微孔復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)展

陳意 柏有才

摘要：微孔加工一直是制造業(yè)所關(guān)注的難點(diǎn)問題之一。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，傳統(tǒng)微孔加工存在溫升高、排屑困難、斷刀等問題。為克服傳統(tǒng)加工方法的不足，復(fù)合加工技術(shù)逐漸興起。本文詳細(xì)介紹了幾種具有代表性的微孔復(fù)合加工技術(shù)，對其加工原理、加工特點(diǎn)以及所存在的不足進(jìn)行了綜述。通過將多種微孔加工技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，兼顧加工效率和精度，有望實(shí)現(xiàn)微孔加工技術(shù)的突破。

關(guān)鍵詞：微孔;復(fù)合加工;加工效率;加工精度;特種加工

中圖分類號：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0020-02

0? 引言

微孔加工廣泛存在于航空航天、軍工生產(chǎn)、儀器儀表、醫(yī)療器械等行業(yè)，如渦輪葉片冷卻孔、閥孔、噴油嘴和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴等[1-2]。工程上把孔徑在3mm以下的孔稱為微孔[3]。目前微孔加工的方法主要機(jī)械加工（如鉆削、沖孔、研磨、磨料流精加工）和特種加工（如電火花加工、電化學(xué)加工、超聲加工、激光加工）為主。而對于一些難加工材料的微孔，采用上述方法加工效率低或根本無法加工[4]。通過將兩種或兩種以上的加工方法進(jìn)行復(fù)合，綜合各種加工方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微孔的高效高質(zhì)量加工，是目前難加工材料的微孔加工一個(gè)重要方向，表1給出了目前常見的幾種復(fù)合加工微孔的方法。本文通過綜述典型的微孔復(fù)合加工方法的原理和加工工藝特點(diǎn)，分析各自的加工優(yōu)缺點(diǎn)，為不同材料的微孔的復(fù)合加工工藝選擇和應(yīng)用提供參考。

1? 超聲電火花復(fù)合加工微孔

超聲輔助電火花微孔加工時(shí)，通過將微細(xì)電極加工成尺寸與精度與微孔相當(dāng)?shù)男螤?，利用電解將工件材料上與電極距離較近的工件材料進(jìn)行火花放電熔化或汽化去除，將工具電極的形狀和尺寸復(fù)刻到工件上形成加工后的微孔。在電火花加工的同時(shí)，在電極或者工件上引入超聲振動(dòng)，促進(jìn)工件和電極間的電介質(zhì)溶液流動(dòng)，沖洗電極和工件表面的顆粒，避免顆粒引起的不規(guī)則的放電，提高放電的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)顆粒被電介質(zhì)溶液帶動(dòng)沖刷磨拋微孔表面，可以提高微孔的表面質(zhì)量。

由于超聲波的引入，能強(qiáng)化加工過程，促使電腐蝕產(chǎn)物的排除，能使極間間隙穩(wěn)定。工具超聲振動(dòng)可將電火花放電脈沖的利用率達(dá)50%以上（普通電火花精加工的利用率僅為3-5%）。在電火花加工技術(shù)上復(fù)合超聲振動(dòng)，改善電極與工件間的放電條件，可以提高加工效率和加工質(zhì)量。電極與工件間充滿的工作液能夠防止短路、拉弧和微焊現(xiàn)象，較好地解決了電火花加工中電蝕產(chǎn)物排除困難的難題，目前應(yīng)用廣泛。在加工小孔、深孔、窄縫及異型孔時(shí)，可獲得良好的工藝效果，可使生產(chǎn)率提高幾倍到幾十倍。圖 1給出了在2μm超聲振幅下超聲電火花加工后的微孔，可以看出微孔周圍腐蝕程度最小，表面質(zhì)量較不振動(dòng)時(shí)明顯改善。

2? 電解機(jī)械復(fù)合加工微孔

電解機(jī)械復(fù)合加工中主要利用電解作用實(shí)現(xiàn)對去除工件的材料，同時(shí)復(fù)合機(jī)械加工，對電解后的鈍化膜進(jìn)行去除和破壞，保證電解過程的順利高效進(jìn)行。電解機(jī)械復(fù)合加工最典型的應(yīng)用案例為電解磨削加工微孔技術(shù)。在磨削的過程中保持工件和砂輪之間一定的磨削壓力，同時(shí)在工件和砂輪之間填充一定的電解液。受砂輪表面磨粒突出結(jié)構(gòu)的影響，電解液可以進(jìn)入磨削弧區(qū)。此時(shí)在砂輪和工件之間接通直流電，將工件表面金屬材料電解成離子化合物和陽極膜。電解的產(chǎn)物不斷的被砂輪帶動(dòng)的電解液帶走，同時(shí)砂輪表面的磨粒不斷的去除工件的表面鈍化膜，露出新的金屬，促進(jìn)電解作用的進(jìn)一步進(jìn)行，如此不斷的移除工件材料，實(shí)現(xiàn)對工件材料的磨削去除。圖2給出了電解機(jī)械復(fù)合加工后的燃油噴嘴孔，可以看出孔的精度較高且無毛刺，加工表面質(zhì)量好。

3? 電解激光復(fù)合加工微孔

電解激光復(fù)合加工中電解液以射流的形式?jīng)_擊微孔區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對微孔的電解加工去除。電解激光復(fù)合加工的原理如圖 3所示，電解液射流形成的水柱構(gòu)建激光傳導(dǎo)和反射的路徑，引導(dǎo)激光沿電解液傳遞至電解加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對加工去除材料的燒蝕去除。同時(shí)激光的熱效應(yīng)可對加工區(qū)域進(jìn)行加熱，使加工區(qū)溫度升高，提升電解加工的效率。電解激光復(fù)合加工加工中激光束的高直線度可以對微孔進(jìn)行拋光，減小甚至消除微孔的錐度。電解射流加工可以對激光燒蝕的熱影響區(qū)進(jìn)行溶解去除，提高加工表面的質(zhì)量，充分利用復(fù)合加工的優(yōu)勢。

4? 電解電火花復(fù)合加工

電解電火花復(fù)合加工過程中工件位于同一加工工位，通過更換不同的形狀和材料的工具電極，依次完成對工件的電火花成型加工和電解加工。電解電火花復(fù)合加工時(shí)需先完成電火花加工，獲得零件的加工形狀和尺寸，隨后更換電解電源，繼續(xù)對加工工件表面進(jìn)行電解拋光，拋光過程中高速旋轉(zhuǎn)電極的帶動(dòng)周圍的電解液以及電解液中的微細(xì)磨粒旋轉(zhuǎn)，磨粒沖擊和劃擦工件表面的鈍化層，實(shí)現(xiàn)對工件表面的鏡面拋光，提高工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。圖4給出采用電解電火花復(fù)合加工后微孔的形狀和表面，可以看出微孔表面沒有毛刺，加工精度高，孔表面光潔度高，表面粗糙度為Ra 0.07 μm。

電解電火花復(fù)合加工通常使用電解加工獲得工件的形狀和尺寸，然后采用電解加工去除電解加工的損傷層，達(dá)到提高加工精度的目的。電解電火花復(fù)合加工綜合了電火花加工的高精度和電解加工的高質(zhì)量，特別適用于金屬難加工材料的高精度高質(zhì)量加工

5? 超聲輔助鉆削加工微孔

鉆削時(shí)傳統(tǒng)加工孔的主要方法，而對于微孔加工，鉆桿的直徑受小孔尺寸的限制，導(dǎo)致鉆頭的剛度較弱，鉆削過程中經(jīng)常出現(xiàn)位置偏差和鉆頭斷裂，該現(xiàn)象對于難加工材料的微孔加工尤為明顯。通過在微孔鉆削的過程中復(fù)合超聲，給鉆削過程添加軸向周期性振動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)鉆削過程工件和刀具的周期性切削分離，促進(jìn)切屑的斷裂和排出，同時(shí)有助于冷卻液進(jìn)入鉆頭切削刃，減少鉆削熱量和刀具磨損，提高刀具壽命。同時(shí)鉆頭的周期性振動(dòng)也會對工件施加沖擊，促進(jìn)材料的去除。按超聲振動(dòng)形式的不同可以分為軸向振動(dòng)、軸向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆削以及軸向扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)鉆削，如圖5所示。軸向振動(dòng)是指振幅的方向與鉆頭軸線方向一致，這是最常見也是最簡單的一種振動(dòng)形式;扭轉(zhuǎn)輔助鉆削是指振動(dòng)方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一致，如此使鉆頭不斷的過切和欠切，達(dá)到振動(dòng)輔助的目的;軸向扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)鉆削同時(shí)進(jìn)行軸向與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助。

6? 結(jié)語

本文闡述了各復(fù)合加工的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。對比了各種微孔復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)和適用的范圍，對不同材料的微孔加工技術(shù)的選擇具有重大的借鑒意義。隨著新型特種材料的發(fā)展，如復(fù)合材料，對新型微孔復(fù)合加工技術(shù)的需求也會不變變化，新的復(fù)合加工技術(shù)必然會不斷涌現(xiàn)，根據(jù)加工材料選擇合適的復(fù)合加工方法，兼顧加工效率和加工質(zhì)量，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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