大长径比异形深孔电熔爆加工工具电极的设计

刘军强,吴伏家,康 盼,王 帅

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

随着机械制造业的发展，产品更新换代频繁，具有特殊用途的大长径比异形深孔在现代深孔领域随处可见，在诸如远距离传输介质、能量、信息等方面发挥着不可替代的作用[1]。但传统深孔加工是以工件和刀具之间的相对螺旋运动为基础的被加工材料的余量剥离过程，加工出的孔型基本上是以圆形截面为主，对复杂异形面加工显得无能为力[2];针对异形截面深孔加工，有许多特种加工技术应用于异形深孔加工中，如:电火花加工、电解加工、激光加工等，起到了对传统异形深孔加工技术空白部分的补充作用[3]，但上述方法加工成本高和效率低在一定程度上对其应用范围形成了限制。电熔爆加工是利用正负电极间等离子弧放电的电热效应去除材料的一种特种加工技术，具有适应性广、加工效率高、节约能源且结构简单等优点。

文中针对高硬度材料大长径比异形截面深孔加工，提出了采用传统机械钻削加工与电熔爆特种加工相结合的加工方法，即根据深孔加工机理设计电熔爆工具电极，应用深孔机床作为实现电熔爆加工的载体。以某大长径比异形截面孔的加工为例，通过加工难点分析，基于深孔加工刀具工作机理，提出了工具电极结构设计方案。

1 深孔加工原理及分析

深孔加工是刀具在密闭有限的空间内实现大量材料去除的过程，因而存在着有限通道排屑、工艺系统刚度不足和极限空间散热的问题[4]，深孔刀具在结构上正是针对这些问题，采用空心或缺口刀体排屑，刀头上的导向条以及加工孔壁为导向保证直线度，通过封闭内部通道供高压切削液实现切削区冷却润滑和辅助排屑。深孔刀具的以上结构可以为电熔爆加工工具电极结构设计提供参考。

某一长距传输流体的异形孔零件，异形孔截面如图1所示，零件长度8 000 mm，工件外部为不规则几何形状，待加工内孔为上下大小不同的两半椭圆孔，零件材料为铍青铜，其硬度为HRC40，内孔表面粗糙度Ra≤12.5 μm，加工直线度≤3 mm·m-1，长径比为200。加工难点如下：① 截面形状复杂。孔的几何形状为上下两半椭圆型孔，大径相同(40 mm)，小径分别为7 mm和14 mm。要保证其孔型特征，需设计与孔型一致的工具电极，以保证异形孔的几何形状特征。② 长径比大。孔的长径比超过180，有较高的加工直线度要求。由于刀杆系统自身刚度有限，要保证孔轴线的直线度，必须增加可靠的工具自导向装置。③ 长度大。孔径有限，加工过程中排屑困难[5]，因此在工具电极上增加排屑通道，并有辅助排屑方案。④ 材料去除量大。需要高材料去除率的加工方法，加工区散热条件差，要增加快速冷却系统。

图1 异形深孔零件截面图

2 工具电极设计

为了解决加工过程中工具的自导向问题，有效实现异形深孔加工，先用机械加工方式实现圆孔加工，然后采用电熔爆加工扩出异形孔的加工工艺。已加工出的圆形截面孔作为电熔爆加工中工具电极的导向孔。加工利用现有的深孔加工机床，在内排屑机床上刀头与工具电极连接，实现加工。异形孔截面的成形加工采用旋转电极脉冲放电的方式去除材料，电极还应具备自导向功能，同时增加冷却与排屑通道。

3 旋转电极结构分析

3.1 整体结构

根据异形深孔孔型上下几何结构不同，该异形深孔旋转电极包含上旋转电极和下旋转电极，上、下旋转电极旋转部分各不相同，其余部分均相同，以上旋转电极为例，旋转电极整体结构如图2所示。

旋转电极采用内排屑方式，主要由导向条、连接孔、连接销体、旋转部分、电极框体、平面体、连接体、排屑通道等组成。根据异形深孔孔型特征，旋转部分为半椭圆面，上、下旋转部分大小不同，旋转叶片之间均匀相隔30°，各个旋转叶片之间相隔部分为排屑通道，中间设有连接孔，采用过盈配合的方式使连接销体与电极框体相连接于电极框架凹槽内;电极框架中间设有上下贯通的内排屑通道，前端设有4根周向均匀相隔90°的导向条，中部开有框架凹槽，凹槽中间开有使电极连接段通过的连接孔，框体后部为平面体，平面上设置有绝缘层，可有效防止二次放电，保证加工质量;圆柱形连接销体的长度应足以穿过电极旋转部分和电极框架部分，销体的大小应比电极旋转部分和电极框体部分通孔大小略大0.01～0.02 mm;旋转电极后端部为连接体，设有内螺纹与刀杆相连接。

1—导向条;2—连接孔;3—连接销体;4—旋转部分;5—电极框体;6—平面体;7—连接体;8—排屑通道。

异形深孔截面几何形状不规则，为上下大小不同两半椭圆，大径相同(40 mm)，小径分别为14 mm和7 mm。为保证其孔型特征，提高加工效率，采用旋转式结构，根据异形深孔孔型上下几何结构不同，该异形深孔旋转电极包含上旋转电极和下旋转电极，上、下旋转电极为半椭圆形结构，大径即为异形深孔大径，上旋转电极小径为14 mm,下旋转电极小径为7 mm，旋转叶片之间相隔30°，如图3所示。

图3 上下旋转电极旋转结构图

3.2 导向分析

设计合理的导向装置是旋转电极的关键，特别是在直线度要求较高的深孔零件，在加工大长径比异形孔零件时，由于旋转电极在工作中要承受一定的轴向力、径向力、摩擦力、挤压力等，合理的布置导向条实现异形孔的高质量、高精度加工尤为重要[6]。

因电极应用于大长径比零件中，在电极设计中采用前端多排导向条导向，保证在加工中始终有精确的自导向，有效平衡受力，保证加工效率，实现平稳加工。

导向条的设置采取径向合力作用在各个导向条上单位面积的压力最小，且导向条承受的压力大致相等的原则，以保证加工中的稳定钻削和导向条之间磨损均匀[7]。导向条的设计不应太长或过短，根据导向条长度设计原则，确定长度为12 mm，导向条宽度以不破坏导向条与工件之间的润滑油膜为准，保证导向条与孔壁始终处于滑动摩擦状态，取导向条宽度为0.5 mm,旋转电极导向条的轴向设计上，导向条不能超前于电极框体的前端，否则会加快导向条的磨损;导向条与电极框体前端的滞后量不能太大，根据电极的总体结构确定导向条位于距电极前端为0.8 mm处;为了利于油膜的形成，导向条要进行倒棱。导向条尺寸结构如图4所示。

图4 导向条尺寸结构

3.3 冷却、排屑及加工区的绝缘

加工时采用深孔加工机床的冷却系统，由于电熔爆加工单次去除量大，加工时爆离的屑体需要得到及时的冷却并排出体外，应采用冷却性较好、黏度较低的冷却液[8]，经选择采用乳化液。

异形深孔长径比大，电极上需增加用于冷却液和排屑的通道及结构，以应对难排屑、冷却不及时等问题。旋转电极采用内排屑的方法，叶片式旋转结构之间的间隔为排屑通道，通过旋转叶片的转动可以把从被加工工件上蚀除的屑体通过叶片之间的间隙带出体外，同时也保证了及时的冷却。

旋转电极工作时通过封闭内部通道供高压切削液实现切削区冷却润滑和辅助排屑。旋转电极采用高压冷却液来推动旋转叶片的转动，工作中刀杆通过授油器并与授油器后端采用骨架及O型圈进行密封，可在工件与授油器之间形成密闭空间，提供带有一定压力切削液的输入输出，保证了旋转叶片的转动。

电熔爆是利用正负电极间等离子弧放电的电热效应去除材料的一种特种加工技术。在加工中会产生二次放电而影响加工质量[9]。

为了杜绝二次放电，在电极的后端框架的平面体上需有绝缘层，绝缘层的设计不应过厚或过薄，过厚会加大摩擦，影响加工，过薄则起不了绝缘作用;绝缘层的设计应在不妨碍工作的前提下起到绝缘作用。根据设计原则，喷涂0.2 mm厚的用于绝缘、耐高温的陶瓷层，以有效防止二次放电，保证孔的加工质量。

3.4 加工实验分析

构建大长径比异形截面孔加工实验装置如图5所示，旋转电极末端采用深孔刀具夹持结构，将其安装在深孔机床的后装置上，用以替代刀头，采用螺纹连接方式与BTA刀具的刀杆连接，工件固定、辅助排屑油压系统均利用深孔机床已有装置进行加工实验。

通过加工实验验证，对于大长径比异形深孔加工采取先用机械加工方式实现圆孔加工，然后采用电熔爆加工扩出异形孔的加工工艺，可以满足异形深孔加工需求。设计开发的内排屑异形深孔旋转加工电极，加大了排屑、冷却效果，具有自导向功能，加工过程中材料去除率可达0.6 g·s-1，加工过程较稳定。一次加工后，孔表面粗糙度Ra≤12.5 μm，直线度≤3 mm·m-1，符合异形深孔加工质量要求，可以应对异形深孔的扩孔加工，且电极结构简单，加工制造方便，可有效解决异形深孔扩孔加工。

图5 实验装置

4 结 论

通过对异形深孔零件特点及加工难点分析，提出采用深孔机械加工与电熔爆加工结合的方法并应用深孔刀具设计方法对工具电极进行结构设计，应用深孔加工机床的结构，将BTA刀具的刀头用工具电极替代，并开发了具有自导向、且能够连续自动冷却内排屑功能的加工工具电极，实现了工件材料硬度为HRC40、长度为8 000 mm、长径比为200的某零件异形深孔的加工。加工过程能够保证加工零件的几何形状、加工质量要求，有效提高了加工效率，降低加工成本，并拓宽电熔爆加工技术的应用范围。