電參數(shù)對(duì)電火花微深孔加工間隙的影響

李 偉，余祖元，潘籽青，于騰龍，鄒日貌，李劍中

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

電火花加工因其理論上可加工任何導(dǎo)電材料，且與材料的硬度、強(qiáng)度無關(guān)，故在機(jī)械制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。微細(xì)電火花加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃料噴油嘴等微細(xì)深孔的加工中有著獨(dú)特的優(yōu)勢。工業(yè)生產(chǎn)中大深徑比孔的加工需求，推動(dòng)了大深徑比孔加工技術(shù)的發(fā)展。余祖元等采用超聲振動(dòng)輔助電火花加工，極大地改善了排屑條件，在304不銹鋼上加工出直徑約100 μm、深徑比為29的微細(xì)孔[1]；Ferraris等通過在工具電極上涂覆絕緣層，減少了無效放電，提高了加工過程的穩(wěn)定性，加工出直徑約200 μm、深徑比為120的微細(xì)孔[2]。

電火花加工為非接觸加工，工件與電極之間不存在機(jī)械接觸力，但電火花加工過程中存在放電瞬間的爆炸力、電極與工件間的靜電力和電磁力，以及工作液流動(dòng)帶來的沖刷力等非機(jī)械力[3]。Kunieda采用分離式霍普金森桿方法測得工件與電極之間的加工力峰值可達(dá)50 N（電極直徑20 mm）[4]。在常規(guī)電火花加工中，由于電極和工件有足夠的剛度，上述加工力的存在尚不足以對(duì)加工精度造成顯著影響，但對(duì)微細(xì)加工來說則完全不同。

在電火花線切割加工中，由于電極絲直徑較?。?0 μm），Puri研究發(fā)現(xiàn)線電極絲在加工過程中的振幅可達(dá)16 μm[5]，對(duì)加工間隙的影響顯著。李劍中等研究發(fā)現(xiàn)電火花加工中的工具電極存在徑向變形，電極的變形影響加工間隙，即影響加工精度[6]；在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，直徑相同、長度不同的電極加工出的孔見圖1?？梢?，隨著電極長度逐漸變短，加工孔徑也越來越小，李劍中等從靜態(tài)彈性力學(xué)角度對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出了合理解釋。

本文則著重探索不同電參數(shù)（電壓、電容）對(duì)細(xì)長電極加工間隙的影響，即不同電參數(shù)對(duì)微細(xì)深孔加工精度的影響。

圖1 不同長度、相同直徑電極加工排孔

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自制臥式微細(xì)電火花加工機(jī)床（圖2）。采用 WEDG 方法[7]制備直徑 65±2 μm、初始長度3500±200 μm的電極，并在不同電壓和電容條件下加工深度200 μm的深孔，通過所獲得的加工間隙研究電參數(shù)對(duì)加工精度的影響。

圖2 自制臥式微細(xì)電火花加工機(jī)床

由于不同電參數(shù)條件下加工過程的放電間隙不同[8]，本文著重分析不同電參數(shù)對(duì)因電極變形而引起加工間隙變化的影響。電極較短時(shí)，電極變形較小，在1 μm內(nèi)可忽略其變形量[9]。因此，本文設(shè)定在相同參數(shù)條件下（除電極長度不同外，其他條件相同），電極較長時(shí)獲得的孔徑與電極最短時(shí)孔徑差值的一半作為因電極變形而引起的加工間隙變化Kb（已排除正常放電間隙的影響）。變換不同電參數(shù)分析加工間隙Kb的大小，可作為分析不同電參數(shù)對(duì)加工精度影響的參考。實(shí)驗(yàn)選用的電壓、電容參數(shù)及其他實(shí)驗(yàn)條件見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3～7分別是在相同電容、不同電壓條件下，不同長度的電極加工200 μm深孔獲得的加工間隙Kb；其中，每一個(gè)電容條件下的電極直徑完全相同。從圖3～圖7可看出，在相同的電容和電壓條件下，相同直徑的電極長度越長，則加工間隙Kb越大；在電容、電極直徑及長度均相同的條件下，加工電壓越大，則加工間隙Kb越大。

圖3 電容100pF時(shí)，加工電壓與加工間隙的關(guān)系

圖4 電容680pF時(shí)，加工電壓與加工間隙的關(guān)系

圖5 電容1000pF時(shí)，加工電壓與加工間隙的關(guān)系

圖6 電容3300pF時(shí)，加工電壓與加工間隙的關(guān)系

圖7 電容6800pF時(shí)，加工電壓與加工間隙的關(guān)系

圖8 是在相同電壓、不同電容條件下，采用相同直徑、不同長度的電極加工200 μm深孔所獲得的加工間隙Kb。從圖8可看出，在相同的電容、電壓條件下，采用直徑相同但長度不同的電極所獲得的加工間隙Kb隨著電極長度的增加而變大；而在電壓、電極直徑和長度均相同的條件下，加工間隙Kb隨著電容的增大呈先變小、后變大的趨勢，且在電容為1000、3300、6800pF條件下，加工間隙Kb增大的趨勢不明顯。

圖8 80V電壓條件下不同電容實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

如前所述，微細(xì)電火花加工過程中存在如靜電吸引力、電磁力、流體沖刷力、放電爆炸力等擾動(dòng)力，本文認(rèn)為電極在其長徑比較大時(shí)，其在擾動(dòng)力的作用下變形也較大，明顯影響加工精度；而在擾動(dòng)力中，放電爆炸力可能是造成微細(xì)電極變形的主要作用力。其放電過程帶有爆炸性質(zhì)，放電爆炸力可表達(dá)為[10]：

式中：P為放電爆炸力；β為定壓比熱容與定容比熱容的復(fù)雜積分 （同一材料為一常數(shù)）；ρ為工作液密度；tr為放電脈沖前沿時(shí)間；tf為放電脈沖寬度；ωl為單位放電柱長度上的能量。

根據(jù)式（1）可知，在電容不變的情況下，對(duì)于同一材料、同一工作液，其 β、ρ、tr、tf值相同，放電爆炸力P隨著單位放電柱長度上的能量的增加而增大，而放電能量隨著電壓的升高而增大，即在電容不變的條件下，放電爆炸力隨電壓升高而變大，電極的變形也隨之變大，即加工間隙Kb隨著電壓的升高而變大，這與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

然而，在電壓相同的情況下，隨著電容的增大，RC回路中的放電脈沖前沿時(shí)間tr及放電脈沖寬度tf逐漸增大，單位放電柱長度上的能量也隨之增大。由式（1）知，根式內(nèi)的分子、分母同時(shí)增大，可能出現(xiàn)隨電容增加，放電爆炸力先變小后變大或隨電容增加，放電爆炸力增加不明顯的變化趨勢，這與圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié)論

本文以相同直徑、不同長度的工具電極，在不同電壓、電容條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了電壓、電容對(duì)使用大長徑比電極的加工間隙Kb的影響，可得出如下結(jié)論：

（1）大長徑比電極在文中所述擾動(dòng)力作用下存在變形，且變形顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際生產(chǎn)提高加工精度提供參考，也可為理論分析提供數(shù)據(jù)。

（2）在相同電極直徑和長度、相同電容條件下，加工間隙隨著電壓升高而變大，即電壓越大，對(duì)加工精度的影響越大。

（3）在相同電極直徑和長度、相同電壓條件下，加工間隙隨著電容升高先變小、后變大，且變大趨勢不明顯，電容對(duì)加工精度的影響較復(fù)雜。

（4）使電極產(chǎn)生變形的擾動(dòng)力中，放電爆炸力可能是主要因素。

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