知凹陷結(jié)構(gòu)上加工出設(shè)計的三維微結(jié)構(gòu)

為優(yōu)化三維伺服掃描加工工藝，進(jìn)一步提出了伺服掃描參數(shù)的匹配和粗、精在線集成的伺服掃描加工方法[18]。雖然三維微細(xì)電火花伺服掃描加工方法將放電間隙伺服控制與掃描過程有機(jī)結(jié)合，實(shí)時補(bǔ)償電極損耗可提高加工效率，但由于電極直徑尺寸微細(xì)、放電能量微小、分層厚度小等影響，在保證加工精度的同時，加工效率依然有較大提升空間。如圖12所示，實(shí)際上加工三維型腔結(jié)構(gòu)時，其中的大部分去除材料與成形輪廓精度無關(guān)。合理的加工路線是：先高效率粗加工去除與成形輪廓無關(guān)的大部分型腔內(nèi)材料，再精加工去除貼近成形輪廓的少量材料。在精加工時可采用更低的放電能量提高表面精度，設(shè)置盡量薄的分層厚度以提高曲面成形精度，利用更細(xì)的電極減小圓角。層深約束控制算法為這種三維伺服掃描粗、精在線集成加工方法提供了可能。

圖12 粗精加工結(jié)合工藝

采用三維伺服掃描粗、精在線集成加工出的三維微型腔結(jié)構(gòu)示例見圖13，實(shí)現(xiàn)了圖形設(shè)計、快速去除型腔材料粗加工、在線修細(xì)工具電極和最終精密成形精加工的在線集成粗、精加工過程，明顯提高了棱角和表面精度。與僅采用精加工相比，其加工效率提高2.4倍。

進(jìn)一步將三維伺服掃描加工方法與多軸數(shù)控CAD/CAM技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)微器件的加工。如圖14所示，在NiTi合金材料上加工出了可應(yīng)用于介入式醫(yī)療主動導(dǎo)管的微器件結(jié)構(gòu)[19]，實(shí)現(xiàn)了模型設(shè)計、加工軌跡規(guī)劃、數(shù)控NC代碼生成、自動化加工的完整工藝過程，驗(yàn)證了三維伺服掃描加工復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的工藝能力。

4 微細(xì)電火花加工裝備開發(fā)及應(yīng)用

隨著微細(xì)電火花加工工藝研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)微細(xì)電火花加工裝備并推動其工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用勢在必行。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，對應(yīng)100～200μm和100μm以下兩種不同的特征尺寸范圍，本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了采用拉拔電極絲的微噴孔電火花加工裝備和基于WEDG的多功能微細(xì)電火花加工裝備。在上述加工裝備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計上，導(dǎo)入了工具電極的蠕動式進(jìn)給機(jī)構(gòu)、電極與工件之間附加的旋轉(zhuǎn)或振動機(jī)構(gòu)、WEDG機(jī)構(gòu)，發(fā)明了倒錐噴孔加工用推擺機(jī)構(gòu)、電極絲旋轉(zhuǎn)和蠕動進(jìn)給復(fù)合功能主軸機(jī)構(gòu)等。

圖13 三維微型腔伺服掃描粗精在線集成加工示例

圖14 主動導(dǎo)管驅(qū)動結(jié)構(gòu)加工示例

4.1 微噴孔電火花加工裝備

大氣污染的危害和環(huán)保呼聲的高漲，促使我國的機(jī)動車排放法規(guī)日趨嚴(yán)格。柴油發(fā)動機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)的升級換代，對其關(guān)鍵部件之一的噴油嘴偶件提出了更高的加工要求。高壓共軌系統(tǒng)的噴油嘴噴孔直徑已減小至100～200μm，機(jī)械鉆削加工已無法滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)以上的噴油嘴噴孔的加工，特別是倒錐形微細(xì)噴孔的加工要求。這時，微細(xì)電火花加工剛好適應(yīng)高端柴油發(fā)動機(jī)噴油嘴的加工技術(shù)需求。面向高端柴油發(fā)動機(jī)噴油嘴倒錐形微噴孔加工，綜合考慮加工效率、工具電極損耗補(bǔ)償和噴油嘴空間定位，本研究團(tuán)隊(duì)在微細(xì)電火花加工技術(shù)研究基礎(chǔ)上，著重研究開發(fā)了具有電極損耗補(bǔ)償、高頻輔助振動、倒錐推擺的復(fù)合功能主軸以及加工精度和系統(tǒng)控制方法，并研制出微噴孔電火花加工專用裝備[20]。

微噴孔電火花加工專用裝備主軸系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意見圖15。X、Y軸調(diào)整主軸上微細(xì)電極軸線相對于噴油嘴水平方向定位，Z軸調(diào)整主軸頭相對于工件位置定位，S軸伺服驅(qū)動電極絲進(jìn)給，B軸擺動實(shí)現(xiàn)噴油嘴擺動軸向偏夾角定位，C軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)噴油嘴軸線轉(zhuǎn)動周向轉(zhuǎn)夾角定位，W軸實(shí)現(xiàn)噴油嘴各個微噴孔球心焦距定位。電極絲的進(jìn)給伺服控制通過蠕動進(jìn)絲機(jī)構(gòu)執(zhí)行，采用常開和常閉兩個夾絲機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)開閉，配合S軸伺服驅(qū)動實(shí)現(xiàn)電極絲的蠕動進(jìn)給。蠕動進(jìn)絲機(jī)構(gòu)可使每個噴孔加工時的電極絲位置一致、加工過程連續(xù)，且每個噴孔加工后電極損耗得到進(jìn)給補(bǔ)償。

圖16是倒錐噴孔加工用的電極絲倒錐推擺機(jī)構(gòu)。倒錐推擺運(yùn)動原理是通過控制電極絲在倒錐面內(nèi)連續(xù)推擺包絡(luò)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)微小角度的倒錐角微噴孔加工。通過偏轉(zhuǎn)軸套內(nèi)圓錐面與球形定位塊凸球面擬合方式，以固定球心定位微小錐角頂點(diǎn)，控制錐角頂點(diǎn)與工件待加工表面位置。通過兩個軸承的類行星運(yùn)動，達(dá)到傳遞動力使偏轉(zhuǎn)軸套在錐角偏擺時無自轉(zhuǎn)運(yùn)動的目的，使導(dǎo)向陶瓷柱帶動電極絲做無自轉(zhuǎn)的圓錐面擺動。偏轉(zhuǎn)軸套內(nèi)配合安裝導(dǎo)向陶瓷管，電極絲和導(dǎo)向陶瓷管均無自轉(zhuǎn)。當(dāng)推擺機(jī)構(gòu)無推擺運(yùn)動時，可方便加工微細(xì)直噴孔。

圖16 倒錐推擺結(jié)構(gòu)設(shè)計

同批量加工的多個噴油嘴以及一個噴油嘴上的多個微噴孔的孔位和孔徑精度應(yīng)保證一致性，孔徑的一致性精度直接影響噴油嘴噴油流量一致性和霧化效果。孔位精度由各軸定位精度、噴油嘴中心參考點(diǎn)對準(zhǔn)精度、噴油嘴噴孔焦距參考點(diǎn)對準(zhǔn)精度決定。而孔徑精度一致性關(guān)鍵在于保證每個孔加工過程的一致，這主要受到電極絲的剛度、端部形狀、進(jìn)給深度等因素影響。使用拉拔電極絲加工微噴孔時，電極絲伸出長度直接影響其剛度和穩(wěn)定性。噴孔加工過程中控制孔徑精度一致性的措施如圖17所示，使各孔加工時電極絲伸出較短且長度一致；電極絲貫穿噴孔后適當(dāng)過進(jìn)給一段長度，修正加工中電極絲端部損耗變形對孔形的影響；并且加工前利用反極性修整電極絲，以保證加工前每個孔電極絲端部形狀一致。

所研制的達(dá)到國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)以上倒錐形微噴孔加工技術(shù)要求的微噴孔電火花加工裝備見圖18。該裝備已在國內(nèi)油泵油嘴行業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

4.2 多功能微細(xì)電火花加工裝備

加工特征尺寸100μm以下的微細(xì)電火花加工，基于WEDG在線制備微細(xì)電極仍是其主流技術(shù)。迄今為止，在這種微細(xì)電火花加工裝備上主要是利用旋轉(zhuǎn)主軸頭夾持較短一段電極棒料，通過WEDG在線制作一小段微細(xì)電極再進(jìn)行后續(xù)的微細(xì)孔、槽、三維微結(jié)構(gòu)型腔等微細(xì)電火花加工。由于電極損耗變短，需再次在線制作，當(dāng)所夾持的這段不長的電極棒料損耗至過短時，需人工重新更換裝夾新的電極棒料，這難以滿足批量化工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用和自動化加工的需求。同時，相對于在線制備的特征尺寸100μm以下的微細(xì)電極，裝夾的電極棒料直徑較大（0.3～0.5 mm），導(dǎo)致WEDG在線制作微細(xì)電極的時間較長。

圖17 孔徑精度一致性的控制

圖18 微噴孔電火花加工裝備及應(yīng)用

借鑒研制微噴孔電火花加工裝備中的主軸蠕動進(jìn)絲機(jī)構(gòu)，使用直徑100～200μm的長電極絲替代電極棒料，可使去除加工量大為減少，WEDG在線制作微細(xì)電極的效率會大幅提高，而且當(dāng)電極損耗后，可得到自動進(jìn)給補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)長時間連續(xù)加工。因此，使微細(xì)電火花加工裝備有可能工業(yè)應(yīng)用的一個關(guān)鍵是設(shè)計實(shí)現(xiàn)工具電極絲旋轉(zhuǎn)和蠕動進(jìn)給的復(fù)合機(jī)構(gòu)。

本研究團(tuán)隊(duì)在改進(jìn)WEDG機(jī)構(gòu)模塊的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究開發(fā)了細(xì)長電極旋轉(zhuǎn)蠕動復(fù)合功能主軸機(jī)構(gòu)，結(jié)合切向進(jìn)給線電極磨削、三維微結(jié)構(gòu)型腔的伺服掃描加工工藝，開發(fā)出可加工微電極、微孔、微槽、三維微結(jié)構(gòu)型腔的多功能電火花加工裝備。

恒張力控制緊湊型WEDG機(jī)構(gòu)如圖19所示，采用力矩電機(jī)與彈性壓絲單元配合反向拉絲，實(shí)現(xiàn)線電極的恒張力自動控制。通過進(jìn)出絲部分的固定導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)絲，減小電極絲走絲過程中的跳動量。采用摩擦力可調(diào)摩擦輪收絲機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格電極絲的平穩(wěn)收絲；進(jìn)絲、出絲區(qū)域與加工區(qū)域分離且加工區(qū)域高度可調(diào)，適用于浸液和沖液環(huán)境的選擇多樣性。

圖19 恒張力控制緊湊型WEDG機(jī)構(gòu)

電極絲高精度旋轉(zhuǎn)-蠕動進(jìn)給復(fù)合功能主軸機(jī)構(gòu)原理如圖20所示，Z1軸用于放電間隙的伺服進(jìn)給驅(qū)動，Z2軸用于微細(xì)電極蠕動進(jìn)給補(bǔ)償電極損耗，C軸驅(qū)動工具電極旋轉(zhuǎn)。將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)精度、加工進(jìn)給和蠕動進(jìn)給分離控制，以提高電極前端旋轉(zhuǎn)精度。常閉夾絲機(jī)構(gòu)置于下端，提高電極絲剛度和長度利用率。常開上夾絲機(jī)構(gòu)位于旋轉(zhuǎn)主軸內(nèi)，并通過雙瓣夾頭錐面定位夾緊，不僅使主軸機(jī)構(gòu)緊湊，且有利于夾緊松開后的較細(xì)電極軸線與旋轉(zhuǎn)軸線的自對準(zhǔn)。

設(shè)計實(shí)現(xiàn)的多功能微細(xì)電火花加工裝備樣機(jī)見圖21。該裝備集成了電極絲高精度旋轉(zhuǎn)-蠕動進(jìn)給復(fù)合功能主軸、恒張力控制緊湊型WEDG機(jī)構(gòu)、在線測量CCD等功能模塊。結(jié)合切向進(jìn)給線電極磨削、三維微結(jié)構(gòu)伺服掃描加工，研發(fā)出了適用于創(chuàng)新工藝的CAD/CAM系統(tǒng)。未來，期待在微噴孔、噴絲孔、生物芯片模具、微器件等微結(jié)構(gòu)加工制造方面開拓工業(yè)化應(yīng)用。

圖20 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給復(fù)合功能主軸結(jié)構(gòu)原理

圖21 多功能微細(xì)電火花加工機(jī)床樣機(jī)

5 研究問題探討

先有科學(xué)研究，繼而有技術(shù)開發(fā)，然后走向工程應(yīng)用，這是理想的也是行之有效的傳統(tǒng)研究開發(fā)模式。在工程專業(yè)領(lǐng)域，在已有成熟基礎(chǔ)理論可用、或尚無新的理論創(chuàng)新的情況下，以解決應(yīng)用問題為目標(biāo)，也可有基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。通過持續(xù)研究積累，從而追求有意義或有價值的研究開發(fā)活動，以對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有所貢獻(xiàn)。就電加工行業(yè)而言，面臨著國內(nèi)尚不能提供與國外高端產(chǎn)品競爭的高精度電火花成形機(jī)床、電火花線切割機(jī)床的問題，即使目前沒有基礎(chǔ)原理機(jī)理的根本性創(chuàng)新，但仍有工藝、裝備等工程創(chuàng)新空間。這些年來，科研或技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)不少，發(fā)表的研究論文頗多，但對行業(yè)發(fā)展的促進(jìn)作用需要反思。

對于微細(xì)電火花加工的研究和技術(shù)開發(fā)及其工業(yè)應(yīng)用，電極損耗、高深寬比通孔或盲孔加工時極間排屑、脈沖放電有效利用率低等基礎(chǔ)問題仍是主要制約因素。微細(xì)電火花加工機(jī)床可達(dá)加工特征尺寸100μm以下的技術(shù)指標(biāo)、也可加工三維微結(jié)構(gòu)，但目前并無明確的有影響力的工業(yè)應(yīng)用。

微細(xì)電火花加工的進(jìn)一步發(fā)展，需要與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合及進(jìn)一步創(chuàng)新。行業(yè)應(yīng)用的牽引會有較大的促進(jìn)作用，例如發(fā)動機(jī)微噴孔加工是因?yàn)榕欧艠?biāo)準(zhǔn)的提升帶來了真實(shí)的技術(shù)需求，高端噴絲板制造行業(yè)也有可能結(jié)合進(jìn)去，而像生物芯片、精密醫(yī)療器械等前沿領(lǐng)域中高附加值產(chǎn)品的制造，應(yīng)該是未來微細(xì)電火花加工技術(shù)應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)。

當(dāng)微細(xì)電火花加工進(jìn)一步細(xì)微到接近單點(diǎn)放電時，無疑有助于了解電火花加工的基本機(jī)理。當(dāng)微細(xì)電火花加工與掃描探針顯微鏡（SPM）加工在加工機(jī)理和加工尺寸上搭接時，納米加工可能會為我們展示機(jī)理創(chuàng)新途徑，從最基礎(chǔ)的層次推動電火花加工技術(shù)的發(fā)展。

就微細(xì)電火花加工而言，無論基礎(chǔ)研究創(chuàng)新還是關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，均需聚焦解決真實(shí)起作用的問題，從而形成有價值的研究方向。