特種加工技術(shù)在微小孔加工中的應(yīng)用

楊彥濤，李自鵬，黃志偉

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

孔加工是機械加工中占比例較大的一種重要加工工序。 據(jù)統(tǒng)計，孔加工約占機械加工總量的1/3。 在孔加工中，尤其以小孔、深孔的加工最為困難。 對小孔、微孔、深孔，目前尚無確切的定義，在不同場合下有不同的理解。 一般認(rèn)為，小孔的直徑范圍為0.l～3 mm，微孔為小于0.1 mm 的孔，深孔為孔的深度與直徑之比（深徑比）大于10 的孔。 近年來，隨著材料向著高強度、高硬度的方向發(fā)展，經(jīng)常需要在一些高硬度、高強度的難加工材料(如模具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷材料和聚晶金剛石等)上進行小孔、深孔加工。 這些小孔用傳統(tǒng)加工方法加工，效率很低，或者根本無法加工。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對難加工材料上的小孔加工技術(shù)提出了迫切的需求。

目前，國內(nèi)外對于難加工材料上的小孔加工主要采用特種加工的方法。 特種加工是20 世紀(jì)40 年代以后發(fā)展起來的新技術(shù)， 它是直接借助電能、熱能、聲能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能及特殊機械能等多種能量，或使其復(fù)合，以實現(xiàn)材料切除的加工方法。特種加工與傳統(tǒng)切削、磨削加工的本質(zhì)區(qū)別在于應(yīng)用加工的能量形式不同。 與常規(guī)機械加工方法相比，它具有許多獨到之處：（1）不用機械能，加工時無明顯的機械作用力，故加工脆性材料和精密微細(xì)零件、薄壁零件、彈性元件時，工具硬度可低于被加工材料的硬度。（2）非接觸加工，不一定需要工具。（3）不受材料硬度限制。 它瞬時能量密度高，可以直接有效地利用各種能量，造成瞬時或局部熔化，以強力、高速爆炸、沖擊去除材料。 可以加工各種超硬超強材料、高脆性和熱敏材料，以及特殊的金屬和非金屬材料。（4）微細(xì)加工，工件表面質(zhì)量高。由于在特種加工過程中，工件表面不產(chǎn)生強烈的彈、塑性變形，故有些特種加工方法可獲得良好的表面粗糙度。 其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)及毛刺等表面缺陷均比機械切削表面小。 （5）通過簡單進給運動，加工復(fù)雜型面工件。 特種加工技術(shù)已成為復(fù)雜型面的主要加工手段。 由于特種加工技術(shù)具有其他常規(guī)加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，在現(xiàn)代加工技術(shù)中，它占有越來越重要的地位。

1 微小孔的特種加工方法

微小孔的特種加工方法主要包括電火花加工、電解加工、激光加工、超聲波加工、電子束加工等。

1.1 高速電火花加工

高速電火花微小孔加工采用空心的銅管作為工具電極，水基工作液(去離子水，蒸餾水，乳化液)作為加工介質(zhì)。加工時，電極做回轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動，管電極中通入1~10MPa 的高壓工作液，工作液通過電極內(nèi)的毛細(xì)管直接被注入到加工區(qū)。 這樣，使火花放電間隙中的電蝕產(chǎn)物(如金屬小屑、 氣泡等)被高速流動的工作液迅速沖走，解決了電火花加工小孔過程中的排屑困難的問題。

采用高速電火花加工微小孔，加工速度可達(dá)20~60 m/min， 比普通的電火花微小孔加工速度提高幾十倍甚至幾百倍，加工效率大大提高。 而且，高速電火花可加工深孔(深徑比可超過100)，加工的孔形尺寸比較穩(wěn)定，圓度好、錐度小。 但它一般只能加工直徑為0.3~3.0 mm 的孔，加工的表面粗糙度值也較大。

1.2 電解加工

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)反應(yīng)原理，對金屬材料進行成型加工的一種工藝方法。 當(dāng)工具陰極向工件不斷進給時，工件材料就按工具陰極型面的形狀不斷地被溶解，電解產(chǎn)物被高速流動的電解液帶走，工件上就加工出與陰極形狀近似而相反的型面。 當(dāng)把工具陰極做成細(xì)管，電解液從管中心高速噴出、沖走電解產(chǎn)物時，在工件上就可以加工出小孔。 電解加工的特點為：（1）加工范圍廣，能在硬質(zhì)合金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱鋼合金等材料上加工小孔。 （2）生產(chǎn)效率高，表面粗糙度較好，Ra 值可達(dá)0.2~0.8 μm。 （3）加工中沒有切削力，加工表面無殘余應(yīng)力和變形，孔口無毛刺和飛邊。

1.3 激光加工

激光加工是利用高能量密度（108~1110W/cm2）的激光作為熱源，使被加工材料在被加工點產(chǎn)生局部的瞬時高溫，成為熔融或氣化狀態(tài)，從而去除材料的。 激光加工的特點為：（1）與材料的硬度無關(guān)，幾乎能在所有材料上打孔。 （2）速度快，效率高，熱影響區(qū)小。 （3）對工件幾乎無宏觀作用力，能在易變形的工件上打孔。 （4）能加工細(xì)而深的小孔(小孔直徑可小至4~5μm，深徑比可達(dá)10 以上)。 （5）受輸出功率及聚焦的影響， 一般只適宜在薄板上加工小孔。

1.4 超聲波加工

超聲波加工是利用超聲頻振動的工具端面，通過磨料懸浮液去加工材料的一種工藝方法。 當(dāng)工具為細(xì)絲或細(xì)管時，就能加工出小孔。 超聲加工的特點為：（1）能在各種硬脆材料上打小孔，特別是適用于在寶石、陶瓷、玻璃及各種半導(dǎo)體材料上加工小孔。 （2）比電火花加工的精度高、表面光滑。 尺寸精度可達(dá)0.01~0.02 mm。 表面粗糙度Ra 值可達(dá)0.4~0.1μm，且表面無殘余應(yīng)力、燒傷等不良現(xiàn)象。 （3）由于加工工具很細(xì)，工具的制造和裝夾困難，在金屬上加工小孔時很慢。

目前，國內(nèi)超聲打小孔機床還未普遍使用，僅在一些電火花、電解加工無法加工的材料上打小孔時，才選用超聲加工小孔工藝。

1.5 電子束加工

電子束加工是聚焦后能量密度極高的電子束(約106~109W/cm2)在真空條件下以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時間(幾分之一微秒)內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。 電子束加工的特點為：（1）從理論上說，電子束加工可以加工直徑小于1μm 的小孔。 同時，電子束聚焦后的最細(xì)部分的長度是其斷面直徑的數(shù)十倍，所以適用于加工小深孔。 （2）易進行程序控制，實現(xiàn)自動化高速打小孔。 （3）電子束打小孔時，作用力小，應(yīng)力及變形很小，在脆性材料、韌性材料、導(dǎo)體及非導(dǎo)體上均可打小孔。 （4）特別適于加工易氧化的金屬及合金材料。

2 復(fù)合加工

復(fù)合加工是兩種或兩種以上特種加工方法的組合。 它能成倍地提高加工效率和進一步提高加工質(zhì)量，是特種加工發(fā)展的方向。

2.1 超聲波電火花復(fù)合小孔加工

為了改善電火花小孔加工過程中的排屑狀況，提高加工效率和加工質(zhì)量，在普通電火花小孔加工的基礎(chǔ)上，又發(fā)展起來了超聲波電火花復(fù)合小孔加工。 超聲波電火花復(fù)合小孔加工是指在電火花加工中，將超聲波振動加在工具電極上，使工具電極端面在伺服進給的同時作超聲振動，使小孔加工中的排屑狀況得到改善，以提高加工的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

超聲波電火花復(fù)合小孔加工之所以能提高加工效率，是因為工具電極上加上了超聲振動之后(頻率20~40kHz，振幅1~3μm)，具有了極高的加速度，產(chǎn)生強大的力學(xué)效應(yīng)， 電火花加工液受到強烈地攪動，將電蝕產(chǎn)物充分細(xì)化和加速排出。 同時，超聲振動保證了電極和工件之間充滿工作液，能夠防止短路、拉弧和微焊的發(fā)生。 最新的研究還表明，在超聲波電火花復(fù)合小孔加工中，如果使電脈沖與超聲振動同步，將使加工效率顯著地提高。

2.2 激光和高頻振動與電火花加工復(fù)合技術(shù)

在電火花加工中，電蝕產(chǎn)物排除的暢通程度是影響加工效率的一個重要因素。 一般電蝕產(chǎn)物都是從工具電極的進入側(cè)（上部）排除，為此往往將電極做成管狀，中間通入壓力油。 由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，于是有人提出先用激光在工件上打通底孔(直徑小、呈錐形)，再用EDM 加工。 放電過程中產(chǎn)生的氣泡膨脹作用，促使放電產(chǎn)生的金屬粉末可從孔的下部排除，大大地改善了電蝕產(chǎn)物的排除效率，且氣泡的排除速度也加快，能加工出精度高、質(zhì)量好的孔。

在微孔加工中，為了高效地排除電蝕產(chǎn)物，過去有人提出對工具電極和工作臺施加高頻振動。 目前又有人提出對工作液施加高頻振動，將超聲振動頭伸入到工作液中的放電加工部位，使加工區(qū)域的液體在加工中伴隨發(fā)生振動。 實驗結(jié)果表明：對工作液施加高頻(目前是28kHz)振動后，加工速度顯著提高，且當(dāng)超聲參數(shù)調(diào)整到最佳值時，工具電極的損耗量也大大地減少。 筆者采用這種超聲和EDM復(fù)合的方法，用50 μm 的電極在厚度為0.2 mm 的板材上成功地加工了大量的微孔，每孔所用的時間僅為52s。

3 總結(jié)

特種加工技術(shù)（如電火花加工、電解加工、激光加工等）在小孔加工中的應(yīng)用，有效地解決了傳統(tǒng)加工方法在小孔加工中工作效率低、甚至無法加工的問題，在一定程度上滿足了一些尖端制品和新產(chǎn)品對微、小孔及微細(xì)深孔的需要。 而復(fù)合加工技術(shù)在小孔加工中的應(yīng)用，更有效地解決了小孔加工中存在的問題，將會成為小孔加工技術(shù)發(fā)展的方向。

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