鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料超大深徑比超深小孔的加工（下）

北京易通電加工技術(shù)研究所 （102629） 馬名峻

5. 液體成膜電火花小孔機(jī)專用工作液拓展應(yīng)用的效果

在超深小孔加工以外的大量拓展應(yīng)用試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種工作液有如下特點(diǎn)：

（1）這種液體成膜的工作液，由于對(duì)電極管的側(cè)面保護(hù)作用明顯，電極管端部呈平頭低損耗，不形成電極管錐形損耗（見圖5）。在對(duì)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及火焰筒冷卻氣膜孔加工試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電極透穿量不超過1/2管徑即達(dá)孔徑要求，因此不會(huì)損傷零件狹窄內(nèi)腔結(jié)構(gòu)（見圖6a、圖7），不用經(jīng)常修切電極。在沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司所進(jìn)行的相關(guān)生產(chǎn)試驗(yàn)證明，加工試驗(yàn)電極確實(shí)呈平頭低損耗，平均電極長度損耗低于使用純水加工的50%。

圖5 電極形成尖頭損耗（純水加工）

圖6 火焰筒氣膜孔

圖7 渦輪葉片氣膜孔

對(duì)于一般使用電火花穿孔加工產(chǎn)生的孔壁變質(zhì)層（重熔層、再鑄層）來說，使用這種液體成膜的工作液，由于孔壁鈍化膜的絕緣作用，基本消除了電極管與孔壁之間的二次放電現(xiàn)象，同時(shí)具有細(xì)化放電產(chǎn)物顆粒的作用，可以有效減小變質(zhì)層的厚度。在沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司所進(jìn)行的相關(guān)生產(chǎn)試驗(yàn)，對(duì)比測(cè)試表明：采用純水加工的高溫合金小孔孔壁變質(zhì)層顯微裂紋平均厚度在0.02～0.03mm，而在相同工作條件下，采用易通液體成膜工作液加工的高溫合金（GH4169）φ0.45mm小孔孔壁再鑄層測(cè)試結(jié)果顯示，其厚度平均值為0.003mm。具體測(cè)試如下：

使用的設(shè)備是蘇州電加工機(jī)床研究所生產(chǎn)的多軸數(shù)控電火花高速小孔機(jī)SEGK020；電參數(shù)設(shè)置為脈寬12μs、脈間24μs、電流7A及電容0.25μF。測(cè)試結(jié)果：再鑄層厚度最大0.006mm，平均最大0.003mm，表面不規(guī)則度0.005mm，未見晶間腐蝕、局部腐蝕、起弧、裂隙、脫離、斷續(xù)小珠、砂眼及熱影響區(qū)等。

（2）電火花高速小孔機(jī)一般使用純水或自來水做工作液，電極長度損耗為100%～150%；而使用這種工作液，加工不同材料深小孔，電極管長度損耗僅為10%～50%，加工純鎢材料超深細(xì)針孔時(shí)，電極管長度損耗僅為5%。在沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司所進(jìn)行的相關(guān)生產(chǎn)試驗(yàn)，對(duì)比測(cè)試表明：采用純水加工的高溫合金小孔單孔時(shí)間，比在相同工作條件下，采用液體成膜工作液加工的高溫合金小孔單孔加工時(shí)間長約一倍。

（3）使用這種液體成膜的工作液，產(chǎn)生的孔壁鈍化膜確保電極管端面集中放電、電流密度高，在電火花高速小孔機(jī)上對(duì)比使用相同電參數(shù)。實(shí)例表明，由于孔壁絕緣導(dǎo)致的加工穩(wěn)定性提高和電極損耗大幅降低，而使群孔密集孔的加工效率提高、電極損耗明顯降低。采用三軸數(shù)控電火花小孔機(jī)的群孔加工實(shí)踐表明，原機(jī)加工某型模具小孔矩陣，10 000孔/件，GrWMn淬火鋼厚度6mm，平均效率為400孔/h，25～26h/件，使用電極數(shù)量為：使用自來水做工作液時(shí)，每支電極加工32孔，平均需要313支電極管；使用液體成膜工作液時(shí)，每支電極加工66孔，平均需要152支電極管。兩相比較每件工件凈節(jié)約106元。這些不包括減少更換電極數(shù)量節(jié)省的工時(shí)數(shù)、因加工效率提高、工時(shí)費(fèi)用降低所節(jié)約的成本及由于小孔入口質(zhì)量提高而減少的鉗工修光工時(shí)等費(fèi)用。據(jù)初步測(cè)算，采用這種工作液可以至少提高30%～60%的綜合能效。

（4）使用這種液體成膜的工作液可以一次性加工成形小圓角平底孔，可以不再使用電火花成形機(jī)床對(duì)常見錐孔進(jìn)行修整，提高了加工效率。且加工一般小孔入口處呈小圓角，不會(huì)產(chǎn)生常見的翻邊毛刺。

（5）工作液可以循環(huán)過濾后重復(fù)使用，不降低使用效能，使用期長達(dá)1 500h。所以，只需一次性沖兌用水和少量熱蒸發(fā)的補(bǔ)充用水，對(duì)比一般小孔機(jī)一次性排放使用，可節(jié)約大量用水，且利于環(huán)保和放電產(chǎn)物回收利用。但對(duì)于加工消耗工作液極少的φ1mm以下深小孔（日消耗2～4L），不建議循環(huán)使用工作液。

（6）工作液的基本構(gòu)成無磷無氮，pH值呈弱堿性，所以在正常倉儲(chǔ)使用條件下，不會(huì)使工作液發(fā)生富營養(yǎng)化、腐敗變質(zhì)。

（7）工作液的所有組分構(gòu)成無毒副作用，生物降解性好，是目前其他非環(huán)保型工作液的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

（8）液體成膜工作液由于成膜迅速、起效快，在加工初期即可構(gòu)成覆膜保護(hù)，無需事先對(duì)電極管做任何預(yù)處理工作。

6. 液體成膜電火花小孔機(jī)專用工作液使用過程中一些現(xiàn)象的探討

（1）電極平頭低損耗。這種液體成膜的工作液，由于對(duì)電極管的側(cè)面保護(hù)作用明顯，電極管端部呈平頭低損耗，不形成電極管錐形損耗及不對(duì)稱損耗。用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及火焰筒冷卻氣膜孔加工時(shí)，電極穿透不超過1/2管徑即達(dá)孔徑要求，因此不損傷零件狹窄內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，不用經(jīng)常修切電極?？梢哉f電極管端面平頭低損耗是該工作液的最大特點(diǎn)。其形成的原因除了電化學(xué)的鈍化極化原理外，其穿孔加工的特點(diǎn)也與液態(tài)成膜的特點(diǎn)相匹配，即主要成膜的孔壁方向沒有側(cè)向加工，有利于建立、保持及養(yǎng)護(hù)孔壁鈍化膜；而電極端面面對(duì)的小面積鈍化膜，正是其進(jìn)給伺服、旋轉(zhuǎn)摩擦和放電腐蝕的方向，有利于小面積鈍化膜的去除，形成類似于我國快走絲線切割原理解釋中，所謂的“疏松接觸”放電的情況。

（2）加工超深小孔的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于超深小孔來說，孔壁絕緣膜在某種程度上構(gòu)成了深孔內(nèi)部導(dǎo)向器，有利于保證深小孔的直線度，同時(shí)抑制了超長柔性電極管的徑向振動(dòng)造成的側(cè)壁放電，孔壁成形質(zhì)量好，深孔直線精度高。實(shí)際使用效果表明，同以往普通水加工深小孔對(duì)比，使用這種液體成膜工作液的明顯特點(diǎn)是，在一定電參數(shù)和加工深度情況下，加工深度越深越穩(wěn)定。

（3）電導(dǎo)率高。這種工作液屬于弱堿性多元聚合物構(gòu)成的電解質(zhì)水溶液，電導(dǎo)率高，有別于通常的純水型絕緣工作液的工作原理，通常不需要使用陰陽離子樹脂交換裝置的純水設(shè)備。這種離子導(dǎo)電型工作液的電導(dǎo)率為3 500～4 000μs/cm，相比于高純水＜0.01μs/cm、飲用純凈水5～30μs/cm及自來水500～1 000μs/cm的電導(dǎo)率來說，與某型快走絲線切割水基工作液的2 540～3 500μs/cm電導(dǎo)率相近，可以說這種工作液就是良好的“導(dǎo)體”了。如果沒有鈍化膜的存在，對(duì)于一般放電加工來說，間隙能量都會(huì)降落在電極的“四面八方”上，無法集中于加工方向。但正是這種高電導(dǎo)率的液體環(huán)境才是建立鈍化極化的基本條件，即液體成膜的基本條件。

（4）孔壁變質(zhì)層的變化。對(duì)于一般使用電火花穿孔加工產(chǎn)生的孔壁變質(zhì)層（重熔層、再鑄層）來說，使用這種液體成膜的工作液，由于孔壁鈍化膜的絕緣作用，基本消除了電極管與孔壁之間的二次放電現(xiàn)象，同時(shí)具有細(xì)化放電產(chǎn)物顆粒的作用，可以有效減小變質(zhì)層的厚度。

（5）電極低損耗原因的初步分析。電火花高速小孔機(jī)一般使用純水或自來水做工作液時(shí)，電極長度損耗為100%～150%，而使用這種工作液，加工不同材料深小孔，電極管長度損耗僅為10%～50%，尤其是對(duì)于鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料，電極長度損耗可低于10%。

分析電極損耗降低的原因有三點(diǎn)：一是由于電極側(cè)面絕緣層的建立，加工區(qū)集中于電極管的端面，潔凈工作液迅速經(jīng)過加工區(qū)，帶走放電產(chǎn)物，因此放電產(chǎn)物排屑順暢，不再經(jīng)過加工區(qū)，無二次放電的條件，因此降低了電極端面損耗；第二點(diǎn)亦是由于電極側(cè)面絕緣層的建立，加工區(qū)集中于電極管的端面，電極管側(cè)面沒有二次放電爆炸，這對(duì)工作液的流瀉通道具有強(qiáng)大的擾流阻尼作用，同時(shí)電極側(cè)面放電形成的側(cè)壁放電坑穴對(duì)回流液流具有紊流阻力，利于排屑，降低了電極損耗；第三點(diǎn)是弱堿性的電解液在加工純鎢、純鉬材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)小氣泡，亦增加了間隙的等效電阻，阻礙了側(cè)面放電的幾率，保證了電極端面放電的持續(xù)進(jìn)行。

試驗(yàn)中還觀察到這樣一個(gè)現(xiàn)象，試驗(yàn)加工φ1.1mm×28mm×160mm的陣列孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極穿透工件時(shí)，一個(gè)普通釘子形狀的細(xì)芯就會(huì)從電極管前端隨著工作液沖出來，有時(shí)出來一部分，有時(shí)整根芯子就會(huì)掉出來。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，這是一根與工件厚度相同的細(xì)芯（見圖8a），全然沒有長度損傷。在電極端部的細(xì)芯部分還有一個(gè)釘子帽狀的部分（見圖8c），這是電極管穿透工件的瞬間形成的，反映了電極管端部內(nèi)壁的圓弧倒角情況。這個(gè)實(shí)例說明了陽極保護(hù)膜“一路保護(hù)”這根細(xì)芯的全過程，也說明了保護(hù)膜對(duì)于電極的保護(hù)作用。圖8b所示為細(xì)芯另一端頭的放大照片。

（6）加工過程可能產(chǎn)生的電解產(chǎn)物問題。這種液體成膜工作液的主要作用只是承擔(dān)陽極孔壁液體成膜的任務(wù)，并不承擔(dān)孔端面電加工的功能。為此，藉以利用的鈍化膜在消除絕大部分電化學(xué)蝕除上起了根本的作用，從配方設(shè)計(jì)上也盡力消除電解質(zhì)在加工過程中的電化學(xué)蝕除，選用低濃度弱堿性有機(jī)環(huán)保型電解質(zhì)，以此減少電解產(chǎn)物的生成，達(dá)到控制不同加工材料所產(chǎn)生的不可預(yù)知的電解產(chǎn)物問題。

圖 8

但不可否認(rèn)，在極間存在電場(chǎng)的作用下，浸泡在弱堿性低濃度電解質(zhì)水溶液的電極端面形成電流通道的情況下，在電極端面的狹小區(qū)域也存在少量的電化學(xué)蝕除過程，也必然存在微量的電解產(chǎn)物。在加工碳鋼試驗(yàn)件過程中，20L工作液循環(huán)使用24h的工作液，發(fā)現(xiàn)少量油狀物漂浮在工作液表面，分析表明這是加工后產(chǎn)生的少量電解產(chǎn)物，其成分性質(zhì)不僅取決于低濃度弱堿性有機(jī)環(huán)保型電解液自身，同時(shí)也取決于加工對(duì)象的材料性質(zhì)。

（7）鈍化層的厚度分布。按經(jīng)驗(yàn)分析，鈍化層厚度分布是隨著加工時(shí)間的增加，鈍化層逐漸加厚，即鈍化層厚度是加工時(shí)間的函數(shù)，電極入口經(jīng)歷的加工時(shí)間最長、鈍化層最厚，而出口經(jīng)歷的加工時(shí)間最短、鈍化層最薄。觀察電極管側(cè)面放電痕跡可以看出，加工貫穿的電極上存在一定數(shù)量級(jí)的隨機(jī)放電痕，這些放電痕與鈍化層的分布很有關(guān)系，在出口附近鈍化層越薄、放電痕越密集；而臨近入口，幾乎就沒有放電痕的蹤跡，這里恰恰是鈍化膜最厚的地方。

7. 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料電火花超深小孔加工工藝的關(guān)鍵，是研發(fā)了一種鈍化作用強(qiáng)的低濃度電解質(zhì)環(huán)保水溶液，最終解決了鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料電火花超深小孔加工的工藝問題。加工過程的“液體成膜、端部集中放電”和電極“平頭低損耗”是其顯著特點(diǎn)。 （全文完）