電火花鉆削高精度盲孔實(shí)驗(yàn)研究

梁世雍，于兆勤，黃文彬，肖成龍

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

電火花鉆削可加工光學(xué)元件[1]、渦輪葉片[2]、燃油噴嘴[3]和微閥[4]等零件上的微孔，但由于電極損耗使加工孔的形狀和尺寸精度較差[5]，特別在加工盲孔時(shí)，電極存在軸向損耗，導(dǎo)致加工孔深總小于電極進(jìn)給深度。

在電火花鉆削盲孔方面，文獻(xiàn)[6]將電極作行星運(yùn)動(dòng)進(jìn)行盲孔加工，擴(kuò)大排屑空間，提高孔壁加工質(zhì)量；文獻(xiàn)[7]則通過在工具電極鉆傾斜通孔，形成內(nèi)部排屑通道，避免二次放電，提高加工孔深。文獻(xiàn)[8]在銅電極側(cè)壁電沉積熔點(diǎn)更高的硼化鋯，使電極抗損耗能力增強(qiáng)，加工盲孔效率更高。為使盲孔鉆削過程更加穩(wěn)定，文獻(xiàn)[9]在中空碳化鎢電極側(cè)壁通過化學(xué)氣相沉積絕緣層，減少側(cè)面放電。

由于電極損耗問題，電火花鉆削中難以精確控制加工量，文獻(xiàn)[10]通過指數(shù)公式建立電極損耗模型，為高精度盲孔鉆削提供預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[11]以電參數(shù)和電極直徑為變量，對(duì)鈦合金進(jìn)行盲孔加工并采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建響應(yīng)面模型，可較為有效地預(yù)測(cè)電火花加工孔深。文獻(xiàn)[12]建立可預(yù)測(cè)鉆孔時(shí)工具電極和工件幾何形貌的模型，結(jié)果表明該模型能較好地預(yù)測(cè)盲孔加工的孔深及電極側(cè)面損耗，可應(yīng)用于離線補(bǔ)償。

為提高電火花鉆削盲孔的精度，必須對(duì)電極損耗進(jìn)行補(bǔ)償，文獻(xiàn)[13]在放電脈沖計(jì)數(shù)法[14]的基礎(chǔ)上，根據(jù)單脈沖放電實(shí)驗(yàn)建立放電蝕除凹坑體積模型，從而實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)工件材料去除的體積，在加工過程中補(bǔ)償電極損耗，可以較為精確地控制微孔加工深度。文獻(xiàn)[15]提出實(shí)時(shí)放電脈沖去除體積，通過估計(jì)材料實(shí)時(shí)去除體積來補(bǔ)償電極損耗且實(shí)時(shí)去除體積隨著加工孔深改變而變化。此外，這種方法除了研究電極軸向損耗，還考慮電極圓角和錐度問題，自制脈沖識(shí)別系統(tǒng)可識(shí)別不同放電脈沖,進(jìn)而更精確地確定實(shí)時(shí)去除體積值。

建立電火花鉆削模型，前期需要大量時(shí)間，且該模型在不同加工條件下會(huì)存在偏差，故用該模型進(jìn)行補(bǔ)償精度會(huì)較差，而用視覺系統(tǒng)直接觀測(cè)電極損耗[16]，則需要重新搭建系統(tǒng)，過程復(fù)雜。

本文提出電極損耗軸向補(bǔ)償法，使加工盲孔深度達(dá)到預(yù)期要求。電極每完成一次進(jìn)給加工后，利用檢測(cè)回路檢測(cè)電極軸向損耗，根據(jù)損耗情況增加進(jìn)給量，進(jìn)行補(bǔ)償加工。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

所有盲孔加工實(shí)驗(yàn)都基于超精密電火花加工機(jī)床(SX-200hpm，SARIX)進(jìn)行，使用直徑為400 μm的實(shí)心黃銅和紫銅電極，工件材料為鈦合金。機(jī)床具備接觸感知回路，在電極與工件接觸時(shí)，電極停止進(jìn)給。機(jī)床的線電極放電磨削(WEDG)模塊用于光整電極，每完成一個(gè)盲孔加工，電極會(huì)切斷一部分，保證電極初始條件一致。奧林巴斯OLS4000型激光共聚焦顯微鏡用于盲孔檢測(cè)，包括直徑、深度和體積測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分為2組進(jìn)行，分別利用?400 μm黃銅和紫銅電極在鈦合金上面加工預(yù)期深度為400 μm、600 μm、800 μm和1000 μm的盲孔，而每組實(shí)驗(yàn)中又包含2種實(shí)驗(yàn)方法。在第一種實(shí)驗(yàn)方法中，直接在工件上用電火花鉆削不同深度的盲孔，不進(jìn)行電極損耗補(bǔ)償，電極進(jìn)給深度與預(yù)期深度一致。電火花鉆削加工參數(shù)如表1所示

表 1 電火花鉆削加工參數(shù)

第二種方法的工作過程如圖1所示，電極完成一次進(jìn)給放電加工之后，利用檢測(cè)回路以檢測(cè)電極損耗，根據(jù)損耗情況來增加軸向進(jìn)給量，再進(jìn)行放電加工，提高電火花鉆削加工精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 深度偏差

圖 1 工作過程圖Fig.1 Working process diagram

在電火花鉆孔的過程中，電極存在端面損耗從而影響加工孔深，故用第一種方法加工盲孔的實(shí)際深度與預(yù)期深度偏差較大。要達(dá)到預(yù)期孔深則需對(duì)電極損耗進(jìn)行補(bǔ)償，而電極端面存在損耗可通過增加軸向進(jìn)給量來進(jìn)行補(bǔ)償。在第二種方法中實(shí)施離線補(bǔ)償策略，每完成一次進(jìn)給加工之后，利用檢測(cè)回路檢測(cè)電極損耗，增加軸向進(jìn)給量進(jìn)行補(bǔ)償加工。本文重點(diǎn)研究電極軸向補(bǔ)償，因而孔深是一個(gè)重要考察指標(biāo)。此處引入深度偏差Derror[13]的概念用以評(píng)估實(shí)際加工孔深與目標(biāo)孔深的偏離程度。Derror是目標(biāo)孔深與實(shí)際孔深的差和目標(biāo)孔深的比值，可用式（1）計(jì)算。

其中，Z是目標(biāo)深度，μm，H是實(shí)際深度，μm。

在第1種方法中，電極進(jìn)給深度與目標(biāo)深度一致，由于電極損耗，實(shí)際加工深度與預(yù)期相比相差較大且隨著深度的增加這種差距更為明顯。由圖2和圖3可知，在不對(duì)電極損耗進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，利用黃銅電極加工，由淺到深，測(cè)量盲孔深度偏差從35.81%遞增至38.52%，普遍比紫銅電極加工盲孔深度偏差（24.58%～28.72%）高，結(jié)果表明在進(jìn)給深度一致時(shí)，紫銅的電極損耗比黃銅電極的小。

圖 2 黃銅電極盲孔加工孔深與偏差Fig.2 The hole depth and deviation processed with brass electrode

圖 3 紫銅電極盲孔加工孔深與偏差Fig.3 The hole depth and deviation processed with copper electrode

電極損耗不進(jìn)行補(bǔ)償，利用第1種方法加工難以達(dá)到預(yù)期深度。而第2種方法補(bǔ)償電極軸向損耗，前期不必開展實(shí)驗(yàn)和建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，且不必考慮工件和電極材料組合，可方便有效執(zhí)行。這種方法加工的盲孔深度偏差都很小，距離目標(biāo)深度最小相差0.858 μm，最大相差8.843 μm。對(duì)于深400 μm、600 μm、800 μm和1 000 μm的盲孔，黃銅電極運(yùn)用此法加工的深度偏差分別為0.61%、0.25%、0.25%和0.45%，而紫銅電極加工的深度偏差分別為0.87%、0.95%、0.11%和0.31%。由此可見，運(yùn)用第2種方法加工，采用2種電極材料都可以直接加工出很接近目標(biāo)深度的盲孔。

3.2 圓度因子

電火花鉆削盲孔時(shí)，電極除了存在端面損耗，還有側(cè)面損耗。電極端面損耗讓電火花加工孔深難以與進(jìn)給深度一致，而側(cè)面損耗則讓孔頂端和孔底端直徑不一致，圖4為紫銅電極加工盲孔的剖面圖，存在錐度，盲孔的加工形貌與機(jī)械加工相比較差。

圖 4 紫銅電極鉆削盲孔的剖面圖Fig.4 Sectional view of blind hole drilled with copper electrode

為綜合考慮孔的圓度和錐度兩種因素，本文引入圓度因子F[15]以更好評(píng)估盲孔質(zhì)量。F是盲孔實(shí)際體積與理論體積的一個(gè)比值，這里用百分?jǐn)?shù)表示，計(jì)算公式如式(2)所示。

其中，Vactual是盲孔實(shí)際體積，通過激光共聚焦顯微鏡測(cè)量得到；Vexpected是盲孔理論體積，通過公式計(jì)算得到。由于電火花加工盲孔總會(huì)存在錐度，故Vexpected總是大于Vactual，F(xiàn)也總小于1。此處，F(xiàn)用來判斷實(shí)際體積與理論體積的偏差，值越大則偏差越小。

圖5為加工盲孔的圓度因子。由圖5可知，隨著孔深增加，電極損耗程度變大，F(xiàn)值普遍呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，在第1種加工方法中，電極損耗無補(bǔ)償?shù)那闆r下，用紫銅電極加工盲孔的F值比黃銅電極加工的要大，而在第二種方法中，也是同樣趨勢(shì)，說明紫銅電極加工去除工件材料更多，加工形貌更好。由于紫銅是純銅，導(dǎo)電性比黃銅好。雖然2種電極材料熔點(diǎn)相當(dāng)，但紫銅電極相對(duì)損耗率小于黃銅，故在加工過程中，紫銅損耗小，電極形狀比黃銅好，所加工的盲孔形貌也更好。

圖 5 加工盲孔的圓度因子Fig.5 Roundness factor of the blind holes

圖6為軸向補(bǔ)償法加工盲孔三維形貌圖。由圖6可知，在第2種加工方法中，即軸向補(bǔ)償法，運(yùn)用黃銅電極進(jìn)行不同深度盲孔加工時(shí)，雖然孔深達(dá)到預(yù)期，但盲孔質(zhì)量較差，只有孔的中心部分加工到預(yù)期深度，孔底端有較多余料沒有去除，隨著孔深增加，這種情況更為明顯。同樣情況下，運(yùn)用紫銅電極加工則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，不僅可以補(bǔ)償電極損耗完成預(yù)期孔深加工，而且也保證盲孔形貌。

4 總結(jié)

本文提出的方法，利用檢測(cè)回路對(duì)電極損耗進(jìn)行檢測(cè)，增加軸向進(jìn)給量補(bǔ)償損耗，優(yōu)點(diǎn)是用不同電極材料加工不同工件時(shí)，前期不必做大量實(shí)驗(yàn)以計(jì)算出電極損耗就能很好地保證加工深度。由實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可得出如下結(jié)論：(1) 與黃銅電極相比，紫銅電極更適合電火花鉆削盲孔，電極損耗較小且加工形貌好。(2) 與電極損耗無補(bǔ)償法相比，運(yùn)用電極損耗軸向補(bǔ)償法加工盲孔可更好逼近預(yù)期深度，距離目標(biāo)深度最小僅相差0.858 μm。(3) 與黃銅電極相比，紫銅電極不僅可加工出逼近預(yù)期深度的盲孔，且可以保證孔的形貌。

圖 6 軸向補(bǔ)償法加工盲孔三維形貌圖Fig.6 Three-dimensional topography of blind hole processed with axial compensation method