通过被动将电极跳动转换为轴向振动实现增强排屑的耦合旋转-振动微电火花加工

《Journal of Manufacturing Processes》：Coupled rotation-vibration micro-EDM enabled by passive conversion of electrode runout into axial vibration with improved debris removal

　　

- 提出了一种用于微电火花加工（micro-EDM）的被动径向跳动-振动转换方法。
- 制造了一种集旋转、进给与振动于一体的紧凑型主轴。
- 仿真表明，旋转-振动运动产生压力波以去除碎屑。
- 实验实现了比对照组深109%的沟槽、更精细的表面以及深宽比为100的孔加工。

引言

微电火花加工（micro-EDM）经过多个研发阶段的发展，主要受以下领域应用的驱动：钟表工业、燃油喷射喷嘴、难切削材料上的微孔和微通道、专用微工具、微模具和冲模、医疗领域的微针和微工具以及其他小众应用。这得益于对放电能量和放电时间的精确控制以及高精度运动平台技术的实现。微电火花加工的主要优势在于其非接触式材料去除方式以及对工件机械性能的独立性[1]。从制造技术更宏观的演进角度来看，Fang识别出了制造技术进步的三个范式[2]：制造I（基于工艺的）、制造II（基于经典力学的）和制造III（量子主导的），其中原子和近原子尺度制造（ACSM）代表了新范式的根本性变革技术[3]。在这一框架下，微电火花加工作为制造II的典型代表，通过精密控制放电能量和工具尺寸，将经典制造的极限推向原子尺度，发挥着关键的桥梁作用。然而，随着特征尺寸持续缩小至亚百微米量级，微工具电极在机器的制备和连续供应仍然是制约微电火花加工过程连续性、稳定性和精度的关键瓶颈[4]。

在微电火花加工中，直径小于100 μm的工具电极通常通过线电火花磨削（WEDG）在机床上加工，以避免手动重新装夹工具电极到主轴时产生的定位和同轴度误差，这对手主轴头部的旋转精度提出了严格要求[5]。WEDG方法最初由Philips公司和Masuzawa等人提出，用于在线电极加工[6]，此后大量研究工作致力于控制WEDG过程中电极的尺寸精度[7],[8]。例如，切向进给WEDG通过沿导线导轮圆弧切向进给工具电极，显著提高了电极直径的去除分辨率和在机加工精度[9]。然而，连续微电火花加工过程中伴随着工具电极的持续磨损，若无有效补偿，可用电极长度迅速缩短，从而影响加工连续性[10]。为解决这一问题，此前开发了一种兼具旋转和步进进给功能的主轴头[11]。通过协调常闭和常开夹紧机构，并利用两个夹钳之间的相对进给，该主轴可对相对较细的电极（Φ0.1–0.2 mm）进行累计磨损补偿，补偿长度可达300–400 mm。此外，该主轴还支持在线WEDG修整和电极多次复用。然而，在该主轴设计中，旋转运动通过中空电机联轴器和同步带传动系统传递，导致机械结构较为复杂，且难以实现高速和高精度旋转。微工具电极的旋转精度强烈依赖于主轴部件的制造和装配精度。当电极通过WEDG修整至直径低于30 μm时，径向跳动必须控制在仅几微米以内以确保尺寸一致性，这给主轴的制造和装配带来了巨大挑战。

为提高旋转精度，研究人员提出了各种跳动补偿策略。Ueyama等人[12]开发了一种五自由度磁悬浮执行器，将加工孔径从745 μm减小至668 μm。Kim等人[13]通过在主驱端集成电磁执行器并采用重复控制结合自适应前馈补偿，在6000–12000 rpm的主驱转速下实现了约70%的跳动减少。商用微电火花加工设备采用陶瓷导向器来约束跳动，尤其是在高深宽比钻孔过程中。然而，这些补偿方法需要额外的复杂执行器和精密控制系统，从而进一步增加了主轴的结构复杂度。另一方面，有效清除电极间隙中的放电碎屑是提高加工精度和效率的另一关键因素。先前研究表明，增加有效放电率可使高频火花放电持续产生高压气泡，从而促进介电液的循环和更新[14],[15]。对电极施加振动可进一步增强碎屑排出效率，但这需要在主轴系统中集成额外的振动驱动机构[16]，例如压电执行器，这使主轴设计更加复杂。

为解决上述挑战，本文提出了一种将电极径向跳动误差转换为轴向振动的创新方法。该方法利用了微工具电极的柔特性，并结合专门设计的导向结构。具体而言，上夹钳夹持电极进行旋转，存在固有的径向跳动误差；下夹钳采用柔性夹持结构，仅允许电极径向运动而不施加刚性径向夹持力。因此，上夹钳处产生的径向跳动在下夹钳以下被根本性地消除，并转化为电极尖端的轴向振动。该策略无需额外的振动源即可提高旋转精度。此外，本文建立了数学模型，通过调整跳变量、夹钳间距和主轴转速来定量控制振动幅值和频率，从而在简化结构的同时实现性能提升。

为深入阐明耦合旋转-振动条件下碎屑的去除机理，本研究从多相流的角度对电极间隙流进行了数值研究。电极间隙流场的数值仿真已成为研究电极运动对碎屑排出影响不可或缺的工具[16],[17],[18]。微电火花加工间隙中的气泡动力学和碎屑传输直接决定了加工效率和表面质量。随着加工深度的增加，如果蚀除颗粒和气泡不能及时排出，可能发生二次放电甚至短路[19]。在仿真方法方面，此前已建立了微孔电火花加工间隙的气-液-固三相耦合流模型[20]。通过将流体体积（VOF）模型与离散相模型（DPM）结合在FLUENT?中使用，可对底部间隙中碎屑颗粒和气泡的随机生成和传输进行数值模拟。VOF模型追踪不混溶流体之间的界面，能够以高界面捕捉精度准确模拟气泡的形成、生长、崩溃以及气-液相互作用，但计算效率相对较低。为提高计算效率并扩展可实现的深度-直径比，本研究引入了混合模型。在该方法中，多相系统被视为由各相的体积分数描述的伪单相连续体，同时考虑相间滑移速度和拖曳效应。由于避免了显式界面追踪，计算效率显著提高，使该模型特别适合模拟高深宽比微孔加工间隙中的复杂多相流。

关于辅助碎屑去除过程，大量研究已证明电极旋转、振动及其耦合效应可以显著提高碎屑排出效率[21],[22]。电极旋转通过离心力促进介电液流动，从而改善间隙内的放电条件[23]。关于旋转辅助碎屑去除机理，有报道指出旋转电极侧壁附近的流速高于孔壁附近，由此产生的径向速度梯度和离心加速度将气泡从间隙中向外驱动，加剧气泡碰撞和合并过程[24]。在振动辅助加工方面，超声振动辅助电火花加工研究表明，对工具电极、工件或介电液施加超声振动可以有效提高材料去除率、改善表面质量并减少电极磨损[25],[26],[27]。对于超声振动辅助微孔钻削，此前建立了具有纵扭超声振动（LTV）的电极间隙流模型，并比较了旋转、纵向超声振动（LUV）和LTV三种模式的碎屑排出性能[28]。结果表明，在4 μm的最佳超声振幅下，LUV电极实现了0.014°的微孔锥度，而LTV电极达到了5.14×10? μm3/s的材料去除率，几乎是纯旋转模式的1.5倍。此外，微电火花加工间隙流中低频振动与旋转运动耦合的仿真和实验均表明，适当调整振动频率和旋转速度可以大幅提高碎屑排出能力，从而提高加工效率[29]。然而，大多数现有的振动辅助方法需要压电执行器或超声波换能器等额外驱动部件，使系统结构更加复杂和昂贵，而在高速主轴转速下精确控制耦合振动和旋转仍然具有挑战性。目前，文献中仍缺乏一种能够通过主轴自身结构实现旋转-振动耦合的简单高效方案，以及对其相应碎屑去除机理的深入研究。

针对这些局限性，本研究提出了一种根本不同的方法：不是抑制径向跳动或添加外部振动源，而是利用微工具电极的柔性和专门设计的双夹钳导向结构，将旋转电极固有的跳动误差被动地转化为受控的轴向振动。建立了定量模型，将所得振动幅值和频率与跳变量、夹钳间距和主轴转速联系起来。基于这一原理，设计并制造了一种集成旋转、步进进给和跳动-振动转换的紧凑型主轴。采用混合模型结合动态网格技术进行多相流仿真，以揭示耦合旋转-振动运动下的碎屑去除机理。在三种电极运动条件下——仅旋转、旋转加小振幅振动和旋转加大振幅振动——进行了系统的微孔钻削和三维微沟槽扫描实验，以严格评估所提方法的可行性和有效性。

**章节摘要**

**跳动-振动转换建模**

图1展示了将工具电极尖端的径向跳动转换为轴向振动的机理。上夹钳夹持电极并以径向跳动误差rR旋转。下夹钳固定，采用柔性夹持结构，仅通过提供导向空间而不施加任何刚性径向夹持力，使电极在旋转过程中不存在径向跳动。设s为上、下夹钳之间的距离，d为偏移量。

**电极间隙流仿真与分析**

为阐明所设计主轴产生的耦合旋转-振动运动如何促进碎屑去除，本节从多相流的角度对微电火花加工中的电极间隙流进行了数值研究。如前所述，当加工深度增加时，未能及时排出的蚀除颗粒和气泡会导致二次放电甚至短路，从而严重降低加工效率和表面质量。因此，一……

**实验系统与电极制备**

实验在配备了所开发主轴（图12）、切向WEDG单元和RC/Tr-RC脉冲发生器的微电火花加工系统上进行。主轴提供三种运动条件：仅旋转、旋转加小振幅振动和旋转加大振幅振动。将一根实心硬质合金丝（Φ150 μm）在机床上修整至Φ100 μm，然后通过两侧径向进给加工成刃口电极（图13）以增强冲洗效果。工件……

**讨论**

为定位所提方法在现有技术中的位置，表2总结了近年来发表的、专门针对高深宽比微孔钻削或深微沟槽加工的典型微电火花加工研究。比较内容涵盖加工策略、辅助驱动需求、电极/孔径、实现的深度、深宽比（AR）以及关键性能指标。大多数现有的振动辅助方法依赖于额外的执行器，通常……

**结论**

本工作提出了一种微电火花加工的主轴设计策略，通过柔性夹持结构将固有的径向跳动被动转换为有用的轴向振动，从而在无需额外执行器的情况下同时抑制工具尖端的径向误差并增强碎屑排出。主要结论如下：

(1) 设计并制造了一种集成旋转、步进进给和跳动-振动转换的原型主轴。V型块柔性夹持单元……

CRediT作者贡献声明

曹佩尧：撰写 – 初稿、可视化、验证、方法论、调查。
李勇：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源。
姚泽全：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 初稿、调查、概念化。

Dominiek Reynaerts：撰写—审阅与编辑。Krishna Kumar Saxena：撰写—审阅与编辑。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文报道工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究由博士后基金计划和全国博士后科学基金（编号：BX20250422）、宁波甬江人才工程项目（编号：2025A-411-G）、浙江省科技计划项目（编号：2025C01223）、宁波市科技计划项目（编号：2024DJRC010006）以及列日大学BOF CELSA项目（编号：CELSA/24/015）资助。Peiyao Cao|Yong Li|Zequan Yao|Dominiek Reynaerts|Krishna Kumar Saxena