微細(xì)倒錐孔在線加工參數(shù)調(diào)控的電火花加工工藝

周 凱,胡瑞欽,李 勇

(清華大學(xué)制造工程研究所摩擦學(xué)國家重點實驗室,北京100084)

電火花加工利用工具電極與工件之間的脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時高溫對工件材料進(jìn)行熔化甚至氣化,以達(dá)到對工件進(jìn)行局部蝕除的目的。微細(xì)電火花加工具有非接觸加工、與加工材料硬度無關(guān)等優(yōu)點[1],近年來在實用化方面取得了長足的進(jìn)展。

微細(xì)電火花加工目前已被應(yīng)用于柴油發(fā)動機噴油嘴噴孔的加工。相關(guān)研究表明,倒錐形噴孔具有更高的流量系數(shù)以及更好的噴霧效果[2-3],因此,如何利用微細(xì)電火花加工方法實現(xiàn)倒錐孔的加工受到研究者的關(guān)注。Diver[4]、Cusanelli[5]等利用機構(gòu)使電極偏擺,即電極旋轉(zhuǎn)且電極軸向與電極整體的旋轉(zhuǎn)方向偏離一定角度,從而加工出具有一定錐度的倒錐孔。這種方法的成形精度較高,但與常規(guī)電火花加工相比,需要附加電極偏擺機構(gòu);Kao等[6]提出了一種反轉(zhuǎn)極性的加工方法,即首先采用正極性加工一定深度,而后反轉(zhuǎn)極性,使因加工損耗而變尖的電極端部變鈍,之后再次恢復(fù)正極性,同時提高放電能量完成通孔加工。這種方法不需要附加機構(gòu),易于實現(xiàn)。但缺乏進(jìn)一步對提高能量形成倒錐的機制以及提高加工能量的時機選擇的工藝研究。

本文研究一種微細(xì)倒錐孔在線加工參數(shù)調(diào)控的電火花加工工藝,利用微細(xì)孔電火花加工中觀測到的“腰鼓”現(xiàn)象及其作用機理,通過在線調(diào)節(jié)電參數(shù)獲得倒錐孔。對影響倒錐孔形狀的加工參數(shù)進(jìn)行實驗研究,得到倒錐形噴孔的加工效果。

1 “腰鼓”現(xiàn)象

在前期的實驗研究中,以恒定電參數(shù)進(jìn)行普通直孔的電火花加工。當(dāng)被加工工件為1 mm厚18CrNi8鋼片,工具電極為直徑 121 μm鎢絲,加工電壓 160 V,脈沖寬度 5 μ s,脈沖間隔 10 μ s時 ,加工得到的微細(xì)孔出入口孔徑在175～180 μm范圍內(nèi)。

為了解電火花加工得到的微細(xì)孔孔徑沿深度方向的截面尺寸變化,本研究采用高分子材料通過脫模方法得到了微細(xì)孔內(nèi)部的模型[7],從而可以間接對孔內(nèi)部的形狀尺寸進(jìn)行觀測。觀測發(fā)現(xiàn),所加工的微細(xì)孔普遍呈中間孔徑大,兩端孔徑小的“腰鼓”形狀。典型“腰鼓”形微細(xì)孔的脫模模型如圖1所示,從孔加工入口到出口,孔徑先增大,在接近出口處減小,內(nèi)部最大孔徑超過入口孔徑10 μm以上。

圖1 典型“腰鼓”形微細(xì)孔脫模模型

對于“腰鼓”現(xiàn)象,初步的解釋如圖2所示。電火花加工產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物具有導(dǎo)電性;隨著孔加工的深入,加工產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物難以排出,在孔底部積累增多,增大了放電作用范圍,所以在加工前半段,孔徑逐漸變大;在工件臨近被貫穿時,電極端部損耗變細(xì),另外孔被貫穿后,電蝕產(chǎn)物從出口順暢排出,所以在靠近出口處,孔徑收縮。

圖2 “腰鼓”現(xiàn)象產(chǎn)生示意圖

為了進(jìn)一步驗證“腰鼓”現(xiàn)象及其產(chǎn)生機理,進(jìn)行了如圖3所示的工件底部封堵的孔加工實驗。被加工工件仍為1 mm厚18CrNi8鋼片,其底部與另一塊鋼材表面貼合,其余加工條件與前述孔加工相同。按照以上“腰鼓”現(xiàn)象原理,1 mm厚的工件被貫穿后,由于底部鋼材的封堵作用,電蝕產(chǎn)物不能排出,電極繼續(xù)向下伺服加工,工件片的加工出口孔徑將會變大,工件片上的通孔將呈入口小、出口大的倒錐形。

圖3 工件片底部封堵孔加工實驗

加工中電極從工件片上表面開始向下伺服進(jìn)給2.2 mm深,得到1 mm厚工件片的入口、出口照片(圖4)。測量得到入口孔徑 183 μm,出口孔徑214 μm,出入口孔徑相差 31 μm,呈明顯倒錐形。從而證實了“腰鼓”現(xiàn)象的存在,并顯示出上述對“腰鼓”現(xiàn)象解釋的合理性。

圖4 工件底部封堵孔加工實驗結(jié)果

2 工藝方法

上述“腰鼓”現(xiàn)象表明,常規(guī)的電火花加工得到的孔,從入口開始的一大部分已經(jīng)自然產(chǎn)生了孔徑逐漸變大的趨勢,僅在孔出口附近孔徑收縮。因此,要想加工出孔徑從入口到出口逐漸變大的倒錐孔,只需在保持前面已有倒錐形趨勢的基礎(chǔ)上,增加孔出口處的蝕除量,增大出口附近的孔徑,即可得到完整的倒錐孔。

基于以上考慮,研究了如圖5所示的一種在線調(diào)節(jié)電參數(shù)的倒錐孔電火花加工工藝。先以恒定電參數(shù)向下進(jìn)行孔加工,在孔即將被貫穿時,通過在線調(diào)節(jié)電參數(shù)增大放電能量,由于電蝕產(chǎn)物積累在孔底部,因此孔底部位置優(yōu)先放電,孔徑被擴大。在孔被貫穿后,電極自動伺服快速進(jìn)給,電極損耗較小、直徑較大的部分快速進(jìn)給至孔出口處,此時出口處的電蝕產(chǎn)物還未完全排出,出口處優(yōu)先放電,更大的電極直徑加上增大的放電能量使出口處孔徑進(jìn)一步擴大,而前段已有的倒錐形趨勢也得到保持,這樣加工得到的孔即為倒錐形。

圖5 倒錐孔加工示意

3 加工參數(shù)對孔加工的影響

為了解主要加工參數(shù)對微細(xì)孔孔徑和加工過程的影響,以利于倒錐孔加工中參數(shù)的選擇,本節(jié)首先進(jìn)行常規(guī)孔加工實驗。實驗所用電極為直徑120μm鎢絲,工件為1 mm厚的18CrNi8合金鋼片。實驗研究了開路電壓、放電電容以及進(jìn)給深度等加工參數(shù)對微細(xì)孔加工的影響。

3.1 開路電壓

微細(xì)電火花加工中,加工前設(shè)置的開路電壓對被加工孔徑有著直接的影響。實驗中,電極進(jìn)給深度為1.9 mm,以不同的加工開路電壓進(jìn)行常規(guī)孔加工實驗,每組參數(shù)進(jìn)行多組加工求平均值,得到孔徑隨加工電壓的變化(圖6)。隨著開路電壓的增大,出入口孔徑也隨之增大。實驗在開路電壓為160 V的情況下,出入口孔徑相差最小,正錐程度也最小。

圖6 孔徑隨加工電壓的變化

3.2 放電電容

采用等脈沖復(fù)合RC脈沖放電電源,電容值對放電能量有著直接的影響。在160 V電壓下,只改變加工間隙兩端并聯(lián)的放電電容,得到孔徑隨放電電容的變化見圖7。隨著放電電容的增大,所加工通孔入口直徑增加,出口直徑變化不明顯。采用小電容可直接得到倒錐孔。但由于電容值降低導(dǎo)致單次脈沖放電能量的減小,易導(dǎo)致過低的加工效率。而采用過大的電容雖然會提高加工速度,但加工表面質(zhì)量較差,且不利于倒錐孔的形成。因此放電電容選擇10 nF左右為宜。

圖7 孔徑隨放電電容的變化

3.3 進(jìn)給深度

在微細(xì)電火花加工過程中,電極絲因加工損耗而長度減少、端部變尖。如果不考慮這些損耗而僅將電極絲端部進(jìn)給至工件底面,則不能獲得通孔。如果只是采用少量的過進(jìn)給,所獲得的通孔出口將遠(yuǎn)小于入口。實驗選擇進(jìn)給深度范圍為1.5～2.9 mm,研究進(jìn)給深度對孔形的影響。采用直徑120 μm電極絲,加工前將電極絲端面修平,開路電壓設(shè)為160 V,加工電容為10 nF。

孔徑隨進(jìn)給深度的變化如圖8所示,在進(jìn)給深度達(dá)到2.5 mm時,出入口直徑差達(dá)到8.4 μm,之后該差值沒有明顯增大。

圖8 孔徑隨進(jìn)給深度的變化

4 倒錐孔加工實驗

從上述出入口孔徑隨開路電壓、放電電容、電極進(jìn)給深度的變化關(guān)系,綜合考慮加工速度和效率等因素,以開路電壓160 V、放電電容10 nF、電極進(jìn)給深度2.5 mm為基礎(chǔ)參數(shù),進(jìn)行變參數(shù)的倒錐孔加工實驗。

4.1 變電壓倒錐孔加工實驗

電火花加工中放電能量的改變可通過改變開路電壓、放電電容、脈沖參數(shù)等實現(xiàn)。本節(jié)的變參數(shù)倒錐孔加工實驗中,可變開路電壓分為90、130、160、190 V 4檔,實驗研究電壓改變范圍、電壓改變時機對倒錐孔加工的影響。

在線調(diào)節(jié)電參數(shù)的倒錐孔電火花加工過程為:首先以恒定電參數(shù)向下進(jìn)行孔加工,在孔即將被貫穿時,開路電壓自動調(diào)節(jié)增大;孔被貫穿后,電極自動伺服快速進(jìn)給,電極直徑損耗較小的部分快速進(jìn)給至孔出口處,在殘留電蝕產(chǎn)物的作用下,出口處優(yōu)先放電,得到較大的出口孔徑。從而使腰鼓形通孔前段已有的倒錐形趨勢得到保持,最終獲得倒錐形通孔。

實驗在兩組不同的電壓組合下,研究變壓深度對出入口孔徑的影響(圖9)。伺服進(jìn)給至1.3 mm時改變加工電壓,所獲得微孔的出入口孔徑差最大,倒錐程度最顯著。對比起始電壓不同的兩組結(jié)果,圖9b起始電壓160 V的出入口孔徑的最大差值大于圖9a起始電壓130 V的。部分原因是當(dāng)開路電壓從130 V切換至190 V時,電壓升幅較大,孔入口處也發(fā)生了放電加工,造成入口孔徑的二次擴張。采用160～190 V的開路電壓范圍,在電極進(jìn)給深度到達(dá)1.3 mm時進(jìn)行電壓改變,可獲得較佳的倒錐孔效果。

圖9 變壓深度與孔形關(guān)系

采用脫模法[6]提取圖9b中變壓深度為1.3 mm時所得微細(xì)孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu),得到如圖10a所示結(jié)果,圖10b、圖10c分別為所得微細(xì)孔出、入口形貌。出入口直徑最大差值為24.4 μm,最大錐角約為1.33°。該加工條件下所得倒錐孔出入口直徑平均相差 18.6 μm,平均錐角為 1.16°,而噴油嘴倒錐噴孔要求的出入口直徑相差范圍是15～25 μm[8]。所以利用該工藝加工的倒錐孔滿足柴油發(fā)動機倒錐噴孔的加工要求。

圖10 典型加工結(jié)果的脫模形貌

4.2 工件底面覆石蠟加工工藝

微細(xì)孔電火花加工過程中,工件底面貫穿導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物排出會造成頸縮現(xiàn)象,而阻礙電蝕產(chǎn)物的排出有利于倒錐孔的形成。前述的在工件底部用鋼材封堵的加工實驗,在不改變開路電壓的情況下即加工得到了出入口直徑相差31 μm的倒錐孔。

在考慮可行的應(yīng)用前提下,本文進(jìn)一步嘗試了一種在工件底面涂覆石蠟層獲取倒錐孔的加工工藝。將石蠟層涂覆于工件底面,工件被貫穿后,底部所涂覆的石蠟層可阻礙電蝕產(chǎn)物的順暢排出。隨著電極的進(jìn)給,工件的加工出口孔徑將會變大,而石蠟在加工的高溫下也會局部融化,不會與加工電極發(fā)生機械干涉。與在線改變電參數(shù)工藝結(jié)合,可獲得倒錐程度較大的微細(xì)孔。底面涂覆石蠟層的加工工藝示意圖如圖11a所示。石蠟在47～64℃熔化,易于施加和去除。實驗加工倒錐孔的脫模結(jié)果如圖11b所示,采用覆石蠟層與變電壓結(jié)合的手段,可獲得出入口孔徑差達(dá)25 μm以上的倒錐程度較大的微細(xì)孔。

圖11 底面涂覆石蠟加工工藝

5 結(jié)論

本文基于微細(xì)孔電火花加工中觀測到的“腰鼓”現(xiàn)象,進(jìn)行了微細(xì)倒錐孔的在線加工參數(shù)調(diào)控電火花加工工藝的研究。

實驗研究了主要加工參數(shù)對孔加工的影響,得到了出入口孔徑隨開路電壓、放電電容、電極進(jìn)給深度的變化關(guān)系。采用開路電壓160 V、放電電容10 nF、電極進(jìn)給深度2.5 mm有利于倒錐孔的形成。

進(jìn)行了變電壓的倒錐孔加工實驗。在開路電壓從160 V在線調(diào)節(jié)至190 V,變壓深度1.3 mm,進(jìn)給深度2.5 mm,放電電容10 nF的條件下,實驗得到了出入口孔徑平均相差18.6 μm、平均錐角 1.16°的加工效果。

提出了工件底面覆石蠟的加工工藝。采用實驗優(yōu)化得到的加工參數(shù),與在線改變電參數(shù)工藝結(jié)合,加工得到的倒錐微孔的出入口直徑差值增加到25 μm 以上 。

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