超聲振動復(fù)合微細電火花加工微小孔試驗研究

朱 波，鐘曉紅，陳濟輪，張 昆，陳 靖，張萬剛

（首都航天機械公司，北京100076）

超聲振動復(fù)合微細電火花加工微小孔試驗研究

朱 波，鐘曉紅，陳濟輪，張 昆，陳 靖，張萬剛

（首都航天機械公司，北京100076）

微小孔加工時的放電間隙較小，排屑、消電離狀態(tài)差，放電效率低，直接影響加工效率和電極損耗；超聲振動可改善排屑、消電離狀態(tài)，能提高放電效率。將超聲引入微細電火花加工，通過工件的超聲振動，進行超聲功率、小孔孔徑、脈沖頻率的微小孔電火花加工工藝試驗研究，結(jié)果表明：加工不同孔徑時，超聲功率及電源頻率都存在一個最佳值；加工條件合適時，超聲復(fù)合微細電火花加工優(yōu)于常規(guī)微細電火花加工。

微小孔；微細電火花加工；超聲振動

電火花加工是利用工具和工件之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余金屬，從而實現(xiàn)預(yù)定的加工要求[1]。其加工表面是由一系列放電凹坑組成的，沒有傳統(tǒng)機械加工產(chǎn)生的螺旋痕跡，故可大幅改善流經(jīng)小孔的流體流場分布情況。此外，電火花加工過程中無宏觀作用力,便于進行半孔加工，因而很容易觀測到微小孔的內(nèi)壁形貌。這些優(yōu)點使微細電火花加工成為航空、航天等領(lǐng)域加工小孔零件的有效手段。

微細電火花加工深小孔時,所需的放電能量很小，極間的放電間隙必須保持在很小的距離內(nèi)，才能進行有效的放電加工。由于此時的放電間隙極?。ㄍǔ閿?shù)微米），加工孔的深徑比又較大，導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物難以排出，工作液得不到很好的更換，極易造成電蝕屑的積聚，從而引起電弧放電甚至短路，嚴重影響加工效率和加工質(zhì)量。一些學(xué)者為改善深孔加工時的排屑和消電離狀態(tài)，開展了諸多研究[2]。如：利用中空電極進行沖液或抽液、工件或電極旋轉(zhuǎn)搖動等都取得了良好的加工效果。但實現(xiàn)這些技術(shù)的工藝較復(fù)雜，且成本很高，尤其是當(dāng)加工孔徑較小、加工深度較大時，這些技術(shù)將更難實現(xiàn)。為此，將超聲引入電火花加工中，利用超聲振動的高頻泵吸作用，將電蝕屑排出并吸入新鮮的工作液，從而改善放電間隙間的排屑和消電離能力。

然而，電火花加工尤其是微細電火花加工的放電間隙較小，一般為幾微米到十幾微米。工件振幅過大時，會導(dǎo)致極間短路和加工不穩(wěn)定；振幅過小時，又難以改善加工效果。此外，工件的振動頻率與

微細脈沖電源頻率的匹配，對超聲微細電火花復(fù)合加工也有一定的影響，工件的振動會不斷改變放電間隙的距離，影響放電通道的形成，進而影響加工效率等。因此，本文對超聲復(fù)合微細電火花加工工藝開展試驗研究，分析超聲振幅、脈沖頻率對微細電火花加工的影響規(guī)律和成因。

1 試驗裝置及試驗方法

試驗所用的超聲裝置和微細電火花加工機床如圖1、圖2所示。工具電極采用直徑1 mm的鎢電極，并利用塊電極電火花磨削方法將其磨至所需尺寸，工件為1 mm厚的不銹鋼板材。由于加工面積不足1 mm2，故采用小能量加工的電參數(shù)和RC脈沖電源。超聲電源單獨給超聲換能器提供高頻脈沖信號，變幅桿將振幅放大，工件固定在超聲裝置上，并做周期振動。

圖1 超聲發(fā)生裝置

圖2 微細電火花加工機床

超聲發(fā)生裝置的振幅難以實現(xiàn)直接設(shè)定及測量，故在工藝試驗中，通過改變超聲發(fā)生裝置的功率來實現(xiàn)其振幅大小的調(diào)節(jié)。超聲發(fā)生裝置的功率越大，則振幅越大。超聲裝置的頻率不可調(diào)，故采用改變電源頻率進行工藝試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 振幅對微細電火花加工的影響

試驗時，電極直徑為0.1984 mm，工件材料為1Cr18Ni9Ti；脈寬、脈間均為100 μs，加工極性為正極性，且保持不變；試驗僅改變超聲發(fā)生裝置的功率。圖3是超聲功率與微小孔加工時間、電極損耗的關(guān)系?？煽闯觯S著超聲功率的增加（即超聲振幅不斷增加），加工時間和電極損耗都是先減少、后增加。超聲功率在50%左右時，加工效果最好，此時的加工速度較快，且電極損耗較小。

圖3 超聲功率與加工時間、電極損耗的關(guān)系

在超聲復(fù)合微細電火花加工中，超聲振動可提高有效放電率，促進排屑、消電離能力。在微細電火花加工中，能產(chǎn)生擊穿放電的放電間隙一般僅有數(shù)微米到十幾微米，且間隙只能在很窄的范圍內(nèi)變化產(chǎn)生有效擊穿放電；而機床伺服響應(yīng)的頻率一般只有50 Hz左右，因此，在無超聲振動復(fù)合加工的條件下，有效放電率極低，加工效率難以提高。但當(dāng)工件做高頻超聲振動復(fù)合加工時，如果工件的振幅大于最大火花擊穿概率間隙變化范圍，則在一個脈沖寬度中，工件將多次往復(fù)穿越最大擊穿概率區(qū)，大大提高了有效脈沖放電的可能性，使加工效率得到大幅提高。而當(dāng)超聲振幅太大時，易導(dǎo)致放電擊穿延遲變小，此時，RC脈沖電源中的電容充電可能尚未完成，會導(dǎo)致放電時其兩端平均電壓降低，機床伺服參考電壓[3]不變時，將導(dǎo)致單位時間脈沖放電率下降。由于采用的是正極性加工，單個脈沖放電時間變大會導(dǎo)致正離子加速更充分，負極損耗增大，即電極損耗變大。

此外，由于電極超聲振動的作用，放電間隙中的工作液將產(chǎn)生高頻交變的壓力沖擊波，能極大地改善微小間隙中工作液的流動特性，有效地避免了電蝕產(chǎn)物的沉積，有利于放電點的轉(zhuǎn)移，因而可大幅提高加工的穩(wěn)定性和加工效率。

2.2 孔徑對微細電火花加工的影響

超聲振動復(fù)合微細電火花加工微小孔試驗時，不同孔徑的放電間隙、排屑及消電離能力不同，為此，對孔徑與超聲功率適配開展了試驗研究。分別對直徑0.2、0.15、0.1 mm的微孔進行加工實驗，試驗過程同樣僅改變超聲功率。不同孔徑時的超聲功率對加工時間和電極損耗的影響規(guī)律見圖4?？煽闯?，加工孔徑為0.2 mm時，超聲功率在50%左右的加工效果較好；加工孔徑為0.15 mm時，超聲功率在100%左右的加工效果較好；加工孔徑為0.1mm時，超聲功率在40%左右的加工效果較好。

圖4 不同孔徑時的超聲功率與加工時間、電極損耗的關(guān)系

當(dāng)加工孔徑為0.2 mm時，超聲功率在50%左右的加工效果最好，其影響規(guī)律在上節(jié)已進行了分析。當(dāng)加工條件不變時，隨著孔徑的減小，排屑、消電離條件變差，故需更大的振幅才能較好地改變放電狀態(tài)。所以當(dāng)加工孔徑為0.15 mm時，超聲功率在100%左右的加工效果最好。但隨著孔徑減小，將導(dǎo)致電極剛度下降；當(dāng)工件振動較大時，可能導(dǎo)致電極振動、加工短路現(xiàn)象增多，影響加工效率和加工質(zhì)量。因此，當(dāng)加工孔徑為0.1 mm時，超聲功率在40%左右的加工效果最好，此時，可較好地改善間隙排屑、消電離狀態(tài)，且不易引起電極振動。

2.3 頻率對微細電火花加工的影響

工件的振動頻率與微細脈沖電源頻率的匹配對超聲微細電火花復(fù)合加工也有一定的影響。工件的振動會不斷改變放電間隙距離，影響放電通道的形成，進而影響加工效率。超聲的主要作用是：在脈寬期間，超聲振動會使放電間隙不斷變化，當(dāng)放電間隙處于合理的距離后，會形成放電通道，從而產(chǎn)生放電；在脈間期間，超聲振動會使工作液不斷地被吸入和排出放電間隙，提高電蝕產(chǎn)物拋出能力，改善排屑和消電離狀態(tài)。因此，超聲頻率和電源頻率有一定的適配關(guān)系，而超聲頻率不易改變，試驗中采用改變電源頻率的方式進行研究。

試驗選取脈沖頻率分別為2.5、3.3、5、10 kHz，占空比為1：1，微孔孔徑為0.2 mm，加工極性為正極性。脈沖頻率與加工時間、電極損耗的關(guān)系見圖5?？煽闯?，隨著脈沖頻率的增加，無超聲復(fù)合加工時的加工時間和電極損耗均先增大、后減??；而有超聲復(fù)合加工時的加工時間和電極損耗呈先增大、后減小、再增大的現(xiàn)象。

圖5 脈沖頻率與加工時間、電極損耗的關(guān)系

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，是由于在不改變電源其他參數(shù)的條件下，隨著脈沖頻率的增加，平均擊穿延時時間變短，而擊穿延時時間與間隙電壓、工作液種類、極間間距有一定關(guān)系。平均擊穿延時時間變短，說明放電間隙變小，不利于排屑和消電離。當(dāng)脈沖頻率較大時，放電過程中的電子、正離子通過充分碰撞產(chǎn)生高溫蝕除金屬；脈沖頻率增大時，單個脈沖蝕除量大致相同，但放電間隙變小，排屑、消電離能力變差，導(dǎo)致加工時間、電極損耗增加；脈沖頻率繼續(xù)增大后，由于正離子加速不充分，單個脈沖對電極蝕除量減小，電蝕產(chǎn)物的減少，有利于排屑和消電離，且單位時間的放電脈沖個數(shù)變多，導(dǎo)致加工時間減小、電極損耗降低。當(dāng)有超聲振動且頻率較高（如頻率達10 kHz）時，放電間隙較小，工件振動可能導(dǎo)致RC電源尚未完成充電便已發(fā)生擊穿放電[4]，此時，放電能量小，且會導(dǎo)致單位

時間內(nèi)的放電次數(shù)降低，也易導(dǎo)致放電短路，故加工時間變長，電極損耗增大。

3 結(jié)論與展望

在超聲復(fù)合電火花加工微孔過程中，超聲復(fù)合會引起放電率、極間排屑、消電離狀態(tài)的變化；在不同的孔徑、脈沖頻率、超聲功率下，超聲對加工時間和電極損耗會產(chǎn)生一定的影響。

（1）超聲功率太小時，放電率提高不明顯，排屑、消電離難以改善；超聲功率太大時，易導(dǎo)致放電短路增多和單脈沖能量變低，使加工時間變長，電極損耗增大，改善效果不明顯。故超聲功率應(yīng)適中。

（2）孔徑為0.2 mm時，超聲功率在50%左右的加工效果最好；孔徑為0.15 mm時，超聲功率在100%時的加工效果最好；孔徑為0.1 mm時，超聲功率在40%左右的加工效果最好。

（3）超聲頻率不變時，電源頻率對加工時間、電極損耗的影響較大。電源頻率不宜過高，應(yīng)遠小于超聲頻率。

上述結(jié)論為后續(xù)實驗和制定超聲復(fù)合微細電火花加工工藝技術(shù)指標(biāo)提供了很好的參考價值。后續(xù)還可開展電參數(shù)與超聲功率、頻率適配性的研究：在高頻脈沖加工中選用更高頻率的超聲發(fā)生裝置；采用正交試驗法優(yōu)化工藝，分析各影響因素的大小和規(guī)律；對RC脈沖電源進行改進，使其脈間間隙兩端電壓為零，減小脈間期間產(chǎn)生放電的可能，提高脈沖電源的性能；設(shè)計新的放電伺服控制電路，提高放電檢測和間隙伺服控制能力。

[1] 劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 蔣毅.微小孔電火花加工過程控制系統(tǒng)的研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[3] 遲關(guān)心，狄士春，況火根.電火花加工間隙平均電壓檢測及其電路仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2006（7）：92-94.

[4] 李茂盛.五軸聯(lián)動電火花加工機床及其復(fù)雜電極預(yù)裝系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

圖5 焊縫與母材的XRD

2.6 耐蝕性能分析

圖6是焊縫、母材電位極化曲線。焊縫腐蝕電流為2.52e-5A/cm2，母材腐蝕電流為2.076e-5A/cm2。焊縫耐蝕性能低于母材，焊縫處因存在TiFe化合物，在腐蝕性介質(zhì)中，相對母材等軸α-Ti的均勻細密組織更易作為陽極相產(chǎn)生腐蝕，故焊縫耐蝕性能略低于母材。

圖6 焊縫與母材耐蝕性能分析

3 結(jié)論

（1）TA1薄板焊接在較窄的電流范圍內(nèi)能獲得良好的焊縫成形與拉力性能。當(dāng)焊接電流為38 A時，抗拉強度達到母材的78.9%，接頭硬度由焊縫中心向母材降低。

（2）母材至焊縫晶粒由等軸α晶向鋸齒狀α晶轉(zhuǎn)變，焊縫為無方向性的鋸齒狀α晶，由α-Ti相和TiFe相金屬間化合物組成。

（3）因TiFe化合物的存在，焊縫在腐蝕性介質(zhì)中較母材更易被侵蝕，其耐蝕性能低于母材。

參考文獻：

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The Experimental Study on Ultrasonic Vibration Assisted Micro Electro-discharge Machining for Micro Hole

Zhu Bo，Zhong Xiaohong，Chen Jilun，Zhang Kun，Chen Jing，Zhang Wangang
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

The discharge gap was very small，the state of chip removal and deionization was poor and discharge rate is low when the micro hole was machining.Ultrasonic vibration assisted could improve the state of chip removal，deionization and discharge rate.While ultrasonic vibration was used to micro eletro-discharge machining，the experiments of micro eletro-discharge machining were carried out on ultrasonic power，hole diameter，pulse frequency.The result shows that ultrasonic power and power frequency had optimum values when hole of different sizes were machined.If machining conditions were right，ultrasonic assisted micro electro-discharge machining would be better than conventional micro electro-discharge machining.

micro hole；micro EDM；ultrasonic vibration

TG661

A

1009－279X（2014）03－0058-04

2014-01-22

朱波，男，1989年生，工程師。