同軸電纜線對電火花微孔加工的影響研究

陸曉華，吳 強，莊昌華

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，電火花打孔在航空、航天、汽車、紡織、醫(yī)療器械等領域的應用越來越廣泛，作用越來越重要。由于電火花打孔的放電特性，電極在加工過程中，其端面和側面都會有不同程度的損耗，且隨著加工深度的增加損耗會越來越大，端面形狀逐漸變成半球形，導致加工出的孔會有一定的錐度（圖1）[1-2]。目前，通常要求孔的錐度越小越好，尤其在飛機發(fā)動機葉片、導彈噴射器、渦輪葉片等航空航天領域，汽車發(fā)動機噴油嘴及紡織噴絲板等民用領域，孔的錐度效果將直接影響產品的質量、性能，甚至決定了產品能否正常使用。對于開放型工件的通孔加工，常用的方法是讓電極過度進給一定距離去進行錐度補償,從而一定程度上消除由電極損耗造成的錐度[3]，或者可先加工預孔，再用高精度線切割割出直度較高的小孔。但是，當遇到半封閉工件時，只能依靠電火花穿孔機一次加工成形，這對設備的放電性能有著極高的要求。因此，有必要深入研究可能對放電產生影響的任何因素，包括所選用的放電線。

圖1 錐孔示意圖

目前，用來做電火花放電線的導線種類主要有：BVR單芯線、音響線、同軸電纜和雙絞線等。其中，同軸電纜有以下結構特點：在中心內導體外包圍一定厚度的絕緣介質，在介質外是管狀外導體，外導體表面再用絕緣塑料保護（圖2）。它是一種非對稱傳輸線，電流的去向和回向導體軸是相互重合的。通過外層的屏蔽線，能有效隔離外界對內外正負放電線之間的干擾，從而形成一個較封閉的放電環(huán)境[4]。同時，由于同軸電纜的內外極性為包裹狀態(tài)，使得在內外極性間形成了電容效應。同軸電纜內部一般通過的都是高頻、超高頻和特高頻信號電流[5]，這一特點匹配電火花微孔機脈沖電源。本文通過對比同軸電纜與BVR單芯線對電火花微孔加工的影響，來分析同軸電纜的放電加工特性。

圖2 同軸電纜結構示意圖

1 實驗條件及考查指標

實驗設備采用自主研發(fā)的SE-WK008六軸數控電火花微孔加工機（圖3），該設備具有如下特點：

（1）配有松下交流伺服電機控制，海德漢光柵尺/圓光柵反饋的高精度全閉環(huán) X、Y、W、A、B 軸，及細分步進電機驅動精密滾輪連續(xù)伺服進給的Z軸。

（2）具有電導率檢測控制的工作液系統(tǒng)，通過對工作液的電導率檢測和控制，可保證加工實驗的穩(wěn)定性和條件一致性。

（3）具有自主研發(fā)的高頻振動排屑機構，在加工過程中可實時調節(jié)振動頻率來適應加工需求。

（4）脈沖電源脈寬/脈間范圍均為 100～1500 ns，該頻率更能體現出同軸電纜的性能。

（5）自主研發(fā)的專用數控系統(tǒng)，加工過程中可實時監(jiān)測放電狀態(tài)，對數字化脈沖電源參數、電極微量伺服進給進行智能自適應控制。

圖3 實驗設備

結合大多數客戶使用需求，選用直徑0.38 mm的實心黃銅電極作為實驗電極，分別使用4 mm2同軸電纜與4 mm2BVR單芯線，在2 mm厚的不銹鋼板上進行加工實驗。本文主要通過分析不同放電線對打孔加工時間、孔出入口直徑大小、電極尖度損耗、電極長度損耗及放電波形的影響，來研究同軸電纜與BVR單芯線的放電加工特性，以期能夠得到錐度較小的微孔。

2 實驗數據及分析

實驗中，為保證數據只體現兩種放電線對加工的影響，在分別加工時，所選的電參數完全一致。兩種放電線分別加工18個孔，每隔2個孔抽取一組加工數據，兩種放電線各抽取6組數據進行分析對比。具體的打孔時間、孔的出入口直徑、電極尖度損耗、電極長度損耗及放電波形對比參數見表1。

表1 實驗條件

2.1 打孔加工時間對比

如圖4所示，放電線1的平均打孔時間為152.17 s，最大時間與最小時間差為11 s；放電線2的平均打孔時間為128.83 s，最大時間與最小時間差為29 s。線1需要的平均加工時間比線2的長23.34 s，但是線1的加工時間更穩(wěn)定。

圖4 不同放電線的打孔時間對比

2.2 打孔出入口孔徑大小對比

如圖5所示，放電線1的打孔入口孔徑平均值為0.441 mm，放電線2的打孔入口孔徑平均值為0.45 mm。如圖6所示，放電線1的打孔出口孔徑平均值為0.429 mm，放電線2的打孔出口孔徑平均值為0.432 mm。

圖5 不同放電線的打孔入口孔徑對比

對比可知，放電線1加工孔的入、出口直徑差為0.012 mm，明顯小于放電線2的0.018 mm，即放電線1加工孔的錐度比放電線2的小，錐度性能提升了33%。

圖6 不同放電線的打孔出口孔徑對比

2.3 電極尖度損耗對比

如圖7、圖8所示，測量得到放電線1加工電極在直徑為0.35 mm處的長度約為0.125 mm，而放電線2加工電極在直徑為0.35 mm處的長度約為0.68 mm。

圖7 放電線1加工的電極損耗測量

分析原因：放電線2的電極尖度損耗比放電線1的大0.555 mm，是放電線1的5倍多，所以放電線2的電極側損現象較嚴重。

2.4 電極長度損耗對比

由圖9可見，放電線1的電極長度損耗平均值為3.833 mm，放電線2的電極長度損耗平均值為2.988 mm。

圖9 不同放電線的打孔穿透深度對比

2.5 孔口狀態(tài)對比

如圖10所示，放電線1加工的孔口狀態(tài)好于放電線2。放電線2加工的孔口有明顯的灼燒痕跡，而放電線1加工的孔口則更光滑自然。

2.6 放電波形對比

圖11、圖12分別是兩種放電線加工時的放電波形?？煽闯觯梅烹娋€2加工時，脈沖波形中有更多的微小干擾脈沖毛刺，說明使用同軸電纜的抗干擾性更強，有利于更好的放電加工。

圖10 不同放電線加工的孔口狀態(tài)對比

圖11 放電線1加工時的放電波形

圖12 放電線2加工時的放電波形

2.7 結果分析

結合上述實驗結果可知，同軸電纜擁有更好的抗干擾性能，使得放電波形的無效脈沖更少、放電波形更穩(wěn)定、孔的加工質量和效果更好。在用同軸電纜放電時，主要從電極的軸向進行放電損耗（這也是加工中希望得到的結果），故電極的軸向損耗更大，需更多的長度來擊穿工件，因此加工時間也更長。但由于電極損耗情況較好，加工時間更穩(wěn)定，更有利于連續(xù)加工，加工孔的出入口孔徑更小，孔的錐度也更小。此外，電極側損嚴重，則說明連續(xù)加工時電極會從新電極逐漸變尖，使加工出的孔徑在該過程中發(fā)生由大到小的變化，孔徑離散性更大，加工的孔更不穩(wěn)定。

3 結束語

為了得到錐度較好的孔，在同等放電參數條件下，選用同軸電纜線有更好的放電效果，加工出的孔質量更高、錐度更小、一致性更好，電極損耗狀態(tài)也較理想，但加工效率較低。