電火花深小孔加工的實驗探析

錢志芳

（無錫機電高等職業(yè)技術學校，江蘇 無錫 214028）

電火花深小孔加工的實驗探析

錢志芳

（無錫機電高等職業(yè)技術學校，江蘇 無錫 214028）

小孔加工一直以來是加工中的難點，電火花技術以其加工無宏觀力、不受工件強度硬度限制等優(yōu)勢，在微孔、小孔加工領域成為重要手段之一。文章將通過實驗分析，探究工作液介質的流體特性對深小孔電火花加工速度的影響，研究了棒狀電極在不同旋轉速度下，加工時間隨加工深度的變化。實驗的結果表明，在特定轉速范圍內加工效率最高，低于或者高于這個轉速，加工效率都會下降。理論分析表明，電極旋轉會使底部的電蝕顆粒懸浮并向側面移動，但轉速過大會使側面間隙中的電蝕顆粒向電極碰撞而降低加工效率。理論分析定性地解釋了實驗結果。

電火花加工；深小孔；旋轉電極

孔加工歷來是機械制造業(yè)中被人們關注的問題之一?？准庸な菣C械加工中所占比例較大的一種重要加工工序。據(jù)統(tǒng)計，孔加工約占機械加工總量的三分之一。機械方法加工小孔時，要求主軸轉速達到20000r/min，進給速度為200mm/min，需用金剛石鉆頭，并且只能加工深徑比小于20：1的孔。隨著航天航空電子、動力機械、儀器儀表、化學纖維、自動控制及醫(yī)療器械等科學技術和工業(yè)生產的發(fā)展，微、小孔及微細深孔的應用日趨廣泛。例如，噴油嘴、自控元件、過濾器、汽化器鐘表元件以及打印機打印頭等。深小孔的加工成為機械制造業(yè)中被人們關注的問題之一。一般認為，小孔的直徑范圍為3～0.1mm，微孔為小于0.1mm的孔，深孔為孔的深度與直徑之比（深徑比）大于10以上的孔為小孔、微孔和深孔。小孔加工在工藝上被認為是最困難的，特別是深小孔的加工為最難。電火花加工小孔的方法常用于難切削金屬材料的加工中，它在生產率、成本、精度和深徑比等方面有一定的優(yōu)勢。因而深小孔高速電火花加工技術的研究工作需要迅速開展。

電火花加工是在一定的加工介質中，通過工具電極和工件電極（正、負電極）之間的脈沖性火花放電的電蝕現(xiàn)象對材料進行加工。而電蝕現(xiàn)象的主要原理是：電火花通道中瞬時產生大量的熱，達到很高的溫度，足以使任何金屬材料局部融化、汽化而被蝕除掉，形成放電凹坑。放電是一個極為復雜的過程，要利用這種原理對零件進行加工，必須創(chuàng)造一個適宜放電的環(huán)境，并對有關參數(shù)進行定量控制，以達到對零件的尺寸、形狀及表面質量預定的加工要求。

在電火花小孔加工中，為了提高加工的穩(wěn)定性、加工效率、表面質量和形位精度，經常采用了旋轉電極和中孔沖抽油的加工方式。電極旋轉與沖抽油配合使用可得到較好的加工效果。電火花高速深小孔加工是近年來新發(fā)展起來的一項先進制造技術。其原理是在作回轉運動的中空的管狀電極中通高壓工作液，沖走加工屑，同時保持以高電流密度連續(xù)正常放電。電極作回轉運動可使電極端面損耗均勻，不致受高壓、高速工作液的反作用力而偏斜，電火花高速深小孔加工原理圖如圖1所示。由于高壓工作液能迅速將電極產物排除，且能強化火花放電的蝕除作用，因此，這一加工方法的最大特點是加工速度高，一般小孔加工速度可達20～60mm/min，比普通鉆削小孔的速度還要快。這種加工方法最適合加工直徑0.3～3mm的小孔，而且可加工深孔（深徑比可超過100）、加工的孔形尺寸比較穩(wěn)定、圓度好、錐度小。但它一般只能加工直徑0.3～3.0mm的孔，加工的表面粗糙度值也較大。

圖1 電火花高速深小孔加工原理圖

下面以實驗的方式來分析電火花深小孔的加工情況：

1 實驗目的

研究圓柱電極在不同轉速下加工深小孔所需時間，對比相同電極在有無轉速下的加工時間對比。觀察旋轉電極是否在加工效率方面占有優(yōu)勢。本實驗采用棒狀電極。用普通車床將φ4mm的紫銅棒如圖2的棒狀電極：

圖2 圓柱電極

2 實驗裝置和實驗條件

實驗采用DB703電火花穿孔機床，考慮到紫銅材料的特性及普通機加工的能力，采用φ4mm的棒狀電極。雖然電極尺寸較大，不屬于小孔范圍，但加工采用了微細電參數(shù)，如表1所示。在微細電參數(shù)下，放電間隙狹小，對于文章的研究對象——間隙流場而言，與微小孔加工情況一致。在1Cr8Ni9Ti不銹鋼工件上加工深度為20mm的小孔，之所以深徑比只有5，是考慮到實驗時間太長，所以本實驗采用惡劣的條件，沒有退刀，加速了電火花深小孔加工出現(xiàn)的瓶頸現(xiàn)象。圖3為實驗裝置的示意圖。不銹鋼工件通過夾具安裝在工作臺面上。圖4、圖5、圖6、圖7給出了實驗裝置的實物圖。

表1 放電參數(shù)表

圖3 實驗裝置示意圖

本實驗用到的儀器設備有以下：①三維數(shù)字測量儀1臺；②DB703電火花穿孔機床1臺；③杠桿表1臺；④LS103F冷水機1臺。

圖4 冷水機

圖5 DB703電火花穿孔機床

圖6 三維數(shù)字測量儀

圖7 杠桿表

整個系列實驗是在敞開環(huán)境，主軸無回退，同時利用冷水機使工作循環(huán)液保持在16℃左右的恒溫狀態(tài)。

3 實驗結果

實驗過程中以加工0.1mm深度為一個單位記錄時間，在不銹鋼工件上加工20mm深度的小孔。利用得到的加工時間數(shù)據(jù)，生成加工曲線圖。改變主軸的旋轉速度，重復上面過程，得到不同轉速下的加工深度與加工總時間的曲線圖，如圖8所示。

圖8 不同轉速下的加工深度與加工總時間的曲線圖

可以看出，加工的總時間隨著電極轉速的增加出現(xiàn)先減后增的情況，當達50r/min轉速時，消耗的總時間最少，在此之后加工總時間反而隨著轉速的增加而增加。圖9為電極轉速變化與加工總時間的關系曲線。

圖9 加工總時間和電極轉速的關系圖

4 結語

結合仿真與實驗，可以得到如下結論：

（1）電火花加工深小孔時，電極旋轉能改變工作液的流場，在間隙間形成梯度較大的速度場分布，在速度梯度力和流場拖曳力的作用下，底面的電蝕產物會處于不斷的運動中，并且會以螺旋向上的軌跡向側面流場轉移，避免的電蝕產物在底部堆積,和無旋轉電極加工小孔相比，顯著提高了加工效率。

（2）隨著速度的增加，當超過某個特定轉速后，電極轉速的繼續(xù)增加，側面的速度梯度力成倍的增長，并且在間隙工作液中產生負面的壓力場分布，這會使處于間隙間的電蝕產物在側面向電極表面靠攏，導致二次放電，從而影響加工效率。深小孔加工是機械行業(yè)的熱點和難點。國內外的研究取得了一些可喜的成績，但是在許多理論和技術方面的問題有待更深入的研究。文章僅僅涉及到電火花孔加工的實驗研究。根據(jù)研究中獲得的一些經驗和感觸，對課題的相關內容提出一些展望：①從理論上講，電火花放電加工小孔的間隙流場，屬于三相流問題。間隙中含有的電蝕顆粒為固相，被汽化的金屬為氣相，工作液本身為液相。并且嚴格的說，這是一個瞬態(tài)的問題。所以為了進一步研究清楚間隙流場的復雜情況，需要用多相流的知識來分析和計算流場中電蝕顆粒粒度，濃度和它們的分布及流向。②從實驗上講，電火花放電深小孔加工需要采用細長電極。加工過程最好配備先進的儀器來測量間隙流場的物理量，以驗證理論分析。

[1]盧存?zhèn)?電火花加工工藝學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1988.

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[3]劉正塤，陳祥康.深小孔的高速電火花加工工藝[J].機械科學與技術，1989，（5）.

錢志芳，主要研究方向：機械加工。