電火花鉆斜小孔特性研究

高 清，李 鵬，徐惠宇，黃 河

（通用電氣(中國)研究開發(fā)中心有限公司，上海 201203）

噴氣式渦輪發(fā)動機的渦輪始終工作在極端條件下，這對其材料和制造工藝均提出了極苛刻的要求。目前多采用高溫合金的空心葉片，通?？諝鉁囟仍礁撸l(fā)動機燃油效率就越高，因此，空心葉片中常通以冷空氣用來降溫，使其能在更高溫度下工作。為使冷卻效果達到最佳，在葉片表面會鉆有不同角度的冷卻孔。由于電火花小孔加工精度高、加工一致性好，故目前已成為高溫高壓葉片冷卻孔不可或缺的加工技術(shù)。

針對提高電火花小孔加工的效率問題，國內(nèi)外學者進行了廣泛深入的研究。黃榮禧等介紹了以高壓純水為介質(zhì)的微細深孔高速電火花加工的原理、工藝及必備條件，通過實例說明該方法加工深細孔的長徑比可大于100，生產(chǎn)率比一般電火花小孔加工提高150倍以上[1]。朱春寶等介紹了斜向小孔的電火花加工原理及相應的工藝參數(shù)設(shè)計，并分析了該工藝方案的加工精度和生產(chǎn)效率[2]。王振龍等提出電極附加超聲振動可有效改善放電間隙中的工作液循環(huán)狀態(tài)，提高放電率，改善工件表面質(zhì)量[3]。李丹等針對電火花成形機床進行部分改造，通過增加一個壓力循環(huán)系統(tǒng)，使工具電極中噴出高壓工作液，加工效率平均提高一倍以上，且提高了加工質(zhì)量[4]。余祖元等提出在微細電火花小孔加工中，由于電極直徑很小，無法實現(xiàn)內(nèi)沖液，導致電極損耗大、加工精度低，進而提出應用平動的方法加強沖液效果，該方法可鉆出長徑比為18的孔，且既能用于圓孔加工，也能用于異形孔加工[5]；此外，還提出超聲振動加平動的方法加工小孔，該方法可鉆出長徑比為29的孔[6]。Kagaya等研究了以水作為加工介質(zhì)的電火花小孔加工技術(shù)，指出與煤油介質(zhì)相比，用水作為加工介質(zhì)在優(yōu)化的條件下沒有積碳現(xiàn)象發(fā)生，且用鎢作為工具電極可提高材料去除率、降低電極損耗[7]。Yusoff等還利用Taguchi方法優(yōu)化了電火花小孔加工的參數(shù)[8]。

由于電火花鉆斜孔在航空界應用廣泛，故對其加工效率及加工特性的研究很有必要。本文對電火花鉆斜小孔的放電過程進行了監(jiān)控，觀察了從放電開始到放電擊穿的整個過程，檢測了放電電壓、放電電流及Z軸的位移。通過觀察發(fā)現(xiàn)，鉆斜孔有其獨有的特性，在初鉆、鉆孔和擊穿階段的電壓、電流波形及Z軸位移信號也有其各自的特點；且隨著重復加工，加工速度呈增大的趨勢，本文建立了一個沖液數(shù)學模型，解釋了加工速度增大的原因。

1 電火花鉆斜小孔放電狀態(tài)

圖1是電火花鉆斜小孔示意圖?？煽闯?，鉆斜孔過程可分為3個階段：第一階段為初鉆階段，當工具電極與工件之間的距離減少到幾十微米時，水被擊穿，電子和電離相互運動，即產(chǎn)生放電通道；脈沖電源通過放電通道瞬時釋放能量，放電點和放電通道溫度急劇上升，中心溫度可達10 000℃以上；在高溫的作用下，放電點的金屬物被爆炸性熔化或氣化，金屬顆粒被拋離工件表面，工件表面產(chǎn)生一個凹坑。從開始放電到工件表面加工出一平臺，這個階段稱為初鉆階段；從加工出平臺到工件背面被鉆穿的過程為鉆孔階段；當背面擊穿后，內(nèi)沖液的水主要從背部射出，從工件背面被鉆穿到孔完全被鉆穿稱為擊穿階段。

圖1 加工過程示意圖

圖2 是在放電過程中監(jiān)測到的電壓、電流及Z軸位移信號。可看出，第一、第三階段相似，存在大量的高電壓或大電流現(xiàn)象，高電壓、零電流是開路，零電壓、大電流是典型的短路特征；而在第二階段，開路及非正常放電現(xiàn)象大大減少，以正?；鸹ǚ烹姙橹鳌腪軸位移信號來看，第一、第三階段曲線斜率低，表示加工速度慢，即Z軸進給速度慢；而第二階段曲線斜率大，表示該階段加工速度快。

圖2 放電狀態(tài)

2 電極長度對加工速度的影響

在電火花小孔加工過程中，電極損耗較大，相對損耗比往往超過100%，電極長度在加工過程中逐漸變短是不可避免的。從圖3可看出，用一根電極連續(xù)加工17個孔，隨著加工孔數(shù)量的增多，電極損耗逐漸增大，電極長度逐漸變短；隨著電極變短，加工時間呈減少的趨勢。為弄清加工速度加快的原因，在其他條件保持不變的情況下，測量了在不同電極長度下的流量變化情況（圖4），可知流量會隨著電極長度的縮短呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖3 連續(xù)加工孔的用時

圖4 流量隨電極長度的變化關(guān)系

3 沖液模型

電極長度發(fā)生變化，水頭損失也會相應地發(fā)生變化。水頭損失是指水在電極管內(nèi)流動過程中因克服水流阻力作功而損失的機械能。一般可分為沿程水頭損失hf及局部水頭損失hj兩類。某流段的總水頭損失hw為各分段的沿程水頭損失與沿程各種局部水頭損失的總和，即：

在流動局部地區(qū)，因邊界急劇改變引起流動急劇調(diào)整、消耗能量而損失的水頭是局部水頭損失。由于電極管內(nèi)是光滑的，同一根管的內(nèi)徑變化很小，在對比長電極和短電極水頭損失及其他條件都相同時，局部水頭損失可忽略不計。

在管狀電極中，水頭損失主要為沿程水頭損失，即克服沿程摩擦阻力作功而損失的水頭，它隨著流程長度的增加而增大。恒定均勻管流沿程水頭損失的達西-魏斯巴赫公式為：

式中：g 為重力加速度；d、l、v 分別為管道直徑、流段長度、斷面平均流速；λ為沿程摩阻系數(shù)?？梢?，在其他條件相同時，電極長度減小，則水頭損失減少，從而導致相同的壓力輸入，不同的壓力輸出；壓力輸出大的時候，流量會增加。

通過以上分析可看出，在電火花小孔加工中，排屑較困難，有效的沖液往往是加工效率的關(guān)鍵。當電極變短時，由于流量增大，改善了沖液條件，使排屑順暢，提高了加工效率。

4 結(jié)論

（1）電火花鉆斜小孔可分為初鉆階段、鉆孔階段和擊穿階段。其中，鉆孔階段非正常放電概率小，加工速度快，而在初鉆、擊穿階段存在大量的開路、短路狀態(tài)，加工速度慢。

（2）隨著電極的損耗，電極長度逐漸變短，加工速度呈增大的趨勢，這主要是由于隨著電極損耗，內(nèi)沖液流量增大，改善了沖液效果。

（3）在細長管電極中，沿程水頭損失是水頭損失的主要因素。在其他條件相同時，電極長度越短，沿程水頭損失越小，內(nèi)沖液流量越大。

[1] 黃榮禧，王潤倉，楊愛珍，等.微細深孔的高速電火花加工[J].機床，1983（5）：13-16.

[2] 朱春寶，何萍.閥類斜向小孔電火花加工原理及工藝參數(shù)分析[J].北方工業(yè)大學學報，1990（3）：32-36.

[3] 王振龍，遲關(guān)心，狄士春，等.鈦合金深小孔的微細超聲電火花加工技術(shù)[J].兵工學報，2000，21（4）：346-349.

[4] 李丹，王進.普通電火花成型機床加工小孔的改進方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2009（9）：80-82.

[5] Yu Zuyuan，Rajurkar K P ，Shen H.High aspect ratio and complex shaped blind micro holes by micro EDM[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2002，51 （1）：359-362.

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