微細電火花混粉加工微孔初探

王啟建，余祖元，李劍中，佟 宇

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024）

微小孔的需求日益增加，其應(yīng)用范圍極廣，如汽車行業(yè)柴油機的引擎噴嘴、航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔、電子行業(yè)的噴墨打印機噴嘴以及生物業(yè)的細胞搭載裝置等[1-2]。微孔的加工方式分為傳統(tǒng)加工和非傳統(tǒng)加工。其中，傳統(tǒng)加工方式包括微鉆削和微沖壓；非傳統(tǒng)加工方式包括LIGA工藝、激光、電化學(xué)、超聲加工和微細電火花加工等。微細電火花加工相較于其他微孔加工方法，具有能加工任何導(dǎo)電材料、不受工件材料的強度和硬度限制的優(yōu)點[3]。微細電火花加工微孔圓度好，可達到較大深徑比且加工設(shè)備相對低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。但是由于微孔的加工間隙很小，深孔加工時加工區(qū)域的工作液無法及時更新，導(dǎo)致包括加工屑和氣泡在內(nèi)的電蝕產(chǎn)物堆積，引發(fā)加工過程異常甚至無法繼續(xù)加工。針對上述問題，業(yè)內(nèi)提出高速電火花加工技術(shù)[4-5]，是用壓力將工作液經(jīng)中空管電極送入加工區(qū)內(nèi)，強迫電蝕產(chǎn)物排，改善放電加工環(huán)境。Meena等[6]利用銅管電極進行微細電火花深孔加工，研究了管電極的各種沖液方式對加工結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)浸液加工能獲得最小的出入口直徑差，內(nèi)沖液可獲得最好的圓度。王振龍等[7]研究了管電極電火花加工中沖液壓強、電極轉(zhuǎn)速等非電參數(shù)對加工時間、電極損耗的影響。Ferraris等[8]在外徑0.13 mm的管電極側(cè)壁添加絕緣涂層，通過該電極的電火花加工獲得直徑0.18 mm、深度10 mm （深徑比55）的深孔。Ferraris等[9]還采用具有聚氯代對二甲苯絕緣涂層的管電極，加工出直徑0.17 mm、深度21 mm（深徑比126）的深孔。

本文采用混粉工作液進行微細電火花加工微孔，即在工作液中混入一定濃度的粉末，在電火花加工微孔時將混有粉末的工作液通過管電極送入加工區(qū)域，更新加工區(qū)域的放電介質(zhì)，強迫電蝕產(chǎn)物排出，降低非正常放電幾率，并針對混粉工作液的特性對加工性能的影響進行初步探索研究。

1 實驗

為了研究混粉工作液對微細電火花微孔加工性能的影響，設(shè)計了實驗裝置及實驗參數(shù)。

1.1 實驗裝置

微細電火花加工裝置結(jié)構(gòu)主要包括機床主體、導(dǎo)向器、供液模塊、晶體管脈沖電源和放電檢測回路（圖1）。機床主體采用自制的三軸立式微細電火花加工機床；X、Y、Z 軸的位移分辨率為 0.1 μm、主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min；供液模塊由柱塞泵、溢流閥、壓力表和高壓管道組成；放電檢測回路采用平均電壓檢測法來檢測電極與工件之間的放電狀態(tài)。為了避免晶體管脈沖電源損壞，在放電回路中串聯(lián)限流電阻R1、R2，其中R2同時作為采樣電阻。

圖1 電火花加工裝置示意圖

1.2 實驗參數(shù)及方法

實驗采用不銹鋼電極加工H62黃銅，工件接電源正極、不銹鋼管電極接電源負極，具體加工參數(shù)見表1。工作液分別是未添加粉末的自來水和添加不同粒徑金剛石的自來水混合液。采用分析天平稱量金剛石粉末，精度0.001 g。將混合工作液容器放在超聲波清洗機中振動，以保證粉末始終處于懸浮狀態(tài)。每加工完一個孔，需將主軸、管道和泵體中的混合液體清理干凈，以保證每次實驗中的混合液體粉末處于懸浮狀態(tài)。測量工件前，均將其放入丙酮試劑中，并在超聲波清洗機中清洗30 min。本文主要探究了同一壓強和混合液濃度條件下，不同金剛石粒徑對加工孔尺寸、加工時間、電極損耗和孔壁粗糙度的影響。

表1 加工參數(shù)

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 粉末對電極損耗的影響

電極損耗包括長度損耗和形狀變化。由于本文采用管狀電極，電極端部變化較小，故而僅研究電極長度損耗。電極損耗長度的測量是通過電接觸方式，探測加工前后電極在Z坐標(biāo)的差值。圖2是電極損耗長度與金剛石粒徑的關(guān)系圖?？梢?，相較于自來水（粒徑為0，下同）中的情況，添加金剛石粉末后的電極損耗明顯減小，且電極損耗長度隨著金剛石粒徑的增大而減??；當(dāng)金剛石粒徑為10 μm時，電極損耗長度相較于自來水的情況以及金剛石粒徑為1 μm時的情況分別降低了76.7%和71.1%。

本實驗采用單晶金剛石粉末，有研究表明[10-11]高溫下的氧氣及Fe、Ni等元素會促使金剛石轉(zhuǎn)化為石墨。而實驗所用工作液為自來水，水在高溫下分解出一定量氧氣；所用電極材質(zhì)為不銹鋼，不銹鋼中含有大量Fe元素和少量Ni元素，因此在加工過程中電火花放電產(chǎn)生的高溫，會促使部分金剛石轉(zhuǎn)化為石墨以及其他碳單質(zhì)或碳化物。通過特征X射線對已使用電極端面進行成分分析，其中碳元素的質(zhì)量百分比見圖3?？梢?，電極端面碳元素質(zhì)量百分比與使用該電極所添加金剛石粉末的粒徑成正相關(guān)。研究表明[12-13]，煤油中采用銅電極長脈寬負極性加工，電極表面會出現(xiàn)碳層，對電極起到保護和補償作用。由于本文采用自來水作為工作液，在正極性加工條件下，陰極表面會出現(xiàn)鍍覆現(xiàn)象[14]，即工具表面形成電鍍層。據(jù)此推測：游離于工作液中的含碳顆粒（石墨等）受熔融電蝕產(chǎn)物裹挾鍍覆在電極端面，石墨的熔點（3500℃）、傳溫系數(shù)（0.133）均大于鋼（1527 ℃、0.061）[14]，因此石墨的耐熱性能優(yōu)于鋼，在放電過程中電極表面的含碳顆粒有利于減緩補償電極損耗，且添加金剛石粒徑越大，被裹挾鍍覆在電極端面的顆粒就越大，電極損耗的減緩補償效果就越好。該過程是一個往復(fù)過程，含碳顆粒不斷被裹挾鍍覆在電極端面，又不斷遭到破壞剝離。此外，分散在加工區(qū)域中的含碳顆粒具有一定的導(dǎo)電性，會降低工作液介電強度，使得有效脈寬增多，減少電極損耗。圖4a、圖4b分別是金剛石粒徑為1、10 μm時電極端面的成分分析圖。

圖2 金剛石粒徑對電極損耗長度的影響

圖3 電極端面碳元素百分比圖

圖4 電極端面成分分析分布圖

2.2 粉末粒徑對孔徑的影響

圖5是加工孔出入口直徑與金剛石粒徑的關(guān)系圖?？梢?，當(dāng)添加的金剛石粒徑增大時，孔入口尺寸逐漸減小、出口尺寸逐漸增大。圖6是孔出入口直徑差與金剛石粒徑的關(guān)系圖，可見添加金剛石粉末后的出、入口直徑差逐漸減小，且當(dāng)金剛石粒徑為5 μm時，出入口直徑差相較于自來水中的情況減小了34%，這說明添加金剛石粉末有利于減小出入口尺寸及其直徑差。分析原因如下：前文已述添加金剛石粉末會使電極損耗降低，且金剛石粒徑越大，電極損耗越少；添加的金剛石粉末粒徑越大，混入工作液中的電極損耗的體積量就越小，而各粒徑下加工孔的材料去除體積量相近，這使添加的金剛石粒徑越大，工作液中的蝕除顆粒（電極材料和工件材料）濃度越低，入口處發(fā)生二次放電幾率越小，入口更不易被擴大。因此，隨著金剛石粒徑的增大，入口孔徑逐漸減小，并趨于穩(wěn)定值。

圖5 金剛石粒徑對孔出入口直徑的影響

圖6 金剛石粒徑對孔出入口直徑差的影響

2.3 粉末對加工效率的影響

評判加工效率的標(biāo)準(zhǔn)主要是穿孔加工時間和材料去除率（material removal rate，MRR）。 圖 7是貫穿厚度為0.8 mm黃銅所用時間與金剛石粒徑的關(guān)系圖，圖8是材料去除率與金剛石粒徑的關(guān)系圖?？梢姡S著金剛石粒徑的增大，穿孔時間先減小后增大、材料去除率先增大后減小。當(dāng)金剛石粒徑為5 μm時，穿孔時間相較于自來水中的縮短22.45%、材料去除率提高27.21%；當(dāng)工作液中添加金剛石粉末后，穿孔時間縮短、加工效率增高。這是因為添加金剛石粉末后的電極損耗長度減少。當(dāng)金剛石粒徑為1 μm時，電極損耗長度縮短264 μm，對應(yīng)的體積為11 106 μm3，而其孔徑的體積變化遠小于電極。這表明，在添加金剛石粉末后，加工區(qū)域的蝕除顆粒（電極材料和工件材料）質(zhì)量分數(shù)降低，減少了因短路、拉弧等引發(fā)的機床后退，縮短了加工時間。此外，電極損耗長度減小使電極進給時間相應(yīng)縮短，也會縮短加工時間。

圖7 金剛石粒徑對加工時間的影響

圖8 金剛石粒徑對材料去除率的影響

當(dāng)金剛石粒徑由1 μm增大至5 μm時，加工時間進一步縮短，這跟工作液中金剛石顆粒的分布有關(guān)。圖9是管電極電火花加工示意圖，實驗中加工區(qū)域為圓環(huán)體，其橫截面與管電極橫截面相同。

將加工區(qū)域高度規(guī)定為一個放電間隙，則該加工區(qū)域體積為：

由式（1）得到加工區(qū)域粉末顆粒數(shù)目為：

式中：H為放電間隙；R2為管電極外半徑，R2=126 μm；R1為管電極內(nèi)半徑，R1=50 μm；Vp為加工區(qū)域粉末顆粒體積；Vl為加工區(qū)域水的體積；mp為加工區(qū)域粉末顆粒質(zhì)量；ml為加工區(qū)域水的質(zhì)量；ρp為粉末顆粒密度，ρp=3.5 g/cm3；ρl為水的密度，ρl=1 g/cm3；c為粉末質(zhì)量分數(shù)，且c=mp/ml=1%；N為加工區(qū)域粉末顆粒的數(shù)目；r為粉末顆粒半徑。

假設(shè)加工區(qū)域內(nèi)所有顆粒均分布在同一平面，該平面處于電極與工件之間且與工件平面平行，則該平面上粉末顆粒的總截面積為：

圖9 加工示意圖

該平面的總面積，即圓環(huán)體的橫截面積為：

在加工過程中，只有帶電粒子穿過粉末顆粒間的空隙才能最大有效地去除材料，故將該平面的空隙區(qū)域稱為有效放電截面，則有效放電截面積為：

根據(jù)各粒徑粉末加工孔的出口尺寸計算出各粒徑的放電間隙（表 2）。根據(jù)式（2）、式（3）和式（5）計算出加工區(qū)域的粉末數(shù)目、粉末顆粒的總截面積和有效放電截面積以及有效放電截面積與總面積的比值S2/S，計算結(jié)果見表3。

表2 各粒徑對應(yīng)放電間隙

表3 加工區(qū)域粉末數(shù)目和有效放電截面積

圖10是有效放電截面積與總面積的比值S2/S和MRR關(guān)于金剛石粒徑的變化關(guān)系圖，可見當(dāng)粒徑分別為 1、2.5、5 μm 時，S2/S 和 MRR 有相同的變化趨勢，這說明有效放電截面的增大有利于放電脈沖能量直接去除材料；然而，當(dāng)顆粒尺寸分別為7、10 μm時，MMR并未隨著有效放電面積的增大而提高，反而下降。由表2可見，微孔與電極間的間隙約為16 μm。在實際加工中，電極底部與加工的孔底面距離小于16 μm?；旆蹧_液中的顆粒有可能與電極接觸，妨礙電極進給并且其阻礙隨著顆粒增大而增大，從而造成加工效率的降低。

圖10 S2/S和MRR與金剛石粒徑的關(guān)系圖

2.4 粉末對孔壁粗糙度的影響

將孔沿著軸向剖切，用ZYGO激光干涉儀分別對距孔入口 100～450 μm 和 400～750 μm 處側(cè)壁進行表面粗糙度測量，且表面粗糙度采用微觀不平度的算術(shù)平均偏差Ra表示，測量的結(jié)果見圖11?？梢?，孔入口和出口側(cè)壁表面粗糙度值均隨著金剛石粒徑的增大而增大且入口端的表面粗糙度小于出口端的。圖12a～圖12d分別是未添加粉末和添加粒徑為1、2.5、5 μm的金剛石粉末后的加工孔中部SEM照片，照片的上部為孔入口端、下部為孔出口端?？梢姡肟诙丝妆诘碾娢g凹坑較少，出口端的較多。入口端孔壁浸在工作液中的時間長，而工作液中的自來水存在一定量的離子，使入口端孔壁發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電蝕凹坑變淺，改善了孔壁質(zhì)量。對比圖12a～圖12d所示入口端孔壁可見，添加金剛石粉末后，入口端孔壁的放電凹坑數(shù)量減少，當(dāng)添加的金剛石粉末粒徑為5 μm時，入口端孔壁幾乎看不到放電凹坑。圖13是添加粒徑5 μm的金剛石粉末后的加工孔入口孔壁圖，可見孔壁上粘著了大量顆粒。因此，粘著在孔壁上的粉末顆粒對表面粗糙的測量產(chǎn)生了干擾。金剛石粉末的粒徑越大，粘著在孔壁的顆粒粒徑就越大，表面粗糙度值才會隨著粒徑的增大而增加。由于存在粘著顆粒的干擾，本文僅就金剛石粉末對表面粗糙度的影響進行定性分析。針對添加粒徑為5 μm金剛石粉末時的加工孔，采用MetroPro軟件對孔入口側(cè)壁尺寸為0.08 mm×0.08 mm的區(qū)域進行分析，發(fā)現(xiàn)其表面粗糙度低至Ra330 nm，而在自來水中的表面粗糙度最低僅為Ra520 nm。

本研究沒有在孔壁表面發(fā)現(xiàn)劃痕，這說明在現(xiàn)有的實驗條件下，金剛石粉末顆粒在放電間隙的運動對提高電火花加工表面粗糙度沒有影響。

3 結(jié)論

針對微細電火花深孔加工存在的加工區(qū)域工作液更新困難的問題，本文采用金剛石與水的混合為工作液，利用管電極進行微細電火花微孔加工，通過大量實驗探究了金剛石的粒徑對孔尺寸精度、加工時間和電極損耗的影響，得到以下結(jié)論：

圖11 粉末粒徑對孔壁表面粗糙度的影響

圖12 添加各種粒徑金剛石粉末的加工孔中部SEM照片

圖 13 添加金剛石粒徑為5 μm時的孔入口側(cè)壁圖

（1）在工作液中添加金剛石粉末有利于提高電火花加工孔的尺寸精度。當(dāng)添加的金剛石粉末粒徑較大（5、7、10 μm）時，孔出入口直徑差相較于在自來水中的至多減小 34%（5 μm）。

（2）在工作液中添加金剛石粉末有利于減少加工時間，且隨著金剛石粉末粒徑的增大，加工時間先減少后增加。當(dāng)金剛石粉末粒徑為5 μm時，相較于未添加粉末時的加工時間減少22.45%。

（3）在工作液中添加金剛石粉末有利于減小電極損耗長度，且電極損耗長度隨著金剛石粉末粒徑的增大而減小。當(dāng)金剛石粉末粒徑為10 μm時，電極損耗長度相較于未添加粉末時減少了76.7%。