微细电火花加工技术综述

马富东 李文龙

摘 要：文章通过研究微细电火花加工技术的研究进展，统计分析微细电火花加工技术的专利申请现状，并以清华大学关于微细电火花加工技术的实际申请案例为基础，从线电极电火花磨削技术、微三维结构的微细电火花加工技术、微细电火花加工电极驱动技术三个方向梳理我国微细电火花加工技术的发展脉络，以帮助审查员初步了解行业动态，对于提高审查效率，明确审查思路有一定的作用。

关键词：微细电火花;蠕动式进给;进给弯曲

中图分类号：TH16;TG661文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）07-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.003

1 微细电火花加工技术的研究进展

微细电火花加工技术的研究起步于20世纪60年代末。荷兰Philips研究所的Dsenbrug gen等人用微细电火花加工技术成功加工出了直径为30μm，精度为0.5μm的微孔。但由于当时条件下尚无法解决微细电极的在线制作问题，使得其加工效率偏低，加工精度一致性较差，这一成果并未引起人们足够的重视。20世纪80年代末，随着MEMS技术的蓬勃兴起及其在应用过程中所出现的一系列问题，以及这一时期现代电力电子技术的发展，尤其是线电极电火花磨削（wire elec-tric discharge grinding，WEDG）技术的逐步成熟与应用，成功解决了微细电极在线制作这一瓶颈问题，使得微细电火花加工技术进入了实用化阶段，并成为微细加工领域的热点研究内容之一[1]。

1.1 线电极电火花磨削技术

1984年，日本东京大学生产技术研究所增泽隆久等人在电火花反拷加工的基础上，利用线状电极替代反拷模块，成功研制了线电极电火花磨削（WEDG）技术[2-3]。WEDG已成为微细高精度电极在线制作的有效手段，可以说，目前的微细电火花加工与WEDG密不可分。利用WEDG，日本东京大学增泽隆久等人已可加工出直径为2.5μm的微细轴和直径为5μm的微细孔，代表了当前这一领域的世界前沿水平。

1.2 微三维结构的微细电火花加工技术

在这一研究领域，日本学者作出了突出贡献。1997年7月，日本东京大学增泽隆久、余祖元等人利用简单形状的微细电极，制作出了长0.5mm、宽0.2mm、深0.2mm的微型汽车模具并用此制作出了微型汽车模型。1997年，日本松下公司制作出了分度圆直径为300μm、齿高50μm的微型齿轮及5μm宽、150μm长的微槽。1999年，日本庆应义塾大学谷村尚等利用微细电火花加工技术加工出了直径为150μm、尖端部，半径为2.5μm的扫描探针，并用其完成了三维表面的轮廓测量。

1.3 微细电火花加工电极驱动技术

由于在电火花加工中，工具电极与工件之间没有宏观作用力，这使得采用电极直接驱动装置实现电火花加工装置的微型化成为可能。并且这种微型装置可以安装在机器人手臂上，从而实现在特殊空间上的加工。蠕动式微小型电火花加工机构主要由两个压电陶瓷箝位器（其中一个轴向固定）、一个压电陶瓷驱动器以及电极丝等组成。为保证电极运动的平稳性，在两个箝位器与电极之间装有导向机构。通过控制箝位器和驱动器的动作时序和初始状态，即可实现电极的微量进给与回退。哈尔滨工业大学利用这种原理制作的微型电火花加工装置，已可在1mm厚的钢板上加工出直径为0.3mm的孔。

2 清华大学关于微细电火花加工技术的专利布局梳理

2000年～2020年，清华大学关于微细电火花技术的专利申请量在国内处于领先地位，其涉及的技术主要为线电极电火花磨削技术、微三维结构的微细电火花加工技术以及蠕动式电火花加工电极驱动装置的相关技术。

2.1 线电极电火花磨削技术专利申请

线电极电火花磨削又称为WEDG，其目前是微细高精度电极在线制作的有效手段。针对该项技术，清华大学首先于2012年3月6日申请了名称为“正交点电接触标准棒的微细电极直径在线测量方法”的发明专利，可以提高微细电极径向尺寸的在线测量精度。本申请作为WEDG技术的基础，为后续有关线电极电火花磨削技术的专利申请提供了支撑。

基于WEDG技术，清华大学于2013年10月18日申请了名称为“高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺”（公开号：CN103600146A）的发明专利，其在原有WEDG技术的基础上进行扩展应用，将相关磨削技术应用于工件加工，其采用了基于微细电火花加工的微细电磨削方法。

衔接CN103600146A，完善相关技术布局，清华大学于2015年4月21日申请了名称为“微小圆弧形薄片上微凹槽线放电磨削加工工艺及导向片”的发明专利，其将微细电磨削方法实施具体应用，采用思路一致的加工步骤将加工方法具体化，增加了相关WEDG技术的具体应用。

2.2 微三维结构的微细电火花加工技术专利申请

2009年10月15日，清华大学申请了名称为“三维微细电火花伺服扫描粗精加工結合工艺”的发明专利，其针对工艺面向毫米级尺寸以内的微三维型腔加工，采用伺服控制放电间隙实现电极轴向损耗实时在线补偿，完成高表面精度和高尺寸精度的成型加工。

同年，针对三维微细电火花技术的具体应用，清华大学于2009年10月20日申请了名称为“微三维结构的电火花电解组合铣削加工方法”的发明专利，借助分层铣削原理，采用简单电极进行微细电火花铣削和微细电解铣削的组合加工方式，可加工多种金属合金材料和复杂的型腔型面。

2.3 微细电火花加工电极驱动技术专利申请

技术研究初期，清华大学于2000年4月14日申请了名称为“精密微细孔电火花加工装置”（公开号：CN1266764A）的发明专利，其公开了一种由进给机构、运动联接件、进丝复合机构和高能脉冲放电电源组成的精密微细孔电火花加工装置。该专利申请为电极丝进给装置的初始研究成果，公开了主体的研究思路，保护了相关技术方案。

2008年5月22日，清华大学申请了名称为“微细倒锥孔电火花加工电极运动导向机构”（公开号：CN101318244A）的发明专利，通过调整垫片的厚度，可以调节倒锥孔锥度的大小。该专利申请延续CN101318244A的研究思路，且在其基础上进行改进，解决了电极削边的相关技术问题。

2008年5月19日，清华大学申请了名称为“微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构”的发明专利，其相关改进点为：在微细电极丝精密导向模块中采用精密V型导向槽，解决了微细电火花加工微细电极丝的精密导向问题。该申请与CN101318244A专利申请同为CN1266764A研究思路的延续，在其基础上进行结构改进，解决实际加工过程的具体问题，优化结构设计，完善专利布局。

基于CN101318244A的研究，其解决了电极削边的相关技术问题，但是实际生产中在电极丝与直角导向槽之间产生相对周向滑动的过程中，作用于电极丝上的摩擦力容易出现电极丝“拧断”的现象，针对该问题，清华大学于2010年12月10日申请了名称为“用于微细倒锥孔电火花加工的锥角推摆机构”的发明专利。

伴随蠕动式进给机构技术的成熟，其已经可以避免微细电极进给弯曲问题的出现，但对于航空发动机和燃气轮机特殊高温材料、单个叶片上大量气膜冷却孔的加工，为实现高效率、高尺寸精度、一次装夹加工出群孔，还要求将电极中空高压冲液、高精度旋转、自动更换电极功能与蠕动进给功能相复合的多功能主轴机构。针对上述问题，清华大学于2014年1月17日申请了名称为“一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构”的发明专利，这种对称结构有利于传递动力和输出动力控制，并无需主轴旋转角度的定位要求，可降低硬件成本并且易于控制。

2015年9月6日，清华大学申请了有关电极丝蠕动进给技术的新技术专利——“适于线放电磨削的微细电火花加工用旋转进给主轴头机构”，该专利将“电极驱动技术”与“线电极电火花磨削技术”进行综合研究，代表了该领域的发展趋势，以及清华大学对于新技术研究下的专利布局构思。

3 审查实践应用

通过对上述技术发展的梳理，以及对于清华大学专利布局的分析，可以对审查员了解该微细电火花加工技术起到一定的辅助作用。下面以实际案例为基础，简单介绍上述分析对于审查该领域专利申请的浅显作用，希望对于审查有些许益处。

申请号：201510658434.5;

发明名称：一种角度浇口治具。

初步印象：本申请的技术方案属于微细电火花加工领域的低端技术，属于上述三大系统中的微细电火花加工电极驱动技术范畴，但装置极为简单，不涉及电极旋转、微进给、在线换丝技术，只是简单的电极夹持后摆动装置，属于上述2000年～2010年的早期技术，可以迅速判断采用IPC分类号进行检索，且主要范围为：IPC B23H1/00、B23H11/00、B23H7/26;关键词选定为：电极、夹持、角度、斜孔。

检索结果：得到X类文件CN 201231365Y;申请日：2008年4月21日。与上述印象结果以及综述分析相符合。

综上，通过上述有关微细电火花加工领域的技术综述，可以帮助审查员初步了解行业动态，对于提高审查效率，明确审查思路有一定的作用。

参考文献

[1] 佟浩.微細电火花加工主轴伺服控制系统及三维加工技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[2] 张龙，佟浩，李勇，等.微细电火花加工轴和孔尺寸一致性工艺研究[C].第15届全国特种加工学术会议论文集，2013：340-345.

[3] Masuzawa T，Fujino M，Kobayashi K，et al.Wire electro-discharge grinding for micro-machining[J].CIRP Annals，1985，34（1）：43-434.