微細電火花加工技術(shù)綜述

馬富東 李文龍

摘 要：文章通過研究微細電火花加工技術(shù)的研究進展，統(tǒng)計分析微細電火花加工技術(shù)的專利申請現(xiàn)狀，并以清華大學(xué)關(guān)于微細電火花加工技術(shù)的實際申請案例為基礎(chǔ)，從線電極電火花磨削技術(shù)、微三維結(jié)構(gòu)的微細電火花加工技術(shù)、微細電火花加工電極驅(qū)動技術(shù)三個方向梳理我國微細電火花加工技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，以幫助審查員初步了解行業(yè)動態(tài)，對于提高審查效率，明確審查思路有一定的作用。

關(guān)鍵詞：微細電火花;蠕動式進給;進給彎曲

中圖分類號：TH16;TG661文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）07-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.003

1 微細電火花加工技術(shù)的研究進展

微細電火花加工技術(shù)的研究起步于20世紀60年代末。荷蘭Philips研究所的Dsenbrug gen等人用微細電火花加工技術(shù)成功加工出了直徑為30μm，精度為0.5μm的微孔。但由于當時條件下尚無法解決微細電極的在線制作問題，使得其加工效率偏低，加工精度一致性較差，這一成果并未引起人們足夠的重視。20世紀80年代末，隨著MEMS技術(shù)的蓬勃興起及其在應(yīng)用過程中所出現(xiàn)的一系列問題，以及這一時期現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是線電極電火花磨削（wire elec-tric discharge grinding，WEDG）技術(shù)的逐步成熟與應(yīng)用，成功解決了微細電極在線制作這一瓶頸問題，使得微細電火花加工技術(shù)進入了實用化階段，并成為微細加工領(lǐng)域的熱點研究內(nèi)容之一[1]。

1.1 線電極電火花磨削技術(shù)

1984年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所增澤隆久等人在電火花反拷加工的基礎(chǔ)上，利用線狀電極替代反拷模塊，成功研制了線電極電火花磨削（WEDG）技術(shù)[2-3]。WEDG已成為微細高精度電極在線制作的有效手段，可以說，目前的微細電火花加工與WEDG密不可分。利用WEDG，日本東京大學(xué)增澤隆久等人已可加工出直徑為2.5μm的微細軸和直徑為5μm的微細孔，代表了當前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。

1.2 微三維結(jié)構(gòu)的微細電火花加工技術(shù)

在這一研究領(lǐng)域，日本學(xué)者作出了突出貢獻。1997年7月，日本東京大學(xué)增澤隆久、余祖元等人利用簡單形狀的微細電極，制作出了長0.5mm、寬0.2mm、深0.2mm的微型汽車模具并用此制作出了微型汽車模型。1997年，日本松下公司制作出了分度圓直徑為300μm、齒高50μm的微型齒輪及5μm寬、150μm長的微槽。1999年，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)谷村尚等利用微細電火花加工技術(shù)加工出了直徑為150μm、尖端部，半徑為2.5μm的掃描探針，并用其完成了三維表面的輪廓測量。

1.3 微細電火花加工電極驅(qū)動技術(shù)

由于在電火花加工中，工具電極與工件之間沒有宏觀作用力，這使得采用電極直接驅(qū)動裝置實現(xiàn)電火花加工裝置的微型化成為可能。并且這種微型裝置可以安裝在機器人手臂上，從而實現(xiàn)在特殊空間上的加工。蠕動式微小型電火花加工機構(gòu)主要由兩個壓電陶瓷箝位器（其中一個軸向固定）、一個壓電陶瓷驅(qū)動器以及電極絲等組成。為保證電極運動的平穩(wěn)性，在兩個箝位器與電極之間裝有導(dǎo)向機構(gòu)。通過控制箝位器和驅(qū)動器的動作時序和初始狀態(tài)，即可實現(xiàn)電極的微量進給與回退。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用這種原理制作的微型電火花加工裝置，已可在1mm厚的鋼板上加工出直徑為0.3mm的孔。

2 清華大學(xué)關(guān)于微細電火花加工技術(shù)的專利布局梳理

2000年～2020年，清華大學(xué)關(guān)于微細電火花技術(shù)的專利申請量在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，其涉及的技術(shù)主要為線電極電火花磨削技術(shù)、微三維結(jié)構(gòu)的微細電火花加工技術(shù)以及蠕動式電火花加工電極驅(qū)動裝置的相關(guān)技術(shù)。

2.1 線電極電火花磨削技術(shù)專利申請

線電極電火花磨削又稱為WEDG，其目前是微細高精度電極在線制作的有效手段。針對該項技術(shù)，清華大學(xué)首先于2012年3月6日申請了名稱為“正交點電接觸標準棒的微細電極直徑在線測量方法”的發(fā)明專利，可以提高微細電極徑向尺寸的在線測量精度。本申請作為WEDG技術(shù)的基礎(chǔ)，為后續(xù)有關(guān)線電極電火花磨削技術(shù)的專利申請?zhí)峁┝酥巍?/p>

基于WEDG技術(shù)，清華大學(xué)于2013年10月18日申請了名稱為“高壓共軌柴油發(fā)動機噴油器微小球座面精密電磨削工藝”（公開號：CN103600146A）的發(fā)明專利，其在原有WEDG技術(shù)的基礎(chǔ)上進行擴展應(yīng)用，將相關(guān)磨削技術(shù)應(yīng)用于工件加工，其采用了基于微細電火花加工的微細電磨削方法。

銜接CN103600146A，完善相關(guān)技術(shù)布局，清華大學(xué)于2015年4月21日申請了名稱為“微小圓弧形薄片上微凹槽線放電磨削加工工藝及導(dǎo)向片”的發(fā)明專利，其將微細電磨削方法實施具體應(yīng)用，采用思路一致的加工步驟將加工方法具體化，增加了相關(guān)WEDG技術(shù)的具體應(yīng)用。

2.2 微三維結(jié)構(gòu)的微細電火花加工技術(shù)專利申請

2009年10月15日，清華大學(xué)申請了名稱為“三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝”的發(fā)明專利，其針對工藝面向毫米級尺寸以內(nèi)的微三維型腔加工，采用伺服控制放電間隙實現(xiàn)電極軸向損耗實時在線補償，完成高表面精度和高尺寸精度的成型加工。

同年，針對三維微細電火花技術(shù)的具體應(yīng)用，清華大學(xué)于2009年10月20日申請了名稱為“微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合銑削加工方法”的發(fā)明專利，借助分層銑削原理，采用簡單電極進行微細電火花銑削和微細電解銑削的組合加工方式，可加工多種金屬合金材料和復(fù)雜的型腔型面。

2.3 微細電火花加工電極驅(qū)動技術(shù)專利申請

技術(shù)研究初期，清華大學(xué)于2000年4月14日申請了名稱為“精密微細孔電火花加工裝置”（公開號：CN1266764A）的發(fā)明專利，其公開了一種由進給機構(gòu)、運動聯(lián)接件、進絲復(fù)合機構(gòu)和高能脈沖放電電源組成的精密微細孔電火花加工裝置。該專利申請為電極絲進給裝置的初始研究成果，公開了主體的研究思路，保護了相關(guān)技術(shù)方案。

2008年5月22日，清華大學(xué)申請了名稱為“微細倒錐孔電火花加工電極運動導(dǎo)向機構(gòu)”（公開號：CN101318244A）的發(fā)明專利，通過調(diào)整墊片的厚度，可以調(diào)節(jié)倒錐孔錐度的大小。該專利申請延續(xù)CN101318244A的研究思路，且在其基礎(chǔ)上進行改進，解決了電極削邊的相關(guān)技術(shù)問題。

2008年5月19日，清華大學(xué)申請了名稱為“微細電火花加工用微細電極絲進給導(dǎo)向機構(gòu)”的發(fā)明專利，其相關(guān)改進點為：在微細電極絲精密導(dǎo)向模塊中采用精密V型導(dǎo)向槽，解決了微細電火花加工微細電極絲的精密導(dǎo)向問題。該申請與CN101318244A專利申請同為CN1266764A研究思路的延續(xù)，在其基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改進，解決實際加工過程的具體問題，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，完善專利布局。

基于CN101318244A的研究，其解決了電極削邊的相關(guān)技術(shù)問題，但是實際生產(chǎn)中在電極絲與直角導(dǎo)向槽之間產(chǎn)生相對周向滑動的過程中，作用于電極絲上的摩擦力容易出現(xiàn)電極絲“擰斷”的現(xiàn)象，針對該問題，清華大學(xué)于2010年12月10日申請了名稱為“用于微細倒錐孔電火花加工的錐角推擺機構(gòu)”的發(fā)明專利。

伴隨蠕動式進給機構(gòu)技術(shù)的成熟，其已經(jīng)可以避免微細電極進給彎曲問題的出現(xiàn)，但對于航空發(fā)動機和燃氣輪機特殊高溫材料、單個葉片上大量氣膜冷卻孔的加工，為實現(xiàn)高效率、高尺寸精度、一次裝夾加工出群孔，還要求將電極中空高壓沖液、高精度旋轉(zhuǎn)、自動更換電極功能與蠕動進給功能相復(fù)合的多功能主軸機構(gòu)。針對上述問題，清華大學(xué)于2014年1月17日申請了名稱為“一種用于深小孔電火花加工的多功能主軸機構(gòu)”的發(fā)明專利，這種對稱結(jié)構(gòu)有利于傳遞動力和輸出動力控制，并無需主軸旋轉(zhuǎn)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，清華大學(xué)申請了有關(guān)電極絲蠕動進給技術(shù)的新技術(shù)專利——“適于線放電磨削的微細電火花加工用旋轉(zhuǎn)進給主軸頭機構(gòu)”，該專利將“電極驅(qū)動技術(shù)”與“線電極電火花磨削技術(shù)”進行綜合研究，代表了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，以及清華大學(xué)對于新技術(shù)研究下的專利布局構(gòu)思。

3 審查實踐應(yīng)用

通過對上述技術(shù)發(fā)展的梳理，以及對于清華大學(xué)專利布局的分析，可以對審查員了解該微細電火花加工技術(shù)起到一定的輔助作用。下面以實際案例為基礎(chǔ)，簡單介紹上述分析對于審查該領(lǐng)域?qū)＠暾埖臏\顯作用，希望對于審查有些許益處。

申請?zhí)枺?01510658434.5;

發(fā)明名稱：一種角度澆口治具。

初步印象：本申請的技術(shù)方案屬于微細電火花加工領(lǐng)域的低端技術(shù)，屬于上述三大系統(tǒng)中的微細電火花加工電極驅(qū)動技術(shù)范疇，但裝置極為簡單，不涉及電極旋轉(zhuǎn)、微進給、在線換絲技術(shù)，只是簡單的電極夾持后擺動裝置，屬于上述2000年～2010年的早期技術(shù)，可以迅速判斷采用IPC分類號進行檢索，且主要范圍為：IPC B23H1/00、B23H11/00、B23H7/26;關(guān)鍵詞選定為：電極、夾持、角度、斜孔。

檢索結(jié)果：得到X類文件CN 201231365Y;申請日：2008年4月21日。與上述印象結(jié)果以及綜述分析相符合。

綜上，通過上述有關(guān)微細電火花加工領(lǐng)域的技術(shù)綜述，可以幫助審查員初步了解行業(yè)動態(tài)，對于提高審查效率，明確審查思路有一定的作用。

參考文獻

[1] 佟浩.微細電火花加工主軸伺服控制系統(tǒng)及三維加工技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 張龍，佟浩，李勇，等.微細電火花加工軸和孔尺寸一致性工藝研究[C].第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集，2013：340-345.

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