A review on current research trends in electrical discharge machining (EDM)
Abstract
Electrical discharge machining (EDM) is one of the earliest non-traditional machining processes. EDM process is based on thermoelectric energy between the work piece and an electrode. A pulse discharge occurs in a small gap between the work piece and the electrode and removes the unwanted material from the parent metal through melting and vaporising. The electrode and the work piece must have electrical conductivity in order to generate the spark. There are various types of products which can be produced using EDM such as dies and moulds. Parts of aerospace, automotive industry and surgical components can be finished by EDM. This paper reviews the research trends in EDM on ultrasonic vibration, dry EDM machining, EDM with powder additives, EDM in water and modeling
technique in predicting EDM performances.
Keywords: EDM; Ultrasonic vibration; Dry EDM; Powder additives; Dielectric; Modeling
1. Introduction
Electrical discharge machining (EDM) is a non-traditional concept of machining which has been widely used to produce dies and molds. It is also used for finishing parts for aerospace and automotive industry and surgical components [1]. This technique has been developed in the late 1940s [2] where the process is based on removing material from a part by means of a series of repeated electrical discharges between tool called the electrode and the work piece in the presence of a dielectric fluid [3]. The electrode is moved toward the work piece until the gap is small enough so that the impressed voltage is great enough to ionize the dielectric [4]. Short duration discharges are generated in a liquid dielectric gap, which separates tool and work piece. The material is removed with the erosive effect of the electrical discharges from tool and work piece [5]. EDM does not make direct contact between the electrode and the work piece where it can eliminate mechanical stresses, chatter and vibration problems during machining [1]. Materials of any hardness can be cut as long as the material can conduct electricity [6]. EDM techniques have developed in many areas. Trends on activities carried out by researchers depend on the interest of the researchers and the availability of the technology. In a book published in 1994, Rajurkar [7] has indicated some future trends activities in EDM: machining advanced materials, mirror surface finish using powder additives, ultrasonic-assisted EDM and control and automation. However, the review presented in this paper is on current EDM research trends carried out by researchers on machining techniques viz. ultrasonic vibration, dry EDM machining, EDM with powder additives and EDM in water and modeling techniques in predicting EDM performances. The areas are selected because of the novel techniques employed (ultrasonic vibration and powder additives), the environmental aspect (dry machining and EDM in water) and effort towards validating and predicting EDM performance (modeling technique). Each topic will present the activities carried out by the researchers and the development of the area that brings it to the current trends. Wire EDM is also discussed in each Topic.
2. Ultrasonic vibration
Introduction of ultrasonic vibration to the electrode is one of the methods used to expand the application of EDM and to improve the machining performance on difficult to machine materials. The study of the effects on ultrasonic vibration of the electrode on EDM has been undertaken since mid 1980s. The higher efficiency gained by the employment of ultrasonic vibration is mainly attributed to the improvement in dielectric circulation which facilitates the debris removal and the creation of a large pressure change between the electrode and the work piece, as an enhancement of molten metal ejection from the surface of the work piece [8]. Zhang et al. [9] proposed spark erosion with ultrasonic frequency using a DC power supply instead of the usual pulse power supply. The pulse discharge is produced by the relative motion between the tool and work piece simplifying the equipment and reducing its cost. They have indicated that it is easy to produce a combined technology which benefits from the virtues of ultrasonic machining and EDM.
2.1. Machining of microholes
In 1995 Zhixin et al. [10] has developed an ultrasonic vibration pulse electro-discharge machining (UVPEDM) technique to produce holes in engineering ceramics material. They have confirmed by experiment that this new technique is effective in obtaining a high material removal rate (MRR). Ogawa et al. [11] proved that the depth of microholes by EDM with ultrasonic vibration becomes as about two times as that without ultrasonic vibration and machining rate increased. Thoe et al. [12] dealt with combined ultrasonic and electrical discharge machining of ceramic coated nickel alloy. They found the following: when drilling 1mm diameter single hole using various tool materials (tungsten, silver steel, mild steel and copper) with boron carbide abrasive slurry on ceramic coated nickel alloy work piece, mild steel is found to be the most resilient whereas the other materials fail as a result of fatigue fracture or deformation. Using ultrasonic vibration during EDM greatly increased the MRR of the work piece. Wansheng et al. [13] introduces ultrasonic vibration into micro-EDM: Ti–6Al–4V as work piece material with 32mm thickness, carbide YG6X electrode, 20 kHz ultrasonic vibration and 2 mm amplitude; holes with diameter of 0.2mm and depth/diameter ratio of more then 15 can be drilled.
Yan et al. [14] adopted a machining method that combined micro electrical discharge machining (MEDM) and micro ultrasonic vibration machining (MUSM). They showed that the diameter variation between the entrance and exit (DVEE) could reach a value of about 2 mm in mic
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摘要
电火花加工（EDM）是最早的非传统的加工工艺。电火花加工过程基于工件和电极之间的热电能量。当工件和电极之间的间隙比较小时，产生脉冲放电，将母材金属上不需要的材料通过熔化和汽化的方式去除。为了产生电火花，电极和工件必须有一定的电导率。电火花加工可以生产各种不同类型的产品，如模件及模具。部分的航空航天，汽车工业和外科组件可通过电火花加工来完成。本文综述了电火花加工在超声振动、干式电火花加工、电火花加工粉末添加剂、水中电火花加工和建模技术在电火花加工性能的预测技术的研究趋势。
关键词：电火花加工、超声波振动、干式电火花加工、粉末添加剂、介质、建模
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引言
非传统概念上的电火花加工，已广泛地应用于模具生产。它也可以用于加工航空航天和汽车工业以及外科手术的组件。这种技术发展于四十年代后期，这个过程基于利用一系列的在电极和有电介质的工件之间放电加工从部件上去除材料。 电极向工件方向移动直到间隙足够小 ，这时外施电压足够大能够电离介质。在液体介质中可以发生短时间放电，这种放电可以分离工具和工件。这种材料去除方法是利用电极和工件之间的腐蚀效应。电火花放电加工不需要电极和工件直接接触，它可以在加工过程中消除机械应力，噪声和振动等问题。只要工件可以导电，任何硬度的材料都可以被切割。电火花加工技术已经在多个领域得到发展。 电火花加工技术的发展趋势可以随着开发者的兴趣爱好和技术的可用性发展。Rajurkar指出电火花加工技术的未来发展活动：先进材料加工、利用粉末添加剂对工件表面做镜面处理、超声波辅助电火花加工和可控化自动化。
然而，这篇文章所述的是基于最新的由研究超声波振动加工技术、干式电火花加工技术、电火花加工与粉末添加和预测的电火花加工在水中与建模技术的研究者们的电火花加工技术研究趋势而写。这些领域成为最新研究趋势源于最新技术（超声波振动和粉添加剂），环境方面（干式加工和在水中电火花加工）和预测和验证电火花加工性能的尝试（建模技术）。每个主题将出现在研究者们所开展的活动中，以及这些活动给目前趋势所带去的发展。
电火花线切割加工中也在各主题讨论之列。
二、超声波振动
将超声波振动引入电极是一种用来扩大电火花放电加工的应用和改善难加工材料的加工性能的方法。 对将超声波振动电极引入电火花加工所产生的影响的研究早在20世纪八十年代中期已经开始。 超声波振动工能够提高加工的效率，在很大程度上促进了介质循环，介质循环有利于清除残损物，促进在电极和加工面之间产生很大的应力变化，这个有利于促进熔融金属从加工件表面喷出。 张教授提议电火花蚀刻用直流电供电超声波频率取代通常所用的脉冲供电形式。 脉冲释放是通过工具和工件的相对运动实现的，这种方法简化了设备降低了成本。他们表示这很容易去创造一个组合技术，这个技术会得益于超声波加工和电火花加工的优点。
2.1 微孔加工
1995年，志新开发了一个超声波振动脉冲放电加工（UVPEDM）技术在陶瓷这样的脆性材料上加工孔。他们已经通过实验证实，这项新技术是一项有效的获得较高的材料去除率的的方法。Ogawa证明了用超声波电火花加工微孔的深度是不用超声波加工的深度的两倍，而且工件加工率下降。 Thoe结合超声波处理和电火花加工陶瓷涂覆镍合金 他们发现：当加工直径为1毫米的单孔时，用各种工具材料（钨、银钢、低碳钢、铜）与碳化硼陶瓷涂在镍合金工件研磨，低碳钢是最具有弹性的，然而其他材料易于产生疲劳断裂和变形。在电火花加工过程中采用超声波加工大大增加了工件的材料去除率。将超声波振动引入微电火花加工，Ti-6AL-4V作为工件材料与32毫米厚的硬质合金焊接，20kHz的超声波振动频率，2毫米振幅；孔的直径为0.2毫米而且宽径比至少为15的孔才可以加工。Yan采用了一种加工方法,结合微电火花加工(MEDM)和微型超声振动加工(MUSM) 他们发现在加工一个直径为150毫米深度为500毫米的孔时，出口和入口这叫爱您的直径变化能达到一个为2毫米的值。他们获得微孔圆直径约为2毫米（最大半径减去最小半径）。研究超声波振动对镍钛合金装配微孔电火花加工性能的影响 ，由黄实行。装配镍钛合金微孔使加工效率超过60次没有显著增加电极磨损。 Yeo等人研究了微孔加工的功能和电流的局限性。基于流态化理论和超声波切削，一种方法被引进，微细电火花加工（MEDM）过程被概念化并且得到了发展。
2.2振动、旋转和振动的旋转
Ghoreishi and Atkinson比较了高频率和低频率的影响迫使电极轴向振动，旋转的电极和组合方法MRR，刀具磨损率（TWR）和表面质量（SQ）电火花颏模，发现振动的旋转增加了35%的电极和组合方法，和振动电火花加工的增加了100%相比旋转电火花加工是半精密加工。
2.3 理论模型和模糊逻辑
自适应模糊控制系统的伺服机构超声波放电加工，由张教授研究出来，并及时调整放电脉冲参数和加工间隙优化加工状态，提高加工效率。
2.4 工件振动
Egashira和Masuzawa开发了微型超声波加工的新方法。工件在加工过程中产生振动，而且成功地在石英和硅上加工直径小至5毫米的小孔。 在加工范围内，较高的工具损耗是一个大问题。为了解决这个问题，一种烧结的金刚石工具被测试，并且证实是有效的。高教授和刘教授发现在加工0.5毫米厚的不锈钢电极是直径为45毫米的钨时，超声波微电火花加工的效率比微电火花加工高八倍。Prihandana等人已经开始研究振实工件，表明了振动被引入工件加工冲洗效果增加。他们发现高振幅和高频率能够提高材料去除率【MRR】。
2.5 工具磨损
余教授等人在研究在3D微超声波加工中的工具磨损 。他们发现工具的形状未发生变化，工具磨损由均匀磨损方法补偿，这种方法专为微电火花加工开发的，其与CAD/CAM的集成微超声波振动过程生成精确的三维(3D)微腔。
2.6 超声波振动在气体中的加工
张教授等人研究在气体中的电火花超声波加工。使气体通过内部的薄壁管电极。结果表明，材料去除率随着开口电压的增加、电子脉冲持续的时间、超声波振动的振幅、放电电流和电极管厚度的的减小而提高，同时表面粗糙度的增加随着开启电压的增加、脉冲持续放电的电流的增加而提高。张教授等人开发了一个理论模型 来估计加工表面的粗糙度。 在做这个理论模型之前，张教授等人发现热氧化生成的熔化和蒸发钢能够提高加工效率，工件的表面粗糙度也和气体媒介有关。对于空气和氧气媒介，对应的表面粗糙度测量值为0.032毫米和0.046毫米。
2.7 电火花加工线切割
郭教授等人利用超声波振动研究电火花线切割的加工机制，并且发现电火花线切割与超声波振动加工技术相结合提高了能量的利用率，促进了切割率的提高，提高了表面粗糙度线的高频振动,改善了排放浓度，降低了断裂线的可能性。郭教授等人认为超声辅助电火花线切割机床的切削效率可提高30%，加工表面粗糙度降低1.7Ra 到1.95Ra。
2.8 附注
超声波振动的电火花加工适用于生产的深小孔加工产品。在气体加工或电介质加工中，铜是最经常被选择的工具电极。这也许是由于材料在电火花环境下仍能保持稳定的特性。在实验中使用的超声波频率范围在17-25kHz之间。由于刚性材料被广泛应用于工业中，所以大多数实验是基于这些材料在实验中表现的性能评价。然而，更硬的材料，比如氧化铝、陶瓷也是可以进行性能评价的。
图1显示了从1995年到2006年超声波振动和电火花相结合的方法研究进展。该方法始于1999年振动电极的振动工件，并且从2003年获得人气，一直持续到2006年。
- 干式加工
在干式电火花加工中，工具电极被做成薄壁管。高压气体或空气通过这个薄壁管供应。气体的作用是从间隙去除碎屑和冷却电极间间隙。图2示出干式电火花加工原理。该技术的开发是为了减少液体介质在加工过程中产生蒸汽的污染和管理成本浪费。
余教授等人研究这种技术的能力在加工硬质合金材料中相比铣削第三。最低电极损耗比干式电火花铣削加工（见图6）。
下面的部分在干式电火花加工基于下面主题的进展：MRR和刀具的磨损，极性和表面粗糙度和改进技术。
3.1 MRR和刀具磨损
在1991年，Kunieda等人揭示了一个通过提供氧气到间隙提高加工效率的新方法。他们发现，切削率增加是由于排出坑和放电频繁发生更扩大的体积。然后在1997 Kunieda等人发现了一个三维形状可以非常精确地使用一种特殊的数控加工刀具路径在工作间隙提供一个统一的高速空气流，MRR随着空气中的氧浓度增加而提高。
由Yoshida和Kunieda研究了微小工具电极损耗在干式电火花加工机制。由于附着熔融工件材料工具电极表面的抗磨损保护，工具电极的损耗几乎可以忽略不计任何脉冲持续时间。从工具电极的表面的横截面观察，发现在连续脉冲放电初期，电极击穿的只有2毫米深度，由于工具电极的初始表面没有钢覆盖层。
展博等人采用干式电火花加工方法研究了三维曲面加工时切割深度和气体压力的影响，脉冲持续时间和脉冲间隔和工具电极的旋转速度。结果表明，最佳组合之间的切削深度和气体压力时，脉冲宽度25毫米是导致最大的MRR和刀具磨损最小。随着转速的增加刀具的磨损也适度增加。
3.2 极性和表面粗糙度
一篇由李博士等人编写的题为“论气中放电加工”的文章，推荐采用干式电火花加工极性，因为电极在碰撞和电离中扮演主要角色，以保证加工过程稳定在火花放电状态，一定的气体压力加强干式电火花加工去离子和保持间隙放电点分散是必要的。
张教授等人开发了一个理论模型来估计工件表面粗糙度。采用AISI 1045钢工件材料和铜作为电极的实验表明，成品表面粗糙度随放电电压、放电电流和脉冲持续时间的增加而增加。Curodeau等人提出了一种新的电火花加工工艺，所涉及的热塑性复合电极和空气作为介质的使用，以执行自动工具钢腔抛光。该方法可以减少36m-44mm Ra的表面光洁度。
3.3 技术改进
3.3.1. 干式超声波振动电火花（UEDM）
张教授等人发起了一个新的方法，超声波振动电火花加工（UEDM）气。实验结果表明，在开路电压、脉冲持续时间增加，超声振动振幅和管壁厚度下降可以使MRR增加。他还发现，氧气可产生比空气大的MRR。然后对超声振动提高MRR进行理论介绍。在进一步调查后，张教授等发现MRR具有和超声电火花加工在空气中加工的相同的表面粗糙度，是在空气中电火花加工的两倍，但低于常规电火花一样。
3.3.2 干式电火花铣削
干式电火花加工技术是Kunieda等人在介绍高速3D干式电火花铣削时改进的。由于热激活的化学反应，在工作表面上的放电功率密度超过一定的阈值时，MRR增加，得到的最大去除率几乎等于淬火钢铣床铣。大多数研究人员在研究干式电火花加工时的表现时都用钢工件作为材料。
3.3.3 使用电压致动器
Kunieda等人介绍了干式电火花加工的特点，利用压电致动器来控制间隙长度的改进。阐明压电致动器的电火花加工性能模拟器的效果来评估这种加工的稳定性和MRR的干式电火花加工。
3.4 电火花线切割加工
Furudate和Kunieda 对干式电火花线切割进行了研究。该工艺反应力小得可以忽略不计，电极丝的振动是微小的，在干式电火花线切割间隙比传统电火花线切割使用介质液使干燥加工实现高精度的精加工窄。不腐蚀工件提供了一个优势，在制造高精度模具干式电火花线切割。王教授和Kunieda 认为，电火花线切割机床适用于精加工对提高加工表面的直线度。旅行工具电极可以消除碎片从工作间隙甚至在大气和利用这一过程完成切断沿厚度方向的直线度，工作是获得优于水加工。
Kunieda和Furudate发现干式电火花线切割存在一些缺点，包括相对传统电火花线切割加工较低的MRR、产生在表面研究中的干式电火花加工切割精度高。这些缺点可以通过增加绕线速度并且降低了实际切削深度来解决。
3.5 附注
据我们所知，最早的提及这种技术的文章发表于1991年。然而，题为“气中放电加工”，于1997年在CIRP通志发表并被引用18次。日本和中国的研究人员为这方面的进展研究做出了主要贡献。Kunieda的干式电火花加工的特点是：
（1）工具电极损耗可以忽略不计的任何脉冲持续时间。
（2）处理的反应力很小，在普通电火花加工。
（3）有可能改变根据不同的应用提供气体。
（4）由于熔融再凝固层薄残余应力小。
（5）工作间隙比普通电火花加工窄。
（6）只要有一个气体流量该过程可以在真空条件下发生。
（7）机器的结构可以制造的很紧凑，因为没有工作流域、液罐和液体循环系统的需要。
该技术的发展，提高了对MRR的关注，因为MRR低于常规加工
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