電極搖動(dòng)對(duì)微細(xì)電火花加工微孔深徑比的影響*

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大連 116024）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微小孔的應(yīng)用范圍更加廣泛，同時(shí)對(duì)微孔深徑比的要求也越來(lái)越大，例如汽車行業(yè)的柴油機(jī)引擎噴嘴、電子業(yè)的噴墨打印機(jī)的噴嘴、模具業(yè)的IC模具以及生物業(yè)的細(xì)胞搭載裝置[1-2]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中具有高技術(shù)要求的微小孔，并且由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特殊性，使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)如鉆削、鏜削、拉削、沖孔、鉸孔等技術(shù)進(jìn)行制孔時(shí)，在使用效果和應(yīng)用范圍上受到眾多限制[3]，而特種加工方法在這方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。微孔的特種加工方法有很多種，有電化學(xué)加工、電火花加工、液體噴射加工技術(shù)、超聲波加工、激光加工等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上氣膜孔的加工,采用飛秒激光與激光水射流復(fù)合加工氣膜孔，但該技術(shù)還不成熟且設(shè)備昂貴[4]。然而微細(xì)電火花加工具有加工任何導(dǎo)電材料、不受工件材料硬度影響、無(wú)宏觀切削力、加工設(shè)備相對(duì)便宜、易于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化、加工后孔的質(zhì)量較好等優(yōu)點(diǎn)。因此，微細(xì)電火花在微孔加工領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。葉軍等[5]研究了多軸數(shù)控單電極高速電火花小孔加工技術(shù)，并且通過(guò)實(shí)踐證明了這是一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件深小孔加工行之有效的方法。高速電火花穿孔技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中小孔加工方法之一，它是電火花成形加工制孔引申出的一種微孔加工方法，采用RC脈沖電源和空心電極內(nèi)噴液的方式，從而達(dá)到高速去除工件材料的目的，但該方法的加工精度差并且電極損耗嚴(yán)重[6]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中氣膜孔的孔徑一般在0.2～0.8mm，空間角度復(fù)雜，利用電火花打孔工藝的優(yōu)點(diǎn)是重熔層厚度小，可以控制在0.02mm以下。因此，電火花加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜孔的加工上較為成熟[7]。

微細(xì)電火花的加工間隙一般只有幾個(gè)微米或十幾個(gè)微米，絕緣介質(zhì)的粘性阻力很大，而且間隙的均勻分布使得氣泡不易排出，容易產(chǎn)生頻繁的短路及拉弧等非正常放電現(xiàn)象，導(dǎo)致電極損耗進(jìn)一步增大[8]。微細(xì)電火花加工大深徑比微孔的排除氣泡和加工屑有兩種方式：微小管電極內(nèi)部沖液和外部沖液。微小管電極的尺寸限制了可加工微孔的直徑[9]。外部沖液易造成用于加工大深徑比微孔的細(xì)長(zhǎng)電極的振動(dòng)。微細(xì)電火花鉆孔的試驗(yàn)過(guò)程觀察表明，當(dāng)孔的深徑比較小時(shí)，氣泡的壓力大，加工屑隨之容易排出孔外，非正常放電的次數(shù)較少。當(dāng)孔的深徑比較大時(shí)，由于液體粘性阻力隨著孔深度增加而增加，這使得氣泡壓力難以推動(dòng)放電間隙中的液體流動(dòng)，使得加工屑很難從加工間隙內(nèi)排出，從而使得新鮮加工液很難進(jìn)入加工區(qū)域，非正常放電的次數(shù)增加[10]?？梢?jiàn)，微細(xì)電火花鉆孔的深徑比有限，并且頻繁的非正常放電如短路及拉弧等對(duì)微孔的質(zhì)量不利。立式機(jī)床和油介質(zhì)下，在SK5碳素工具鋼上鉆100μm的孔，當(dāng)孔的深度達(dá)到500μm時(shí)就出現(xiàn)非正常放電，深徑比只有5；臥式機(jī)床和去離子水介質(zhì)下，當(dāng)100μm孔的深度達(dá)到1000μm時(shí)出現(xiàn)非正常放電，深徑比只有10[11]。為了增加微孔的深徑比，有學(xué)者提出改變電極的截面形狀，提高容屑能力；也有學(xué)者提出將超聲振動(dòng)引入微細(xì)電火花加工中。Zhao等[12]使用削邊電極微細(xì)電火花超聲輔助在鈦合金上加工出直徑小于0.2mm，深徑比為15的微孔。錢軍等[13]采用將工件與壓電換能器連接在一起的方式，使工件獲得超聲頻率振動(dòng)，通過(guò)工件的微幅激振產(chǎn)生空化作用來(lái)改善微細(xì)電火花加工工作液循環(huán)，從而提高微細(xì)孔加工的深徑比，并利用立式微細(xì)電火花加工機(jī)床在0.5mm厚的黃銅板上加工出深徑比為11.6的微孔。Hung等[14]提出利用螺旋微細(xì)電火花超聲復(fù)合振動(dòng)的微孔加工技術(shù)也可以提高深徑比。有學(xué)者通過(guò)改變電極的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)提高排屑能力，Yu等[15]采用電極搖動(dòng)的方法,即電極中心線圍繞孔的中心線進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，在臥式微細(xì)電火花加工機(jī)床上，以去離子水為工作介質(zhì)，加工出深徑比為18的微孔。此外，Yu等[10]提出電極搖動(dòng)同時(shí)在工件上施加超聲振動(dòng)的方法，并且在臥式微細(xì)電火花加工機(jī)床上，以去離子水為工作介質(zhì)，在304不銹鋼上加工出直徑120μm、深徑比為29的微孔。

微細(xì)電火花中加工屑主要是通過(guò)加工過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡帶出的，電極搖動(dòng)微細(xì)電火花加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的流場(chǎng)是一個(gè)非均勻的流場(chǎng)，由流體力學(xué)知識(shí)可知，非均勻流場(chǎng)液體的粘性阻力也是非均勻的，并且最大間隙處液體的粘性阻力最小，最小間隙處液體的粘性阻力最大[16]，在最大間隙處電極搖動(dòng)打破了氣泡的動(dòng)態(tài)平衡，這樣氣泡和加工屑更加容易從最大間隙處排出，從而可以獲得更大的深徑比。Li等[17]基于狹小放電間隙內(nèi)微觀流體的運(yùn)動(dòng)特性和表面張力的理論建立了電極不搖動(dòng)微細(xì)電火花加工微孔深徑比的理論模型，描述了影響微孔深徑比的影響因素，并通過(guò)在去離子水和油中進(jìn)行了大量微孔加工試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了模型的正確性，為獲得大深徑比微孔打下了理論基礎(chǔ)。呂忠偉等[18]通過(guò)數(shù)值仿真得到電極搖動(dòng)會(huì)使氣泡向電極與孔壁之間的最大間隙運(yùn)動(dòng)或破裂，并通過(guò)微孔加工試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果的正確性。因此，電極搖動(dòng)參數(shù)和電參數(shù)對(duì)微孔深徑比的影響值得研究。

非正常放電使得微孔的質(zhì)量下降。因此，本文采用不同加工介質(zhì)，以不銹鋼為工件材料，以鎢作為工具電極材料，通過(guò)微孔加工試驗(yàn)研究了搖動(dòng)半徑、搖動(dòng)速度以及加工電容對(duì)常規(guī)放電狀態(tài)下微孔深徑比的影響。

試驗(yàn)裝置及方法

微細(xì)電火花微孔加工設(shè)備采用的是自制臥式微細(xì)電火花和立式微細(xì)電火花加工設(shè)備。這兩臺(tái)機(jī)床的X軸和Y軸均采用德國(guó)PI公司的M-521.DD型高精度平臺(tái)，Z軸采用PI公司的M-521.DDB型平臺(tái)，該平臺(tái)具有“剎車”功能，以防意外斷電造成平臺(tái)滑塊突然下落。X、Y、Z 3個(gè)移動(dòng)平臺(tái)的最小分辨率均為0.1μm，單向重復(fù)定位精度為 1μm，最大行程為204mm；旋轉(zhuǎn)主軸徑向跳動(dòng)在1μm以內(nèi)，最大轉(zhuǎn)速為40000 r/min。臥式微細(xì)電火花加工試驗(yàn)裝置的示意如圖1（a）所示；臥式微細(xì)電火花加工試驗(yàn)裝置的實(shí)物如圖1（b）所示。立式微細(xì)電火花加工試驗(yàn)裝置的示意如圖2（a）所示：立式微細(xì)電火花加工試驗(yàn)裝置的實(shí)物如圖2（b）所示。

電極搖動(dòng)的示意如圖3所示,電極搖動(dòng)微孔電火花加工分為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)：一是Z軸的進(jìn)給；二是X和Y軸的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。X和Y軸的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)在圓弧上平均插補(bǔ)36個(gè)點(diǎn)得到的。電極搖動(dòng)的加工程序基于LabVIEW軟件開發(fā)。該控制軟件主要包括手動(dòng)模塊、探測(cè)模塊、主軸旋轉(zhuǎn)模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、電極加工模塊以及搖動(dòng)鉆孔模塊。手動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。探測(cè)模塊主要用電接觸的方法，進(jìn)行電極的定位、計(jì)算工具電極的損耗長(zhǎng)度以及設(shè)定工件坐標(biāo)系等。電極搖動(dòng)鉆孔模塊主要的設(shè)置參數(shù)有搖動(dòng)半徑、搖動(dòng)速度以及微孔的零點(diǎn)坐標(biāo)。電極搖動(dòng)鉆孔時(shí)，為了提高加工效率同時(shí)避免非正常放電現(xiàn)象的發(fā)生，電極搖動(dòng)鉆孔的控制程序根據(jù)放電加工時(shí)的電流反饋信號(hào)設(shè)定了5個(gè)判斷閾值，電極的進(jìn)給速度隨著電流反饋信號(hào)的變化而自動(dòng)調(diào)整，電極搖動(dòng)鉆孔程序的前面板如圖4所示。

試驗(yàn)中通過(guò)WEDG技術(shù)制作不同直徑的工具電極[19]。鉆孔前，通過(guò)電探測(cè)技術(shù)在工件上確定微孔的零點(diǎn)位置和兩個(gè)加工參考點(diǎn)，兩個(gè)加工參考點(diǎn)是為了更加準(zhǔn)確計(jì)算電極的損耗值。加工過(guò)程中，電極每進(jìn)給一定長(zhǎng)度（臥式電極不搖動(dòng)鉆孔時(shí)取100μm，電極搖動(dòng)鉆孔時(shí)取200μm；立式電極不搖動(dòng)鉆孔時(shí)取50μm，電極搖動(dòng)鉆孔時(shí)取100μm）后停止加工，并將電極退出微孔至參考點(diǎn)處進(jìn)行電探測(cè)，探測(cè)所得的Z坐標(biāo)與兩個(gè)參考點(diǎn)Z坐標(biāo)差值的平均值即為電極的損耗長(zhǎng)度，這樣加工完就可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)繪制微孔加工過(guò)程曲線圖。微細(xì)電火花微孔的加工過(guò)程可以基本分成兩個(gè)階段，即常規(guī)放電狀態(tài)階段和非正常放電狀態(tài)階段。常規(guī)放電狀態(tài)下電極以一定的速度進(jìn)給，加工的時(shí)間較短，非正常放電狀態(tài)下電極的進(jìn)給速度緩慢甚至停止，加工時(shí)間較長(zhǎng)。因此，從常規(guī)放電狀態(tài)到非正常放電狀態(tài)的過(guò)渡存在一個(gè)加工拐點(diǎn)。圖5是在表1的加工條件下的微孔加工過(guò)程曲線，可以看出，當(dāng)電極進(jìn)給到1200μm后，加工速度明顯變小，該點(diǎn)稱為加工拐點(diǎn)，加工拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際加工深度就是電火花常規(guī)放電階段的孔的深度。

圖1 自制臥式微細(xì)電火花加工機(jī)床Fig.1 Horizontal micro EDM machine tool

圖2 自制立式微細(xì)電火花加工機(jī)床Fig.2 Vertical micro EDM machine tool

圖3 電極搖動(dòng)示意圖Fig.3 Planetary movement path

圖4 電極搖動(dòng)鉆孔程序前面板Fig.4 Interface of control system

本文中微孔的深徑比定義為加工拐點(diǎn)處的深度與微孔直徑的比值。圖6（a）和圖6（b）是加工后的微孔與電極。雖然微孔加工深度可以增加，但由于放電間隙的液體粘性阻力增大，導(dǎo)致加工區(qū)的氣泡無(wú)法排除，阻礙了加工液流入加工區(qū),使得非正常放電增加,電極損耗急劇增大，因此不在本文的討論范圍。

圖5 微細(xì)電火花加工孔的過(guò)程Fig.5 Micro hole drilling process by micro EDM

圖6 加工后的孔和電極Fig.6 Micro hole and electrode after hole drilling

表1 微孔電火花加工條件

搖動(dòng)參數(shù)和電容對(duì)微孔深徑比影響

電極搖動(dòng)電火花加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)是非均勻場(chǎng)，這可以增加微孔的深徑比。因此，研究加工過(guò)程中電極搖動(dòng)半徑、搖動(dòng)速度以及電參數(shù)對(duì)微孔深徑比的影響非常重要。表2 是試驗(yàn)加工的條件和有關(guān)參數(shù)。

（1）搖動(dòng)半徑對(duì)微孔深徑比的影響。圖7是去離子水中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑分別為75μm和105μm時(shí)的微孔深徑比隨搖動(dòng)半徑的變化。圖8是油中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑分別為85μm和105μm的微孔深徑比隨搖動(dòng)半徑的變化。可以看出，在相同電極直徑和電參數(shù)的條件下，隨著電極搖動(dòng)半徑的增加，微孔的深徑比也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且油介質(zhì)下微孔的深徑比明顯比去離子水介質(zhì)中的小。從流體力學(xué)的角度分析，較大的搖動(dòng)半徑可以降低流場(chǎng)最大間隙處的速度梯度，從而降低了工作液介質(zhì)的粘性阻力，這有利于氣泡的排出。圖9 （a）是采用立式加工機(jī)床，在油中電極直徑為85μm、搖動(dòng)半徑為 10μm、電壓 80V、電容 1000pF 條件下加工后的微孔，圖9（b）是加工后的工具電極。

表2 試驗(yàn)加工條件

圖7 去離子水中搖動(dòng)半徑對(duì)微孔深徑比的影響Fig.7 Effect of eccentric radius on aspect ratio of micro hole in deionized water

圖8 油中搖動(dòng)半徑對(duì)微孔深徑比的影響Fig.8 Effect of eccentric radius on aspect ratio of micro hole in mineral oil

（2）搖動(dòng)速度對(duì)微孔深徑比的影響。圖10（a）是去離子水中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑為65μm以及搖動(dòng)半徑為10μm時(shí)的微孔深徑比隨搖動(dòng)速度的變化；圖10（b）是去離子水中電壓為80V、電容為470pF、電極直徑為85μm以及搖動(dòng)半徑為10μm時(shí)的微孔深徑比隨搖動(dòng)速度的變化；圖10（c）是油中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑為105μm以及搖動(dòng)半徑為10μm時(shí)的微孔深徑比隨搖動(dòng)速度的變化；圖10（d）是油中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑為85μm以及搖動(dòng)半徑為10μm時(shí)的微孔深徑比隨搖動(dòng)速度的變化。從圖10（a）～（d）中可以看出，在電極直徑、電參數(shù)以及搖動(dòng)半徑相同的情況下，電極的搖動(dòng)速度對(duì)微孔的深徑比沒(méi)有太大的影響。從流體力學(xué)的角度分析，電極的搖動(dòng)速度賦予整個(gè)流場(chǎng)的速度只是徑向速度，而在軸向的速度分量為零，這樣搖動(dòng)速度對(duì)于加工屑和氣泡的軸向排出沒(méi)有影響。因此，電極的搖動(dòng)速度對(duì)微孔的深徑比的影響可以忽略不計(jì)。

（3）加工電容對(duì)微孔深徑比的影響。圖11是去離子水中電容對(duì)微孔深徑比的影響，其加工條件是去離子水作為加工介質(zhì)、電壓80V、搖動(dòng)半徑 10μm、搖動(dòng)速度25μm/s。圖12是油中電容對(duì)微孔深徑比的影響，其加工條件是油作為加工介質(zhì)、電壓80V、搖動(dòng)半徑為10μm以及搖動(dòng)速度為 15μm/s。

從圖11和圖12中可以看出，隨著電容的增加，微孔深徑比總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。根據(jù)電火花加工的知識(shí)可知，當(dāng)電容增加時(shí)，電火花單個(gè)脈沖放電的能量就增加了，這一方面提高了電火花微孔加工的能力，另一方面大的放電能量能夠?qū)⒖椎拙奂募庸ば歼M(jìn)一步熔化、氣化乃至逐漸變小，從而更加有利于加工屑的排出。

圖9 加工后的微孔和電極（油中搖動(dòng)半徑為10μ m）Fig.9 Micro hole and electrode after hole drilling (In oil, eccentric radius is 10μ m）

圖10 搖動(dòng)速度對(duì)微孔深徑比的影響Fig.10 Effect of planetary movement speed on aspect ratio of micro hole

圖11 去離子水中電容對(duì)微孔深徑比的影響Fig.11 Effect of capacitor on aspect ratio of micro hole in deionized water

圖12 油中電容對(duì)微孔深徑比的影響Fig.12 Effect of capacitor on aspect ratio of micro hole in mineral oil

結(jié)束語(yǔ)

電極搖動(dòng)微細(xì)電火花加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)是一個(gè)非均勻場(chǎng)，有助于氣泡和加工屑的排出，從而可以提高孔的深徑比。本文通過(guò)電極搖動(dòng)微孔加工試驗(yàn)研究了電極搖動(dòng)參數(shù)和電參數(shù)對(duì)微孔深徑比的影響，并從流體動(dòng)力學(xué)和電火花加工理論對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：去離子水和油兩種介質(zhì)中，微孔的深徑比隨著搖動(dòng)半徑的增大而增大，大的搖動(dòng)半徑更加有利于排屑；搖動(dòng)速度對(duì)微孔深徑比的影響可以忽略不計(jì)，搖動(dòng)速度使加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)在軸向的速度分量為零，對(duì)加工屑和氣泡的排出沒(méi)有影響；電容的增加有助于提高微孔的深徑比。這些結(jié)果為實(shí)際生產(chǎn)中加工大深徑比微孔提供了參考依據(jù)。

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