電火花加工對(duì)滑閥微細(xì)孔精度的影響分析

胡守琦 蔣立坤 孫曉飛 姜珊 張慧

摘要：微細(xì)電火花加工技術(shù)在難度較大的材料微細(xì)孔加工期間應(yīng)用較為廣泛，在工業(yè)實(shí)踐中對(duì)于微細(xì)深孔的加工精度具有較高要求。而文章中主要對(duì)畫(huà)法微細(xì)孔電火花加工方面，精度的影響因素進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電火花加工;滑閥;微細(xì)孔;精度

中圖分類號(hào)：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0095-03

0? 引言

電火花加工屬于直接應(yīng)用電能與熱能加工的全新工藝，此項(xiàng)加工技術(shù)是特種加工范疇中關(guān)鍵性技術(shù)。具體為在符合要求的介質(zhì)中，經(jīng)由工具電極與工件電極間的脈沖放電電蝕作用，完成工件加工任務(wù)的方法。電火花加工基于理論層面能夠加工所有導(dǎo)電材料，同時(shí)與材料強(qiáng)度及硬度存在相關(guān)關(guān)系，為此，在機(jī)械制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)期間大深徑比孔的加工需求，促進(jìn)了大深徑比孔加工技術(shù)的發(fā)展。有關(guān)學(xué)者經(jīng)由在工具電極上涂覆絕緣層控制無(wú)效放電，極大的提升了加工期間的穩(wěn)定性，可加工出直徑200μm，深徑比為120的微細(xì)孔。文章中以材料作為方向，對(duì)滑閥微細(xì)孔精度的影響進(jìn)行了分析。

1? 電火花加工原理

電火花加工方面的電蝕現(xiàn)象最初于19世紀(jì)末出現(xiàn)，例如插頭與開(kāi)關(guān)啟閉時(shí)所產(chǎn)生的電火花與接觸表面可造成損害。而我國(guó)則在20世紀(jì)50年代展開(kāi)了電火花設(shè)備的研究，同時(shí)在60年代研發(fā)出首臺(tái)依附于模仿形電火花線切割機(jī)床。電火花加工具體所指向的是，應(yīng)用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)所產(chǎn)生的電蝕作用，蝕除導(dǎo)電材料的特種加工手段。電火花加工得以實(shí)現(xiàn)需要建立在以下幾點(diǎn)條件之上：

第一，工具電極與工件電極間要求存在著適當(dāng)?shù)木嚯x，能夠滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，從而產(chǎn)生出火花放電，另一個(gè)方面還能夠充分適應(yīng)在火花通道熄滅之后介質(zhì)消電離，并排出蝕除產(chǎn)物要求[1]。如果兩極之間所存在的距離過(guò)長(zhǎng)，脈沖電壓便無(wú)法順利擊穿介質(zhì)，同時(shí)也無(wú)法產(chǎn)生出火花放電。如果此距離過(guò)小，兩極之間不會(huì)出現(xiàn)脈沖能量的消耗，無(wú)法完成加工操作。

第二，在兩極之間要求充入介質(zhì)在做材料電火花尺寸加工期間，兩極之間屬于液體介質(zhì)，材料電火花表層強(qiáng)化中，之間為氣體介[2]。

第三，輸送到兩極之間的脈沖能量密度需要確保在火花通道形成之后，脈沖電壓不會(huì)出現(xiàn)過(guò)于明顯的變化。基于此，通道電流密度能夠表征通道能量密度。密度足夠大可促使加工材料局部氣化，在被加工材料表層形成腐蝕痕，為電火花加工提供基礎(chǔ)條件。

第四，放電要求為短時(shí)間的脈沖放電脈沖?；诜烹姇r(shí)間短，導(dǎo)致放電期間所產(chǎn)生的熱能無(wú)法及時(shí)在被加工材料中進(jìn)行擴(kuò)散，由此將能量作用約束到較小的范疇中，維持火花放電的冷極特性。

第五，脈沖放電要求重復(fù)多次開(kāi)展，同時(shí)多次脈沖放電在時(shí)間與空間分散涉及到兩個(gè)層面的內(nèi)涵。一方面，時(shí)間層面臨近兩個(gè)脈沖不在同一點(diǎn)上形成通道;另一個(gè)方面，如果處在一定時(shí)間范疇脈沖放電集中發(fā)生到某一個(gè)區(qū)域中，在另一段時(shí)間中，脈沖放電需要轉(zhuǎn)移到另外區(qū)域。此種要求的目的在于，可控制積碳現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而規(guī)避電弧與局部燒傷問(wèn)題。

電火花加工中，工具電極需要與工件及脈沖電源兩極進(jìn)行連接，并將其放置到工作液中，也可將工作液放置到電間隙。兩個(gè)電極之間的間隙應(yīng)該處在適合的距離基礎(chǔ)之上，兩個(gè)電極所給予的脈沖電壓擊穿工作液，最終達(dá)到火花放電的效果[3]。放電微細(xì)通道之中瞬間集中起的熱能可達(dá)到一萬(wàn)攝氏度，為此會(huì)推動(dòng)壓力的變化，而工作表面局部的微量金屬材料也會(huì)出現(xiàn)氣化的轉(zhuǎn)變，以爆炸的形式分布到工作液中，并在短時(shí)間內(nèi)冷凝，轉(zhuǎn)化成為固體金屬微粒，隨工作液流走。后續(xù)脈沖電壓能夠在兩極臨近的另外部位擊穿，進(jìn)而產(chǎn)生了火花放電，進(jìn)入到重復(fù)的流程。不同脈沖放電蝕除的金屬量不多，每秒內(nèi)大量脈沖放電會(huì)蝕除大量金屬。在保障工具電極與工件放電間隙不便的環(huán)境下，可蝕除工件金屬，同時(shí)還能夠推動(dòng)工具電極向工件進(jìn)給。另外，若想要確保加工出的形狀與工具電極形狀類似，僅僅需要整改工具電極形狀與工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)范式，可加工出各類型復(fù)雜的型面[4]。

2? 電火花加工特征

電火花加工作為全新加工工藝與機(jī)械加工存在著本質(zhì)上的差異。在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展與科技發(fā)展下，熔點(diǎn)與硬度以及強(qiáng)度均有得到提升，也由此出現(xiàn)了高粘性與高純度材料。近年來(lái)在工件加工中，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與特殊材料等要求不斷提升，而在此情況下以往的機(jī)械加工手段無(wú)法完成加工任務(wù)，或面臨著較大的難度。除持續(xù)優(yōu)化機(jī)械加工手段外，還應(yīng)該探尋更為先進(jìn)的加工辦法[5]。電火花加工辦法可迎合生產(chǎn)發(fā)展的需求，同時(shí)可呈現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)，從而獲取到快速發(fā)展?？偨Y(jié)電火花加工特征包括以下幾點(diǎn)：第一，脈沖放電能量密度較高，可加工常規(guī)機(jī)械加工辦法攪拌加工的特殊材料[6]。不會(huì)受到材料硬度的干擾，同時(shí)也有效的規(guī)避了受熱處理情況的干擾。第二，脈沖放電持續(xù)的時(shí)間較短，放電期間所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)在狹小的范圍內(nèi)擴(kuò)散[7]。第三，在加工期間工具電極與工件材料不會(huì)接觸，兩者之間的作用力影響下，工具電極制造更為方便。第四，能夠?qū)ぜ慕Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化處理，節(jié)省不必要的加工環(huán)節(jié)，提升工件使用壽命，降低工作人員勞動(dòng)量[8]。

3? 滑閥微細(xì)電火花加工力影響模型

研究中應(yīng)用臥式微細(xì)電火花加工裝置，同時(shí)在微細(xì)孔加工期間作出以下幾點(diǎn)假設(shè)：第一，工具電極在加工環(huán)節(jié)可能承受到的多種徑向力合力大小不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，同時(shí)一直作用到電極末端[9]。第二，作用在電極的軸向力，基于其促使電極彎曲小，可不予以考慮。第三，基于同樣加工條件，同一個(gè)電極但長(zhǎng)度不發(fā)生轉(zhuǎn)變，所受到的力一致。第四，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電極的直徑應(yīng)該不超過(guò)原始直徑，加工過(guò)程中電極彎曲處在電極被加工部分。第五，電極加工方面，彎曲與變形不明顯，能夠滿足材料力學(xué)上的要求?；谝陨汐@取到細(xì)微電火花加工過(guò)程中電極受力與變形模型，見(jiàn)圖1。

加工期間電極在徑向合理F作用下變形撓度公式如公式1所示：

在公式（1）中，F(xiàn)所代表的是電極末端所面對(duì)的徑向合力，E所代表的是電極材料彈性模型，I代表的是電極慣性矩，d代表的是電極直徑，L代表的是電極長(zhǎng)度，x代表的是電極上隨意一個(gè)點(diǎn)與0點(diǎn)之間的距離。

在研究期間，工具電極應(yīng)用WEDG辦法制備，在加工之后電極形狀見(jiàn)圖2?；诩庸ぶ箅姌O直徑要明顯小于沒(méi)有加工的直徑，核算電極長(zhǎng)度期間僅僅考慮到加工之后直線部分的長(zhǎng)度，也就是將0作為起點(diǎn)，剩余部分考慮為剛性，不會(huì)關(guān)注多種加工作用中的彎曲變形。

4? 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)期間應(yīng)用到的臥式微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)裝置主要構(gòu)成部分為：基座、電極旋轉(zhuǎn)軸C軸、WEDG單元等[11]。加工條件與已知參數(shù)見(jiàn)表1。在加工實(shí)踐方面，基于WEDG單元制造出符合需求長(zhǎng)度與直徑的微細(xì)電極。具體加工期間，首要工作是移動(dòng)X-Y-Z工作臺(tái)探測(cè)工件表面，此項(xiàng)操作完成后在明確加工起點(diǎn)之后執(zhí)行加工操作，并在加工完成一個(gè)孔之后將電極截取0.4mm，最終確保剩余的長(zhǎng)度為0.6mm。在完成加工操作之后對(duì)工件與電極進(jìn)行清理，并監(jiān)測(cè)電極的直徑與剩余長(zhǎng)度等指標(biāo)。電極不會(huì)出現(xiàn)彎曲變形情況，基于此第一個(gè)孔與最后孔的半徑差作為電極末端變形值。結(jié)合以上獲取到F，結(jié)合公式（1）核算出不同電極程度條件下對(duì)應(yīng)的撓度[12]。

5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，為四種加工條件下獲取到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所選觀察對(duì)象為長(zhǎng)度為3.663mm，直徑為62.2的鎢電極在去離子水工作液加工出的排孔，第一個(gè)孔的直徑是105μm，最后一個(gè)孔直徑是95.5μm。另選長(zhǎng)度4.287mm，直徑為63.6的鎢電極在油中加工出的排孔，第一個(gè)孔直徑86.1μm，最后一個(gè)孔直徑是75.9μm。

通過(guò)對(duì)加工各孔做測(cè)量，獲取到4種不同加工條件下加工間隙與電極長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在同樣的加工條件中，基于電極長(zhǎng)度增長(zhǎng)，加工間隙也會(huì)隨之增加。此種規(guī)律代表著，微細(xì)電火花加工微孔期間，多種力對(duì)于加工間隙的影響較大，而此影響作用會(huì)在電極長(zhǎng)度增加下不斷上升。若電極較短，此種影響作用可不予考慮。實(shí)驗(yàn)期間分別應(yīng)用直徑為63.4μm、長(zhǎng)度為288μm與直徑為63.5μm，長(zhǎng)度為504μm的鎢電極在油中完成加工驗(yàn)證，獲取到的加工間隙分別為6.22μm與6.24μm，差距不明顯。此結(jié)果所代表的是，電極較短條件下，加工間隙與電極長(zhǎng)度之間不存在明顯關(guān)聯(lián)，在此種狀態(tài)中加工間隙主要受到電火花放電加工工藝參數(shù)的影響[13]。

研究結(jié)果證實(shí)了，以上獲取到的結(jié)果并不是基于臥式加工導(dǎo)致促使電極受到重力影響而單獨(dú)導(dǎo)致的。分析出現(xiàn)此種情況的原因可能是，若電極受重力作為均步載荷，參考材料力學(xué)理論，直徑為60μm與長(zhǎng)度4mm的鎢電極受到重力影響，撓度的最大變形可達(dá)到0.75μm，而在直徑相同的環(huán)境中，長(zhǎng)度為6mm碳化鎢電極基于重力作用影響，撓度變形為0.16μm，將實(shí)踐加工間隙作為對(duì)照，其變形并不顯著。此種結(jié)果表明了，電極在重力下所受到的影響作用并非是本次研究過(guò)程中的關(guān)鍵性因素，而電極的長(zhǎng)度針對(duì)加工間隙的影響作用多來(lái)自各種力的綜合作用。參考以上加工力影響模型，所梳理出的電極撓度理論值與實(shí)際值對(duì)比結(jié)果如圖3與圖4所示。

能夠總結(jié)出的是，理論值與實(shí)際值結(jié)果并未呈現(xiàn)出顯著差異。而本次研究中所指出的加工力影響模型可較好的表現(xiàn)在電火花加工微孔過(guò)程中，電極彎曲變形撓度的增加，導(dǎo)致同一種直徑的電極基于長(zhǎng)度的差異，會(huì)導(dǎo)致最終加工出的孔徑有所不同。

6? 結(jié)論

文章中構(gòu)建起微細(xì)電火花加工微孔期間加工力影響模型，同時(shí)經(jīng)由實(shí)驗(yàn)作出驗(yàn)證。結(jié)果顯示出，結(jié)合模型核算出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值未表現(xiàn)出顯著差異?；诩庸ちΦ挠绊懀瑧?yīng)用微細(xì)電火花加工微孔期間，應(yīng)該考慮到電極長(zhǎng)度因素。直徑相同的電機(jī)在長(zhǎng)度存在差異的條件下，所加工出的孔徑也有所不同，且孔徑會(huì)隨著電極的增長(zhǎng)而加大。

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