精密放电加工(Precision Electrical Discharge Machining)（下）

feiyunbin

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7所示：

0 M' ~- j( c  M: f图七 线放电加工原理
3 N' |( a6 e7 a# L. Q! j% ?$ K- l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。
) Q- [  }. M  H9 q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：
. M% u. d+ \% g+ m# o" _4 I6 V, G(1)断线问题
% E( ], ^9 t; I! j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
; b) t* ~: F/ E8 C: c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。
$ m% \, b7 s7 q8 I(4)高厚度的线切割加工
4 f8 G4 l( s4 {7 H/ X/ D2 g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
9 H1 e3 R- L, ?, c) q) C5 放电表面改质及非金属放电加工机
; p7 Z7 c- _* w7 z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8所示：

图8 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。
5 }& o1 M5 R# s6 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9所示
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图9 传统微细电极加工法
0 _  ?1 Z) Q$ [0 Z4 F4 S8 \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。
% Q0 I( z& P, k1 \6 V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10所示。
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. s+ R2 I. R; ]# S图10 WEDG 电极加工法
% ^! D" q( t/ t/ D0 l, A% |$ F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11所示

: F; M; B5 _1 ], Z5 ~% \  F图11 直径5μm电极
, c& E+ C0 L" K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12图所示
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图12 RC回路
. T: s! q7 \+ B" F/ u6 w, J利用微细工具可加工微细孔，甚至三次元雕刻加工等，如图13所示
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图13 微细电极加工后之微孔
$ O$ n+ V9 S2 X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。
: B# U( b" \' k* G+ \& v7 其它放电加工机
5 V  J5 ^: G6 |; ~1 ?4 X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。
, t1 n- e( f: e文章关键词： 电加