微細(xì)電火花深溝槽螺旋電極鈦合金微孔加工

許金凱，馬光勝，于朋，崔廣續(xù)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型產(chǎn)品逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景［1］，由于鈦合金的硬度高，微加工工藝性能差。而電火花加工只與材料的熱學(xué)性能相關(guān)，不受其硬度等力學(xué)性能的影響，是微孔加工的主要手段［2］。由于微孔精密加工脈沖能量小，使電極與工件之間產(chǎn)生的放電間隙較小，排屑困難［3］。過(guò)多的電蝕產(chǎn)物會(huì)增加二次放電概率，降低加工精度。在微細(xì)電火花加工工程中，工具電極和工件之間發(fā)生一系列的放電使材料在極高的溫度熔化甚至汽化［4］，電極也不可避免的被磨損，降低加工精度［5］。加工中的電極損耗，是生產(chǎn)加工誤差的主要原因之一。

在鈦合金微孔加工中，當(dāng)微孔深度較大時(shí)，傳統(tǒng)的柱電極加工方法已很難達(dá)到穩(wěn)定的加工狀態(tài)。為提高排屑能力一般采用電極搖動(dòng)加大搖動(dòng)半徑［6］或者采用異性電極形狀來(lái)改善排屑問(wèn)題。當(dāng)加工深度較小時(shí)，電極隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和切削液的沖洗，電蝕產(chǎn)物隨切削液循環(huán)可自行排出。雖然主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)電極可以使電極端面腐蝕更穩(wěn)定［7］，且能帶動(dòng)切削液更好的流動(dòng)。當(dāng)加工深度較大時(shí)，加之微孔精密加工側(cè)向間隙較小，電蝕產(chǎn)物自行排出已較為困難，由于排屑不暢，加工狀態(tài)趨于不穩(wěn)定，電極也因深孔內(nèi)紊亂的放電狀態(tài)造成電極損耗嚴(yán)重，加工效率急劇下降，甚者使加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行下去，單純依靠電極本身的放電爆炸力及放電產(chǎn)生的氣泡使切削液循環(huán)排出電蝕產(chǎn)物已經(jīng)無(wú)法產(chǎn)生明顯效果。為改善以上加工問(wèn)題采用深溝槽電極進(jìn)行微孔加工實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用樣件材料為α+β鈦合金Ti6Al4V，用于盲孔加工試驗(yàn)。電介質(zhì)采用電火花加工用油。實(shí)驗(yàn)電極材料選用剛度較好的硬質(zhì)合金電極。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造出深溝槽電極并進(jìn)行鈦合金微孔加工試驗(yàn)，在圓柱電極的基礎(chǔ)上用微細(xì)電火花加工方法在圓柱電極側(cè)面沿圓柱電極直徑方向銑削微槽從而制造出深溝槽電極，由于被加工的溝槽電極（φ210 μm）和加工所用電極（φ100 μm）尺寸較小、剛度較差使加工困難，本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新采用的雙導(dǎo)向塊電極加工方法可以很好地解決微細(xì)電極加工問(wèn)題，可使電極加工精度大大提高。其溝槽電極加工制造方法如圖1所示。

圖1 溝槽電極制造加工方法

基體圓柱電極選用直徑為Φ0.21 mm的硬質(zhì)合金電極，加工微槽的工具電極選用直徑為Φ0.1 mm的電極。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并加工制造出不同深度溝槽的電極。比起傳統(tǒng)的線電極磨削加工（WEDG）方案［8］，此方法可以加工出凹槽狀電極，其所加工電極截面如圖2所示。

圖2 深溝槽電極截面圖

圖中為不同溝槽深度的電極，其溝槽的深度依次為直徑尺寸的30%、40%、50%、60%，其深溝槽電極截面圖形類似于彎月形狀，相比于傳統(tǒng)的削邊電極有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，在相同的削邊寬度下，深溝槽電極可達(dá)到更深的溝槽深度，當(dāng)深溝槽電極溝槽深度為直徑的60%時(shí)削邊量?jī)H為相同條件下削邊電極削邊量的10%左右。減少了對(duì)電極外徑周邊材料的損耗程度，使電極材料的分布更趨向于電極外徑部分，降低了在微孔加工中電極徑向損耗程度。同時(shí)在加工方面，溝槽的弧狀形狀增加了電極的剛度，雙側(cè)對(duì)稱弧線也抵消和減少了電極在加工時(shí)產(chǎn)生的熱量和殘余應(yīng)力對(duì)電極造成的彎曲程度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 深溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工的影響

深溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工電極損耗的影響。實(shí)驗(yàn)采用不同的溝槽深度的電極進(jìn)行鈦合金盲孔加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別在不同的加工深度下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)微孔加工深度較小時(shí)，電極損耗量的大小隨溝槽深度的增加而增加。隨著微孔加工深度的增加，溝槽深度較淺電極（直徑的30%～40%）的電極損耗量逐漸增加，溝槽深度較深電極（直徑的50%～60%）的電極損耗量相對(duì)逐漸低。當(dāng)電極溝槽深度過(guò)大時(shí)（直徑的60%）電極損耗反而較大。

圖3 電極溝槽深度對(duì)電極長(zhǎng)度損耗的影響

當(dāng)微孔加工深度較低時(shí)，排屑還相對(duì)較為容易，溝槽深度大時(shí)會(huì)造成電極材料的減少是造成電極損耗量偏大的主要原因，隨著微孔加工深度的增加，溝槽深度較大的電極能更好的提供排屑的空間，改善放電狀態(tài)降低了電極損耗量，當(dāng)溝槽深度過(guò)大時(shí)（直徑的60%）也會(huì)使電極截面的放電面積減小，放電區(qū)域相對(duì)較為集中，放電產(chǎn)生的氣體更為密集，甚至充滿放電區(qū)域，增加了電弧放電及短路的發(fā)生都會(huì)造成電極損耗量的增大。

圖4 電極溝槽深度對(duì)加工時(shí)間的影響

深溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)分別在不同的加工深度下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。與圓柱電極相比，深溝槽電極在微孔加工的時(shí)間明顯降低。不同溝槽深度的電極之間，隨著溝槽深度的增加（直徑的30%到60%），加工所用時(shí)間總體趨勢(shì)降低，且當(dāng)溝槽深度超過(guò)直徑的50%時(shí)，加工所用時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定。

在電參數(shù)等條件確定的情況下，排屑狀況是影響加工速度的主要原因，隨著電極溝槽深度的增加使電極與微孔之間的空間逐漸增大，這為電蝕產(chǎn)物的排出提供了空間，同時(shí)隨著溝槽深度的增加，在電極隨主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下又加強(qiáng)了切削液的流動(dòng)。但這種效果存在一個(gè)最高值，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極溝槽的深度超過(guò)50%時(shí)，加工時(shí)間便不再降低。

圖5 電極不同溝槽深度下微孔加工形貌側(cè)剖視圖

深溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工形貌的影響。實(shí)驗(yàn)采用不同的溝槽深度的電極（溝槽深度依次為直徑的30%、40%、50%、60%）進(jìn)行鈦合金盲孔加工試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的加工進(jìn)給深度為4.0 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。測(cè)得微孔的錐度依次為1.3°、1.6°、1.9°、3.1°。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知隨著電極溝槽深度的增加，微孔的錐度逐漸增加、孔徑上下一致程度逐漸降低。當(dāng)電極溝槽深度較大時(shí)（直徑的60%），所加工的微孔底部直徑開始逐漸變小，孔徑上下一致程度較差、錐度明顯。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知電極過(guò)大的溝槽深度不利于微孔形貌的加工，過(guò)大的溝槽深度會(huì)造成電極材料缺失嚴(yán)重使電極徑向損耗偏大，尤其在電極底端的徑向損耗積累嚴(yán)重，造成加工的微孔直徑上下一致程度差。當(dāng)電極的溝槽深度較小時(shí)所加工的微孔形貌較好。與削邊電極相比，電極溝槽的設(shè)計(jì)一定程度上減小了電極在最外側(cè)部分的材料缺失，從而降低電極的徑向損耗程度。

2.2 螺旋溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工的影響

在以上實(shí)驗(yàn)中得出深溝槽電極在深微孔加工中有著明顯的改善效果，深溝槽電極的溝槽深度對(duì)加工有著明顯的影響，隨著溝槽深度的增加在加工時(shí)間和電極損耗方面都得到了逐漸的改善。但隨著溝槽深度的增加，微孔會(huì)出現(xiàn)一定的錐度。在電極加工方面，深溝槽電極雖能一定程度上改善電極加工剛度問(wèn)題，但不能完全避免熱加工產(chǎn)生的變形問(wèn)題，過(guò)快的電極加工速度還會(huì)使電極加工中產(chǎn)生的熱量集中和殘余應(yīng)力引起電極的變形彎曲，限制了電極的加工速度和加工精度。

在以上研究的基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)嘗試用螺旋溝槽電極進(jìn)行鈦合金微孔加工。以溝槽電極溝槽形狀為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出沿電極軸線的螺旋狀溝槽電極，在圓柱電極的基礎(chǔ)上用微細(xì)電火花加工方法在圓柱電極側(cè)面銑削出沿軸線的螺旋狀溝槽從而制造出螺旋溝槽電極，基體圓柱電極選用直徑為Φ0.21 mm的硬質(zhì)合金電極，加工微槽的工具電極選用直徑為Φ0.1 mm的電極。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并加工制造出不同深度螺旋溝槽的電極，其螺旋溝槽電極形貌如圖6所示。

圖6 圓柱電極與單旋深溝槽螺旋電極形貌

在溝槽螺旋電極的加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電極上溝槽的環(huán)形加工過(guò)程可以有效的減少加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)電極造成的彎曲，電極溝槽的環(huán)形加工方法甚至可以完全抵消加工過(guò)程中對(duì)電極造成的彎曲變形，即使采用較高的加工速度也不會(huì)造成電極的彎曲，大大提高了電極的可加工速度。溝槽的螺旋形狀還可以使電極在隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下對(duì)切削液產(chǎn)生軸向推動(dòng)效果，更利于切削液的循環(huán)。

圖7 電極螺旋溝槽深度對(duì)電極長(zhǎng)度損耗的影響

螺旋溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工電極損耗的影響。實(shí)驗(yàn)采用不同的螺旋溝槽深度（螺旋溝槽深度為直徑值的30%～60%）的電極進(jìn)行鈦合金盲孔加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知電極長(zhǎng)度的損耗量會(huì)呈現(xiàn)隨螺旋溝槽深度的先減小后增加的規(guī)律。當(dāng)微孔加工深度為1.5 mm左右時(shí)，螺旋溝槽深度在直徑的40%時(shí)，電極的損耗量為最小。隨著微孔加工深度的增加，電極最小損耗量峰值會(huì)呈現(xiàn)逐漸向螺旋溝槽更深的方向移動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)加工深度達(dá)到3.0 mm左右時(shí)，電極損耗量的最小峰值移至螺旋槽深度為直徑為50%的電極處。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)螺旋溝槽電極的低電極損耗存在一個(gè)最小溝槽深度，當(dāng)溝槽電極的溝槽深度小于直徑的40%處時(shí)，電極損耗量能急劇降低。從而可以反映出當(dāng)螺旋溝槽深度小于直徑的40%的區(qū)間內(nèi)，隨著螺旋溝槽深度的增加，螺旋溝槽電極的排屑效果提升較為明顯。當(dāng)螺旋溝槽深度逐漸增加時(shí)會(huì)造成電極材料的較少，同時(shí)也會(huì)使電極端面放電面積減小，使放電區(qū)域更為集中，放電產(chǎn)生的氣體更為密集，甚至充滿放電區(qū)域，增加了電弧放電及短路的發(fā)生都會(huì)造成電極損耗量的增大。螺旋溝槽的大小影響排屑能力與電極放電的面積效應(yīng)之間形成了動(dòng)態(tài)平衡效果。當(dāng)微孔加工深度較小排屑相對(duì)容易時(shí)，電極最低損耗的峰值偏向較淺的螺旋溝槽處，隨著微孔加工深度的增加排屑相對(duì)困難時(shí)，深的螺旋溝槽有利于排屑能力的提升，使得電極最低損耗的峰值偏向較深的螺旋溝槽處。

圖8 電極螺旋溝槽深度對(duì)加工時(shí)間的影響

螺旋溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。與圓柱電極相比，深溝槽電極在微孔加工的時(shí)間明顯降低。不同螺旋溝槽深度的電極之間，隨著螺旋溝槽深度的增加（直徑的30%到60%），加工所用時(shí)間總體趨勢(shì)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明螺旋溝槽深度的增加并不會(huì)降低加工時(shí)間。

圖9 不同螺旋溝槽深度電極加工微孔形貌側(cè)剖視圖

螺旋溝槽電極對(duì)鈦合金微孔加工形貌的影響。實(shí)驗(yàn)中的加工進(jìn)給深度為4.0 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。相比于深溝槽電極，螺旋溝槽電極所加工的微孔的形貌總體較好。所加工的微孔孔徑一致性程度更高。微孔的錐度更小，尤其是當(dāng)電極螺旋溝槽深度較大時(shí)（直徑的60%），孔徑依然保持較好的上下一致程度，而深溝槽電極的錐度此時(shí)已經(jīng)很大。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知螺旋溝槽電極設(shè)計(jì)方案在微孔的加工相貌方面有較為明顯的提升，可以明顯的改進(jìn)微孔加工的精度與微孔質(zhì)量。單純的采用深溝槽電極時(shí)，過(guò)大的溝槽深度不利于微孔形貌的加工，過(guò)大的溝槽深度會(huì)造成電極材料缺失嚴(yán)重使電極徑向損耗偏大，而采用螺旋溝槽的設(shè)計(jì)時(shí)可避免這種問(wèn)題的產(chǎn)生。在主軸的旋轉(zhuǎn)作用下螺旋溝槽電極能較好的排出電蝕過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑，并能有效的改善電極的徑向損耗，從而使微孔加工的孔徑上下一致性較好，同時(shí)降低了微孔的加工錐度。與深溝槽電極相比，在微孔加工形貌上有較好的改善，電極螺旋溝槽的設(shè)計(jì)更好的減小了電極在最外側(cè)部分的材料缺失，從而有效的降低電極的徑向損耗程度。

3 結(jié)論

通過(guò)采用單旋深溝槽螺旋電極的設(shè)計(jì)與制造，并對(duì)鈦合金進(jìn)行大量微孔加工實(shí)驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

（1）單旋深溝槽螺旋電極的設(shè)計(jì)方案，能有效的改善鈦合金微孔精密加工中深微孔排屑問(wèn)題。

（2）單旋深溝槽螺旋電極的可提高微孔加工深度、縮短加工時(shí)間縮短、降低電極損耗、降低微孔加工錐度。

（3）對(duì)于不同溝槽深度的單旋電極，當(dāng)溝槽深度為直徑的50%時(shí)電極損耗最小，溝槽深度為直徑的60%時(shí)微孔加工形貌最優(yōu)。