特种加工中超声辅助电火花加工技术及机理

摘 要：在当今工业生产不断发展，科学技术不断提升的今天，传统机械加工工艺的弊端逐渐显现，电火花加工技术随之更新，并得到迅速发展。当前，超声辅助电火花加工工艺在工业生产中普遍开展，同时随着工业生产中绿色环保的理念不断深入，将工艺介质不断更迭在电火花加工技术里，我国电火花加工技术水平随之发展，起到关键的推动作用。

关键词：电火花加工;气体介质;超声振动

很多装备设计中，为保障零件的刚度、强度和稳定性，常用难加工金属材料。为保证材料组织的稳定，零件毛坯设计比较大，导致加工中材料去除量比较大。目前主要是采用切削加工或电火花成型加工，都存在成本高、效率低的问题。超声辅助电火花加工综合了数控切削加工和电火花成型加工优势，由数控系统控制标准电极，按轨迹加工，解决切削加工中刀具磨损大的问题和电火花成型加工中电极制造难的问题，并且利于极间蚀除颗粒排出，有助于提高加工效率，但是加工过程复杂而难以有效控制。经国内外学者多年努力，特种加工中超声辅助电火花加工工艺研究取得了突破性进展。

1 特种加工中超声辅助电火花加工工艺基本原理

超声辅助电火花加工技术把多种新型介质的电火花加工技术应用于电火花技术加工中，通过分层制造原理，借鉴快速原型制造技术进行分层数控加工，实现加工工艺的完成。

超声辅助电火花工艺加工工作原理如下：

简易电极在数控系统的控制下，根据超声振动辅助，按照预定的轨迹进行分层扫描加工（可在超声振动辅助下通过工具电极与工件之间的不同放点位置的介质放电加工出所需的工件形状）;在整个电火花加工过程中，工具电极与工件分别于脉冲电源的两端连接，工具电极旋转并进行超声振动，同时管状工具电极中可通以液体、气体等多种形式的电火花介质;在数控系统的作用下，工具电极的底面始终与被加工表面保持适当的距离，并在绝缘强度最低处或间隙最小处击穿产生火花放电，放电产生的瞬时高温使工件电极表面材料熔化和气化;这样随着连续不断的重负脉冲放电以及工具电极的伺服进给运动，加工轨迹上的工件材料逐渐被蚀除，进而加工出所需的工件形状。

2 特种加工中超声辅助电火花加工技术特点

电火花加工利用工具电极与工件之间的脉冲性火花放电产生的局部高温、高压来蚀除工件材料，可加工任何硬、脆、韧的导电材料。随着技术发展，电火花加工的加工对象已经扩展到非导电材料领域，并向微细领域发展。电火花加工的应用越来越广泛。

超声辅助气中电火花加工工艺根据分层制造的电火花加工方式，其加工思想是将复杂的三维结构制造过程演变为较为简单的二维结构的制造过程，与等高线数控类似，利用简易电极，逐层去除加工材料，从而简化了制造的难度。该技术的关键体现在层面本身的制造精度和层面之间的平滑过渡上。从工艺的角度讲，层面之间的平滑过渡是通过分层厚度来体现的，而层面本身的制造精度一般由电极轨迹的规划来实现。

3 特种加工中超声辅助电火花加工技术存在的问题

电火花加工工艺是在20世纪90年代发展起来的电火花成型加工技术。近年来，国内外专家学者开展了大量研究，取得了很大进展，但在机理、设备、介质、工艺、质量等方面的研究仍显不足，目前电火花加工还存在智能化程度较低、操作困难、成本高和效率低等问题。

电火花工艺放电机理的研究，主要开展了放电点的位置、气泡运动、等离子体通道直径等方面的研究，研究手段主要是依赖高速摄像机、应力传感器等检测设备进行检测，根据检测结果进行理论分析。但是，各方面的研究相对独立，没有开展系统分析研究，对材料熔化、蚀除颗粒排出等机理没有深入研究，对于微细工件加工还需要尺度效应和错位理论等有关理论研究，需要归纳总结加工特性，以理论指导试验和实践。

4 特种加工中超声辅助电火花加工技术发展趋势

当前制造行业中，难加工材料加工，采用切削加工的局限越来越明显，不仅效率低、周期长、刀具成本大，且以进口为主存在一定的战略隐患。采用超声辅助电火花加工技术能够较好地解决这些问题，值得进一步被重视，向高速化、精密化、细微化和绿色化发展。

（1）高速化发展。目前研究采用的伺服驱动方式，控制精度不高，面对批量生产需求的差距很大，研发高效伺服驱动系统势在必行。

（2）精密化发展。极性效应，是电火花加工的基本机理。在极性效应的作用下，电极逐步损耗变形，减低了铣削加工的精度。不断积累的加工屑，会影响电火花铣削过程的稳定性，进一步降低成型精度。因此，在今后的发展工艺中，应注重提高设备的先进性、工艺和技术的精细及加工精度的准确率。

（3）微细化发展。微细电火花加工是重要的微細加工技术，尤其是一些微小三维型面的加工中，其电极制作难度大、损耗大，导致成本高、精度低，采用微细电火花铣削加工技术能够解决这一瓶颈问题，但是，目前电火花铣削加工的微尺寸工件的表面质量不高。因此，未来有效改善微细电火花铣削加工技术的加工质量值得深入研究。

（4）绿色化发展 。绿色制造是先进制造理念和模式，电火花铣削加工技术融入该理念，是实现制造过程环境友好的重要举措。当前，电火花加工中，工作介质因电离而产生有害气雾、加工产生的噪音，以及资源消耗、电磁辐射、刺激性气味等问题比较严重。未来，电火花铣削加工提高绿色性能，选择与应用优质介质，减少电离气雾;提高设备主轴精密驱动，降低噪声，以及广泛开展集成加工，提高效能比。

经过国内外学者多年的研究，电火花铣削技术的研究已经取得了一定进展，为机械加工，尤其是难加工材料的加工做出了贡献。但是，还存在加工效率低，加工精度低，加工成本高，以及微细化加工难以突破等问题。为了适应制造业发展需求，今后应重视高速化、精密化、细微化和绿色化。

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作者简介：崔同磊（1993-），男，山东昌乐人，硕士研究生，研究方向：特种加工。