大深径比微细孔超声辅助电火花加工技术研究

张余升,荆怀靖,李敏明,唐春英,余祖元

(1.上海航天设备制造总厂,上海200245;2.大连理工大学现代制造技术研究所,辽宁大连116024)

随着科学技术和工业生产的发展,微小孔的应用日趋广泛,出现了越来越多带有微小孔的零件,如燃料喷油嘴、空气静力轴承、喷丝板、打印机喷头等[1-3],这类孔一般具有直径小、深径比大及难加工等特点,因此微细深孔加工技术已成为此类产品制造的关键技术,微细电火花加工也因此成为此类微细深孔加工的一种重要方法。

在微细电火花加工中电极损耗较大,在加工大深径比微细孔时,工具电极和工件之间的狭窄间隙内的流体阻力较大,气泡不易排出,易产生频繁的短路及拉弧等非正常放电现象,导致电极损耗进一步增大,使微细深孔的加工变得更困难。因此,如何获得大深径比的微细孔这一问题亟待解决。

1 微细孔电火花加工技术

微细孔已被广泛应用于生产和生活中的各个领域,如航空、航天、军事等方面的尖端零件和喷丝板、医疗器械、钟表等民用零件。由于孔径极小,这类微细孔一般深径比较大,且零件材料多为高强度、高硬度的难加工材料,如耐热钢、不锈钢、硬质合金、陶瓷等[4]。为了解决微孔加工的技术难题,人们在不断改进和提高传统加工方法的同时,也在不断地研究新的加工工艺和方法,目前大约有50余种加工方法[5],包括超声波加工、激光加工、电化学加工、微细冲压、微细电火花加工等。微细电火花加工虽然加工速度较低,但其不仅可加工微细孔,而且可加工复杂形状的三维结构[6],还可加工任何导电材料,也不受材料本身硬度及强度等因素的影响。

在放电加工过程中,工件上的材料受热融化后,一部分膨胀、蒸发,一部分又重新凝固,成为加工屑。这些加工屑有的随着工作液的流动被排出到加工间隙外部,而另一部分加工屑微粒则沉积到间隙内。当沉积的加工屑达到一定程度时,工件和电极之间就会通过一很高的短路电流,它不仅容易损坏放电电路,对工件和工具电极也会产生一定的影响,增大热影响层的厚度,使表面质量下降,同时也增大了电极损耗[7]。在加工微细深孔到一定深度后,材料去除速度会明显下降,就是因为深孔加工中工具电极和工件之间的狭窄间隙内堆积了大量的加工屑,易导致短路等非正常放电,阻碍了加工过程的顺利进行。

由于传统的周期性抬起工具电极等方法增加了额外运动所需的时间,使材料去除速度大大下降。为了解决这一问题,管状电极、卧式加工、电极旋转等方法被应用于微细电火花加工中[8]。为了进一步提高微细孔电火花加工的性能,超声波振动被引入到深小孔加工中,Yeo和赵万生分别在不锈钢401和钛合金上加工出深径比为14和16的微细孔[7,9]。电极摇动方法的应用进一步提高了深孔的可加工性,这是因为电极摇动使工具电极和工件的间隙不断变化,加工屑和气泡更易排出。所谓的电极摇动是指电极中心以一定的半径做圆周运动。利用该方法顺利地在2.5 mm厚的不锈钢AISI 304L上加工出通孔,深径比可达18,而不采用摇动时在同样厚度的不锈钢板上加工出的盲孔深孔深度只有1.33 mm[10]。

2 大深径比微细孔加工

针对微细电火花加工大深径比微细孔这一技术难题,本文提出在传统微细电火花加工方法的基础上,将超声波振动与摇动相结合,即在工件上加载高频超声波振动,同时摇动电极,利用卧式电火花加工装置,在3.5 mm厚的不锈钢板上进行微细孔加工试验,加工参数见表1。

表1 加工参数

为了证明本文提出的新方法的有效性,设计了加工参数相同的另外3组试验:①传统的微细电火花加工方法——既没有超声波振动辅助,也没有电极摇动;②只有电极摇动、工件上不加载超声波振动的方法;③只在工件上加载超声波振动、没有电极摇动的方法。每组试验中,通过移动工作台将一定直径和长度的电极移动到工件表面附近,在工件和电极两极间加载10 V直流电压,探测工件表面,设置加工起点;在异于加工点的位置设置一基准点,加工前后两次探测基准点得到的Z坐标的差异即为电极的损耗长度。加工结束后,用超声波清理器清洗工件和电极,并在显微镜下测量清洗后的电极直径及加工出的孔的直径。

3 试验结果及分析

采用上述试验方案,得到4种不同加工方法的电极进给随加工时间的变化曲线(图1)。从图中可看出,传统的微细电火花加工方法加工到一定深度后加工速度明显下降,无法继续进给。采用电极摇动时的初始进给速度(36 μm/min)相对传统加工方法(48.2 μm/min)小,但当电极进给到 1.8 mm后,进给速度为20 μm/min,此时传统加工方法只有13.8 μm/min。这是由于电极摇动使工具电极和工件之间间隙不断变化,加工过程中产生的气泡和加工屑更易从加工区排出,有利于加工继续进行。但当电极进给到2.9 mm后,进给速度明显下降,仅为5.8 μm/min,继续加工变得非常困难。

图1 电极进给随加工时间的变化曲线

电极不作摇动运动,在工件上加载高频超声振动后,电极初始进给速度大幅提高,达到 62.7 μm/min。这是因为加载超声波振动后,工件和电极之间狭窄间隙内的工作液快速运动,改变了工作液与孔内壁、工作液与电极表面的接触角,即所谓的超声波振动的“润湿效应”,同时减弱了工作液与气泡之间的边界条件[11,12],使间隙内工作液的粘性阻力下降,气泡易破裂,加工屑也更易从间隙内排出,从而使加工速度加快,效率提高。当电极进给到 2.9 mm 以后,进给速度下降到14.3 μm/min,加工变得困难。

从图1可看出,无论是单独加载超声波振动的方法,还是单独的电极摇动方法,电极都无法进给到3.4 mm以上,这说明单纯的超声波振动和电极摇动方法在加工微细深孔时存在一定的局限性。

为了获得大深径比的微细孔,本文提出采用电极摇动的同时,在工件上加载高频超声波振动的新方法。电极摇动使工件和电极之间的间隙分布不均,超声振动的“润湿”作用进一步使间隙内的工作液粘性阻力下降,在二者的共同作用下,电极进给速度明显加快。利用这一方法,采用表1的加工参数,成功地在3.5 mm厚的不锈钢板上加工出通孔(图2),孔的入口及出口直径分别为139 μm 和102 μm。

图2 加工出的通孔

虽然微细电火花加工中工具电极和工件之间没有直接的机械接触,但实际放电加工过程中,加工力并不为0[13]。力的作用使细长的电极产生弯曲变形,同时由于工作液的流动、气泡的排出等因素,使电极末端的运动情况非常复杂,导致孔的入口和出口呈现非圆形。试验中电极总进给为6.97 mm,电极损耗长度为3.289 mm,总平均进给速度达到67.8 μm/min。图3是加工后的电极,其直径为61.8 μm。

图3 加工后的电极

4种不同加工方法的加工性能指标对比见图4～图7。从图4可看出,工件上加载超声波振动后,材料去除速度明显加快;相同加工条件下,采用电极摇动时,无论工件上是否加载超声波振动,材料去除速度均减小。这是因为电极摇动时加工轨迹有重叠部分,实际加工面积大于电极的横截面积,由于“面积效应”,使加工效率降低。4种方法中,只在工件上加载超声波振动时的材料去除速度最快,这充分说明了超声波振动辅助可明显提高微细深孔的加工效率。在通孔加工中,随着电极进给深度的增加,气泡及加工屑的排出变得困难,材料去除速度减缓,加工过程变得平缓。

图5是不同加工方法下的电极体积相对损耗率(TWR)的对比情况。从图中可看出,工件上加载超声波振动时的TWR比传统方法时小;电极摇动时的TWR比传统加工方法及加载超声波振动时均大,这可能是由于加工时间(158 min)太长以及“面积效应”的作用引起的。

当微细孔加工到一定深度后,放电间隙的流体粘性阻力急剧增大,气泡和加工屑排出困难,易产生拉弧、短路等不正常放电,使电极损耗进一步增大。4组试验中,电极摇动的同时工件加载超声波振动加工出的微细孔深径比最大,同时电极损耗率也最大。这说明随着微细孔加工深度的增加,电极损耗急剧增加,也从侧面反映了大深径比微细孔的加工难度之大。

图6是相同加工参数、不同加工方法下的放电间隙变化。这里的放电间隙是指加工后孔的直径与电极直径差的二分之一,而与电极是否摇动无关。从图中可看出,放电间隙一般在27～34 μm,与先前文献中的数据接近[10],也可看出电极摇动对放电间隙几乎没有影响。

图4 材料去除速度对比

图5 电极的体积相对损耗率对比

图6 放电间隙对比

图7 深径比对比

图7是4种不同加工方法得到的微细孔深径比。传统加工方法加工出的微细孔深径比只有14.7,当只有电极摇动时加工出孔的深径比为16.9,而只有超声波振动时加工出微细孔的深径比为20.1。这说明电极摇动和超声波振动辅助都有助于提高微细孔的深径比,也说明超声波振动产生的“润湿效应”相对电极摇动而言,更有利于大深径比微细孔的加工。将超声波振动辅助与电极摇动二者结合起来时,加工出的微细孔深径比达到29,实现了大深径比微细孔的加工。

4 结论

针对大深径比微细孔加工这一难题,本文提出采用电极摇动的同时,在工件上加载超声波振动的新方法,既利用了超声波振动的“润湿”作用,又利用了电极摇动,使工具电极和工件之间的间隙不断变化,加工过程中产生的气泡和加工屑更易从加工区排出,加工出了平均直径为120 μm的通孔,深径比达29,实现了难加工材料微细孔的超声波振动辅助电火花加工。

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