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电火花EDM/线切割 |
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精密放电加工(Precision Electrical Discharge Machining) |
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newmaker |
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1 前言
台湾的模具工业，在全球的模具市场占有率已逐年增加，外销的产值已直逼先进国家，而一般在模具生产现场上最不可缺少的工作母机，可称得上是放电加工机了。近年来由于各方研究者的努力（特别是日本），放电的现像，及加工参数已逐渐明朗下，放电加工的技术更上一层楼，有些特别的加工特性并不输给切削加工。
而在硬质材料的加工方面，诸如SKD，超硬合金、碳化钨的加工，放电加工是一门不可缺少的加工方法，在此将从简单的加工原理开始，叙述放电加工的应用及最新的技术发展。
2 放电加工的原理
放电加工原理简单而言是利用电能转换成工件热能，使工件急速融熔的一种热性加工方法。换言之，放电加工时，液中在电极与工作极微细的间隙中产生过渡电弧放电现象，进而对工件产生热作用，同时，加工中液体由于受到放电压力及热作用产生气化爆发现象，此时工件的融熔部份，将伴随液体气化现象熔入加工液中，工件因放电的作用产生放电痕，如此反复进行，我们所希望的形状便可加工完成，由此可知放电加工与工件的硬度无关只要是可通电的材料均可加工，而像陶瓷、玻璃等非导体材料，在我们一般的印象中是无法利用放电来加工的，然而最近这几年的研究发现，利用特殊的方式，利用放电亦可加工非导体材料，
基本的放电原理及理论，从微细观的观点来描述的话如图（一）所示
图（一）放电原理
由此可知加工液在放电加工中最主要扮演冷却及迅速回复极间的绝缘状态，当然气化胀压力的作用也是加工液很重要的角色之一。
图标是单发放电后的放电痕迹。
从步骤(1)~(5)往覆式的１秒约数千次甚至数十万次的。
实际的放电加工是放电状况发生，多数的放电痕逐渐累积而成的加工方式，就是放电加工去除的原理。
大←单发放电能量→小
粗←表面粗糙度→细
宽大←放电间隙→狭小
快←加工速度→慢
图（二） 单发放电状况
从以上的说明中，我们知道放电加工是放电痕的累积，而单发的放电能量愈大，放电凹痕也愈大，加工速度，放电间隙，及加工面的粗糙度也相对增加，其关系如图（二）所示。
在单发放电过程中，电压及电流的关系如图（三）所示。
图（三）电压、电流的关系
实际上在放电加工过程中，是连续放电的现象，如图（四）所示
图（四）电压、电流的关系
其中ΓN，ΓP是放电加工中极为重要的参数，控制ΓN，ΓP等不同的值将影响加工速度，加工面的粗糙度及电极的消耗程度，目前市面上的放电加工机，特别是国产的，调整不同的ΓN及ΓP在加工的品质已经亚于日本等国家。
3 放电加工机的分类
基本上放电加工机可分为几个类别，其加工原理如图（五）所示 
（图五）雕模放电加工原理
利用电极的不同形状，便可加工工件成我们所需要的形状。虽然利用很简单的雕模机可加工出各种模具的形状，但是雕模放电工机仍有以下几个问题：
(1)电极的消耗
放电雕模中，电极的消耗是一个极为棘手的问题，比起切屑加工，电极工具的消耗率（量）相当可观，解决电极的消耗问题，不管从电极材料的研发，放电电路的改良，目前日本各放电加工机厂相继推出低消耗的放电加工母机，如何降低消耗或零消耗是目前从事放电加工研究重要的课题。
(2)电极的制作
在放电雕模加工中，电极的制作是极为重要的。有高精度的电极才有可能加工出高精度的模具。目前大部份的雕模加工机均使用铜电极，因为加工容易，电极材料便宜等优点，铜电极材料仍大量被使用。然而在须要加工复杂的微小的模具形状时，电极的制作上仍有其困难。最近日本三菱电机推出利用单纯的电极，藉由NC控制X Y轴做往覆式的扫描加工，再加上电极自动补正，亦可加工极为复杂的形状，如此一来便可解决电极的制作问题。如图（六）所示（相关论文请参阅“放电加工技术－日刊工业新闻一书”）
X-Y轴移动由NC程控图（六）NC程控加工
(3)加工精度
由于加工条件，加工参数及电极材料等都会影响加工的精度，尤其目前各种尺寸的精度要求日渐严格，借着各参数的调整，及加工液粉末的添加等，尽量避免集中放电等的相关研究，已经逐渐有了成果，目前高精度的镜面加工，已不成问题。
4 线放电加工（俗称线切割）
线放电加工机也是模具厂不可缺少的工作母机之一，其加工原理如图（七）所示：
图七 线放电加工原理
利用线材（通常指黄铜线）与工作物之间放电，此时线材就像是线锯一般，然后借着XY轴方向，NC控制程序便可切割出我们所须的轮廓形状。像齿轮、冲模等，其它比较复杂的形状也可利用这种方法做切割加工。
目前大部份的线放电加工机都使用纯水为加工液，有少部份的线放电加工机使用灯油当加工液。使用纯水为加工液时加工速度快，但容易发生电解现象，所以一般的线放电加工机，通常都有一套纯水循环系统。为了防止电解现象，日本三菱电机最近发展了一套无电解现象的AE电源，目前已经实用化了。相对的，如果使用灯油为加工液时，可做高精度的切割加工，但是相对的加工时间较长，这也是极须改进的地方。
虽然线放电加工机已经是相当普遍的工作母机之一，但是仍面临以下的几个问题：
(1)断线问题
由于在切割加工时，加工液的流动不良或是线材的过度振动，都会造成线材断裂的现象，一旦线材断掉后，操作员通常必须重设，穿线等反复的动作，不仅加工效率降低，加工精度也会受到影响。有鉴于此，瑞士的有名放电机厂及日本的各大厂已研发出自动穿线的系统，不仅无须人工操，而且可以记忆断线的位置，重新设定，大大提高加工效率及精度。
(2)切割直角时产生圆弧的问题
在切割直角时，虽然线放电加工机XY轴可控制行走90°的转角，但是在放电过程中，特别是转角处通常都会产生圆弧的现象。控制放电状况可尽量避免圆弧状况发生，或是利用更微细线也有相同的效果，但是改善的程度仍有限。要做高精度的线切割加工时，转角所产生的圆弧现象，是极待解决的问题。
(3)超微细线切割加工
目前一般线切割放电加工机大部份使用ψ200μm的黄铜线，也有少部份的使用ψ150μm以下的细铜线。当然使用的线愈细，断线的机率就愈大，然而为了切割更微细的部品，目前也有不少厂家使用约ψ30μm的钨线做微细切割加工，该种线材极为昂贵，非附加价值高的加工，较少使用，日后想必ψ30μm以下的细线如ψ20，ψ10等线材也会渐渐被采用。
(4)高厚度的线切割加工
线切割加工时，工件的厚度愈厚，线的振动程度愈大，就愈容易断线。目前有些厂家（瑞士，日本）已经推出可切割厚度１公尺以上工件的线切割放电加工机，除了可以连续切割不断线外，也可保证加工精度。在这方面上，台湾的放电加工机目前正积极努力迎头赶上
5 放电表面改质及非金属放电加工机
高精密度的模具，除了尺寸精度要求严格外，模具表面的粗糙度也相当重要，传统的放电加工后工件表面的粗糙度大则Rmax数10微米以上，精加工后，如果加工条件控制得宜，Rmax可缩小至数微米，但是仍达不到我们的需求，近年来，丰田工业大学齐藤长男教授及东京大学毛利尚武教授利用粉末硅(Si)粉添加液，使得放电均匀散布，放电加工后，工件表面可达到镜面的状态。而且不仅如此，精加工的效率也相对提高很多。目前日本牧野及三菱电机也正尝试各种粉末的添加来改善放电加工后，工件表面的粗糙度及硬度，这种在加工液中粉末混入的应用技术已经实用化，深受模具业的青睐。目前台湾在这一点上的研究及努力，稍显不足，我们期待日后在这一方面能有新的本土化的机器出笼。
当然，除了放电加工表面改质外，毛利尚武教授等几位放电加工的前辈，正尝试另一种新手法利用放电来加工陶瓷、玻璃等非导体材料，其加工原理如图（八）所示：
图（八）非导体材料之放电加工
在陶瓷材料上接着金属材料（亦称补助电极）通常放电加工很容易可加工金属，当金属加工完之后，陶瓷材料将附着加工粉末（主要是电极消耗之粉末）及加工液分解后的碳化物，形成导体膜，在金属加工完后附着于陶瓷材料导电膜形成通电回路，当然可以持续放电，由于放电现象产生的热，冲击等影响，所以陶瓷材料也可以加工。目前这个技术也渐渐实用化中。
6 微细放电加工
1985年日本东京大学，增尺隆久教授研发WEDG的加工方法后，奠定微细放电加工的基础。在WEDG发明以前，微细电极的制作是一门相当困难的工作，传统的微细电极的加工方法如图（九）所示
图（九） 传统微细电极加工法
利用高精度的金属块，设定为正极，块状金属模具为负极，工具与金属块（电极）之间产生放电的加工方式来制作微细电极，但是因为金属模具存在着消耗问题，放电间隙极难控制，非技术熟练者无法加工出数微米的电极工具。
为了解决上述的困难点，增尺教授发明WEDG的加工方式来制作微细电极其原理如图（十）所示。
图（十）WEDG 电极加工法
利用直径约200μm的黄铜线，在铜线导沟缓慢移动，工具为正极，铜线为负极，工具与铜线之间产生放电，如此一来，因为铜线随时都在移动，已经放电后的铜线，不再使用，因此只要铜线的直经是均一的，那么铜线与工具之间的放电将维持一定。利用这种方式，直径5μm的工具也可加工成形。加工后的电极如图（十一）
图（十一）直径5μm电极
借着主轴的旋转与否，断面是三角形的电极，正方形或长方形，甚至螺旋形状的电极亦可加工。在此我们必须要注意的是，微细放电加工与一般大型的放电加工最大的不同点在于放电回路的差异，一般大型的放电回路使用晶体管回路，而微细放电加工则使用RC回路，如（十二）图所示
图（十二）RC回路
利用微细工具可加工微细孔，甚至三次元雕刻加工等，如图（十三）所示
图（十三）微细电极加工后之微孔
目前仍以微细孔加工的应用最为广泛，如汽车引擎的喷嘴，化学纤维的纺口等。WEDG的发明可说是为微细加工开了一个新领域。
7 其它放电加工机
除了上述中几类型的放电加工机外，目前特殊用途如放电被覆工件表面硬化处理，放电与超音波结合的加工机，电解与放电技术结合等加工机亦逐渐出炉，目前正在研究阶段，未来极有可能实用化。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/14/2008) |
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