電火花深小孔加工的實(shí)驗(yàn)探析

錢志芳

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

電火花深小孔加工的實(shí)驗(yàn)探析

錢志芳

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

小孔加工一直以來(lái)是加工中的難點(diǎn)，電火花技術(shù)以其加工無(wú)宏觀力、不受工件強(qiáng)度硬度限制等優(yōu)勢(shì)，在微孔、小孔加工領(lǐng)域成為重要手段之一。文章將通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，探究工作液介質(zhì)的流體特性對(duì)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(zhuǎn)速度下，加工時(shí)間隨加工深度的變化。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)加工效率最高，低于或者高于這個(gè)轉(zhuǎn)速，加工效率都會(huì)下降。理論分析表明，電極旋轉(zhuǎn)會(huì)使底部的電蝕顆粒懸浮并向側(cè)面移動(dòng)，但轉(zhuǎn)速過(guò)大會(huì)使側(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

電火花加工；深小孔；旋轉(zhuǎn)電極

孔加工歷來(lái)是機(jī)械制造業(yè)中被人們關(guān)注的問(wèn)題之一。孔加工是機(jī)械加工中所占比例較大的一種重要加工工序。據(jù)統(tǒng)計(jì)，孔加工約占機(jī)械加工總量的三分之一。機(jī)械方法加工小孔時(shí)，要求主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min，進(jìn)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(dòng)力機(jī)械、儀器儀表、化學(xué)纖維、自動(dòng)控制及醫(yī)療器械等科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，微、小孔及微細(xì)深孔的應(yīng)用日趨廣泛。例如，噴油嘴、自控元件、過(guò)濾器、汽化器鐘表元件以及打印機(jī)打印頭等。深小孔的加工成為機(jī)械制造業(yè)中被人們關(guān)注的問(wèn)題之一。一般認(rèn)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(rèn)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(chǎn)率、成本、精度和深徑比等方面有一定的優(yōu)勢(shì)。因而深小孔高速電火花加工技術(shù)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(zhì)中，通過(guò)工具電極和工件電極（正、負(fù)電極）之間的脈沖性火花放電的電蝕現(xiàn)象對(duì)材料進(jìn)行加工。而電蝕現(xiàn)象的主要原理是：電火花通道中瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱，達(dá)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(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，要利用這種原理對(duì)零件進(jìn)行加工，必須創(chuàng)造一個(gè)適宜放電的環(huán)境，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量控制，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)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(zhì)量和形位精度，經(jīng)常采用了旋轉(zhuǎn)電極和中孔沖抽油的加工方式。電極旋轉(zhuǎn)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(lái)新發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。其原理是在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的中空的管狀電極中通高壓工作液，沖走加工屑，同時(shí)保持以高電流密度連續(xù)正常放電。電極作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(chǎn)物排除，且能強(qiáng)化火花放電的蝕除作用，因此，這一加工方法的最大特點(diǎn)是加工速度高，一般小孔加工速度可達(dá)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(guò)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(shí)驗(yàn)的方式來(lái)分析電火花深小孔的加工情況：

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

研究圓柱電極在不同轉(zhuǎn)速下加工深小孔所需時(shí)間，對(duì)比相同電極在有無(wú)轉(zhuǎn)速下的加工時(shí)間對(duì)比。觀察旋轉(zhuǎn)電極是否在加工效率方面占有優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用DB703電火花穿孔機(jī)床，考慮到紫銅材料的特性及普通機(jī)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(xì)電參數(shù)，如表1所示。在微細(xì)電參數(shù)下，放電間隙狹小，對(duì)于文章的研究對(duì)象——間隙流場(chǎng)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(shí)驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，所以本實(shí)驗(yàn)采用惡劣的條件，沒(méi)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(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。不銹鋼工件通過(guò)夾具安裝在工作臺(tái)面上。圖4、圖5、圖6、圖7給出了實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。

表1 放電參數(shù)表

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)用到的儀器設(shè)備有以下：①三維數(shù)字測(cè)量?jī)x1臺(tái)；②DB703電火花穿孔機(jī)床1臺(tái)；③杠桿表1臺(tái)；④LS103F冷水機(jī)1臺(tái)。

圖4 冷水機(jī)

圖5 DB703電火花穿孔機(jī)床

圖6 三維數(shù)字測(cè)量?jī)x

圖7 杠桿表

整個(gè)系列實(shí)驗(yàn)是在敞開環(huán)境，主軸無(wú)回退，同時(shí)利用冷水機(jī)使工作循環(huán)液保持在16℃左右的恒溫狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以加工0.1mm深度為一個(gè)單位記錄時(shí)間，在不銹鋼工件上加工20mm深度的小孔。利用得到的加工時(shí)間數(shù)據(jù)，生成加工曲線圖。改變主軸的旋轉(zhuǎn)速度，重復(fù)上面過(guò)程，得到不同轉(zhuǎn)速下的加工深度與加工總時(shí)間的曲線圖，如圖8所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下的加工深度與加工總時(shí)間的曲線圖

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

圖9 加工總時(shí)間和電極轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

（1）電火花加工深小孔時(shí)，電極旋轉(zhuǎn)能改變工作液的流場(chǎng)，在間隙間形成梯度較大的速度場(chǎng)分布，在速度梯度力和流場(chǎng)拖曳力的作用下，底面的電蝕產(chǎn)物會(huì)處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，并且會(huì)以螺旋向上的軌跡向側(cè)面流場(chǎng)轉(zhuǎn)移，避免的電蝕產(chǎn)物在底部堆積,和無(wú)旋轉(zhuǎn)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(dāng)超過(guò)某個(gè)特定轉(zhuǎn)速后，電極轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，側(cè)面的速度梯度力成倍的增長(zhǎng)，并且在間隙工作液中產(chǎn)生負(fù)面的壓力場(chǎng)分布，這會(huì)使處于間隙間的電蝕產(chǎn)物在側(cè)面向電極表面靠攏，導(dǎo)致二次放電，從而影響加工效率。深小孔加工是機(jī)械行業(yè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的研究取得了一些可喜的成績(jī)，但是在許多理論和技術(shù)方面的問(wèn)題有待更深入的研究。文章僅僅涉及到電火花孔加工的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)研究中獲得的一些經(jīng)驗(yàn)和感觸，對(duì)課題的相關(guān)內(nèi)容提出一些展望：①?gòu)睦碚撋现v，電火花放電加工小孔的間隙流場(chǎng)，屬于三相流問(wèn)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(yán)格的說(shuō)，這是一個(gè)瞬態(tài)的問(wèn)題。所以為了進(jìn)一步研究清楚間隙流場(chǎng)的復(fù)雜情況，需要用多相流的知識(shí)來(lái)分析和計(jì)算流場(chǎng)中電蝕顆粒粒度，濃度和它們的分布及流向。②從實(shí)驗(yàn)上講，電火花放電深小孔加工需要采用細(xì)長(zhǎng)電極。加工過(guò)程最好配備先進(jìn)的儀器來(lái)測(cè)量間隙流場(chǎng)的物理量，以驗(yàn)證理論分析。

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

[2]段紹值，楊樹宇，劉慶軍.深小孔電火花加工工藝[J].機(jī)械工藝師，1995，（1）.

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

錢志芳，主要研究方向：機(jī)械加工。