電極運(yùn)動(dòng)對(duì)電火花倒錐微孔加工及其電極損耗的影響研究

陸曉華，邱明波，吳 強(qiáng)，王昌喜

（ 1. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，機(jī)械工業(yè)電加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011 ）

隨著現(xiàn)代高端工程技術(shù)的不斷發(fā)展，微放電加工在汽車、航空航天、生物醫(yī)療、紡織化纖、光學(xué)器件、3D 打印、 微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域成為廣受認(rèn)可的非傳統(tǒng)加工方法，能短時(shí)間將難加工材料加工成復(fù)雜的二維和三維形狀零部件，同時(shí)保持其高特征質(zhì)量[1]。 比如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域，微細(xì)電火花加工是柴油機(jī)噴油嘴微孔加工的主要工藝[2]，其噴孔噴射特性直接影響燃油的霧化[3]、加熱與空氣混合等，進(jìn)而影響燃燒、放熱，形成炭煙和有害廢氣[4-5]。Diver 等[6]指出噴孔必須具有倒錐（入口小、出口大），以改善燃油霧化效果、提高燃油效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。 當(dāng)前，國內(nèi)外多家主要噴油嘴廠家生產(chǎn)的滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的噴孔，其直徑范圍為80~200 μm[7]，所用噴孔的燃油進(jìn)出口帶有尺寸為0.01～0.15 mm的K 系數(shù)倒錐[8]，其通孔深度范圍為1~2 mm。

由于噴孔直徑越來越小，傳統(tǒng)鉆削加工噴孔的方式在加工精度及加工效率方面都難以適應(yīng)其要求，而其他主要加工方式如飛秒激光[9]、化學(xué)腐蝕[10]、超聲波打孔[11]和微細(xì)電火花加工技術(shù)[12-13]等各有特點(diǎn)，但大多數(shù)難以滿足更高的微孔加工要求及批量化生產(chǎn)需求。 比如激光加工設(shè)備成本高且核心器件需進(jìn)口、工作環(huán)境要求高；化學(xué)腐蝕的加工精度及效率均低； 超聲波打孔加工通過應(yīng)用于粗加工；微細(xì)電火花加工技術(shù)具有可加工直徑小、 精度高、無毛刺、可置于熱處理后及能消除噴孔熱處理變形等優(yōu)點(diǎn)，尤其在先進(jìn)噴油孔加工技術(shù)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但放電加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)電極損耗并影響加工孔形及其狀態(tài)。

吳江等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)，電極的形狀損耗對(duì)銑削電火花加工精度影響重大，相比于損耗后的底部凹形電極而言，底部錐形電極的放電集中于底部邊緣處，會(huì)大幅降低加工形狀精度。王元?jiǎng)偟萚15]通過仿真分析電場(chǎng)強(qiáng)度的變化對(duì)不同長度電極損耗的影響，發(fā)現(xiàn)電極損耗主要是角損耗，而較少是端面損耗。 電極的形狀變化是影響微細(xì)電火花加工精度的主要因素。如果電極絲側(cè)損[16]能接近零損耗，便能加工出較為理想的孔，而要實(shí)現(xiàn)該狀態(tài)，則需電極絲在放電過程中始終維持底部端面放電狀態(tài)。 李曉鵬等[17]通過在電極表面復(fù)合電沉積的方式，得到了含納米顆粒的功能梯度材料電極，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得出非均質(zhì)材料電極利用放電端面材料特性差異，能減少棱邊的有害放電、提升電極的耐電蝕能力。 張小燕等[18]通過選取電極材料等分析了電火花加工電極損耗及變形的影響，按照工件材料、工件形狀及加工要求選擇電極材料以減少電極損耗。 曾昭奇等[19]研究得出電火花銑削加工時(shí)不同工作介質(zhì)也會(huì)對(duì)電極損耗產(chǎn)生影響的結(jié)論。 以上研究主要通過理論分析及改變外圍條件來研究及改善電極損耗，具有較高的試驗(yàn)難度與成本，難以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

Bhosle 等[20]指出，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置能實(shí)現(xiàn)更好的加工性能特性。 為加工出接近理想狀態(tài)的倒錐孔，本文分析了放電加工過程中電極的上下伺服運(yùn)動(dòng)速度[21]、電極軸向振動(dòng)頻率[22]、電極擺動(dòng)速度這三個(gè)可控及可量化的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，深入研究了產(chǎn)生電極損耗的原因；分析了放電加工中影響電極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而影響電極損耗的參數(shù)，最終得到了所需的電極絲端面放電效果及優(yōu)質(zhì)的倒錐微孔。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)條件

通常深度為2 mm 的孔具有代表性， 其較厚的加工深度能更好地反映電極形狀損耗[23]對(duì)孔型的影響。 本文的試驗(yàn)條件是： 試件為厚度2.0 mm 的18CrNi8 合金鋼； 電極為直徑0.37 mm 的實(shí)心黃銅絲；工作液為電導(dǎo)率低于5.0 的去離子純凈水；試驗(yàn)平臺(tái)為本單位自研的SE-WK008C 電火花倒錐微孔加工機(jī)床（圖1a）。

圖1 倒錐孔加工系統(tǒng)

1.2 電極絲運(yùn)動(dòng)控制原理

根據(jù)圖1，加工主軸頭（圖1b）由送絲滾輪帶動(dòng)電極絲做上下伺服運(yùn)動(dòng)，送絲滾輪固定于垂直振動(dòng)器上， 垂直振動(dòng)器通過滾輪將振動(dòng)傳給電極絲，使電極絲在電極軸向振動(dòng)。 倒錐機(jī)構(gòu)使陶瓷導(dǎo)向內(nèi)芯產(chǎn)生了以錐度調(diào)節(jié)中心點(diǎn)為中心的圓錐形擺動(dòng)，從而帶動(dòng)電極絲進(jìn)行圓錐形運(yùn)動(dòng)。

電極偏擺中心與工件關(guān)系原理如圖2 所示，以O(shè) 點(diǎn)為偏擺中心（錐度調(diào)節(jié)中心點(diǎn)），若O 點(diǎn)位于上表面A 或其上方時(shí)，加工得到入口小、出口大的錐孔（圖2a）；若O 點(diǎn)位于A、B 平面之間，即O 點(diǎn)位于工件內(nèi)，加工得到出、入口孔徑大而中間直徑小的孔（圖2b）；若O 點(diǎn)位于下表面B 或其下方時(shí)，加工得到與倒錐傾斜角度相反的入口大、出口小的錐孔（圖2c）。 由圖2 可知，加工倒錐孔時(shí)需將偏擺中心置于工件表面，并在實(shí)驗(yàn)時(shí)都以此為基礎(chǔ)進(jìn)行倒錐孔加工，以更好地分析加工孔狀態(tài)。

圖2 電極偏擺中心與工件關(guān)系原理圖

1.3 參數(shù)定義

在倒錐孔[24]加工過程中，電極形狀損耗受到直孔加工的殘?jiān)板F孔加工的電極運(yùn)動(dòng)兩個(gè)損耗因子的疊加影響，因此需詳細(xì)地量化分析各電極運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)電極端面放電現(xiàn)象的影響。 如圖3a 所示，以電極上下伺服運(yùn)動(dòng)速度比、電極軸向振動(dòng)頻率和電極擺動(dòng)速度三個(gè)電極運(yùn)動(dòng)的參數(shù)開展試驗(yàn)，分別分析其加工性能。對(duì)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的描述見表1。體現(xiàn)工件加工性能的主要參數(shù)定義見表2。

表1 三個(gè)可數(shù)控控制的電極運(yùn)動(dòng)參數(shù)及定義

表2 加工性能主要體現(xiàn)參數(shù)及定義

圖3 電極運(yùn)動(dòng)參數(shù)及損耗度定義圖

電極磨損量可分為兩部分，對(duì)應(yīng)于電極長度的變化和圓角的變化[25]。 主要影響孔質(zhì)量的是電極圓角變化，而本文所描述的電極損耗度β 是指對(duì)電極端面的損耗。 通過觀察距離電極端部0.30 mm 處的電極直徑，可較好地量化電極損耗度β（圖3b），進(jìn)而可直觀地分析和對(duì)比各參數(shù)對(duì)電極圓角損耗的影響。 試驗(yàn)選用穩(wěn)定的加工能量值（加工能量由電流、電壓、電容和脈沖模式等決定）；試驗(yàn)用機(jī)床的電極絲錐形擺動(dòng)幅度由手動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)且調(diào)節(jié)后不隨其他狀態(tài)變化而變化；設(shè)定電極絲偏擺調(diào)節(jié)的范圍為單邊0～0.03 mm， 試驗(yàn)中電極采用相同的偏擺量（0.01 mm）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 電極上下伺服速度比的影響

電極上下伺服速度比（Sov）控制了電極加工時(shí)的上、下運(yùn)動(dòng)速度，其設(shè)定值越大時(shí)，電極的運(yùn)動(dòng)速度越大。 本文分別試驗(yàn)了Sov得由0%調(diào)大到100%時(shí)對(duì)應(yīng)的加工效率（T0）、電極損耗度（β）、出口孔徑（φ）、出入口孔徑一致性（Wd）等體現(xiàn)加工性能的數(shù)據(jù)情況， 如表3 和圖4 所示， 隨著Sov變大，β 也變大；T0先由大變小且在Sov約為60%時(shí)最?。醇庸ば首羁欤骉0又逐漸變大；當(dāng)Sov超過50%后，Wd逐漸變小 （孔的質(zhì)量越來越差）、φ 也逐漸變?。椎腻F度逐漸變?。?/p>

表3 不同電極伺服速度比時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 不同伺服速度對(duì)應(yīng)參數(shù)變化的曲線

綜上所述，如果調(diào)小Sov，加工時(shí)電極向下運(yùn)動(dòng)速度隨之變小，電極進(jìn)給速度將逐漸小于工件的材料去除速度，使電極端面能有效放電，從而改善電極損耗效果并顯著提高孔出口孔徑的一致性。當(dāng)Sov小于60%再繼續(xù)調(diào)小時(shí)，由于電極進(jìn)給變慢，加工時(shí)間變長，二者成反比關(guān)系；當(dāng)Sov大于60%再繼續(xù)調(diào)大時(shí)，由于電極進(jìn)給太快，出現(xiàn)排屑補(bǔ)償，使加工狀態(tài)不穩(wěn)定，加工時(shí)間也隨之增加；伺服進(jìn)給加大，會(huì)使電極側(cè)損變大、電極端變?yōu)榧鉅?，影響加工狀態(tài)和加工孔徑。 根據(jù)圖4 和圖5，當(dāng)Sov約為50%時(shí)（所設(shè)電極向下的運(yùn)動(dòng)速度為中間值），能較好地協(xié)調(diào)加工時(shí)間、電極損耗和孔的質(zhì)量。

圖5 不同電極伺服速度比時(shí)的電極損耗實(shí)物圖

2.2 電極擺動(dòng)的影響

電極絲擺動(dòng)速度（Vc）由倒錐機(jī)頭的旋轉(zhuǎn)速度控制，倒錐機(jī)頭轉(zhuǎn)的越快時(shí)，電極圓周擺動(dòng)速度越快。電極不同錐形擺動(dòng)速度時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4、 對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線見圖6。 分析可知，隨著Vc變大，加工時(shí)間將隨著Vc在Vc6~Vc9之間變化時(shí)明顯增加，當(dāng)Vc小于Vc6時(shí)，加工時(shí)間較短（72 s 以內(nèi)），當(dāng)Vc大于Vc9時(shí)，加工時(shí)間較長（200 s 以上）；孔出入口孔徑一致性指標(biāo)值（Wd）隨著Vc的變大而變大，當(dāng)Vc超過Vc6的后，一致性指標(biāo)值達(dá)到最佳；出口孔徑隨著Vc的變大而變大， 與Wd的情況相同， 當(dāng)Vc超過Vc6的后，出口孔徑達(dá)到最大；電極損耗度（β）隨著電極絲擺動(dòng)速度的變大而逐漸變小，即電極絲擺動(dòng)速度越快，電極損耗度越小。

表4 不同錐形擺動(dòng)速度時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 不同電極絲擺動(dòng)速度對(duì)應(yīng)參數(shù)變化的曲線

由于電極絲擺動(dòng)速度越快，越有利于殘?jiān)恍D(zhuǎn)排出， 從而改善放電效果及電極損耗的情況；并且，電極端面放電越充分，電極絲側(cè)損越小。 同時(shí)，隨著Vc 超過Vc6之后， 電極損耗度及加工孔徑的綜合提升，此時(shí)電極損耗比較理想，如圖7a 所示，電極主要處于端面放電狀態(tài)，孔的圓度、一致性等加工質(zhì)量指標(biāo)也達(dá)到最佳。

圖7 電極不同擺動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的電極損耗實(shí)物圖

圖8 不同電極振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)參數(shù)變化的曲線

2.3 電極振動(dòng)頻率的影響

電極高頻振動(dòng)頻率（f）在加工倒錐頭時(shí)可使電極絲上下高頻振動(dòng)，起到振動(dòng)排屑的作用，主要通過控制信號(hào)的輸出頻率來調(diào)節(jié)，振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)范圍為f1~ f11（數(shù)值依次增加）。

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知， 當(dāng)f 小于f1或大于f11時(shí)，無法有效加工；在f1~f11區(qū)間內(nèi)，隨著電極絲擺動(dòng)速度（Vc）變大，加工時(shí)間（T0）隨著電極高頻振動(dòng)，先是由f1開始顯著減小，在f1~f3時(shí)最小，之后隨著f 增至f7時(shí)緩慢變大，當(dāng)f 大于f7時(shí)顯著變大；孔的出入口孔徑一致性（Wd）隨著電極高頻振動(dòng)，由f1時(shí)起顯著提升，隨著f 增大到f6時(shí)達(dá)到98%左右，之后隨著f 的變大而逐漸降低；孔出口孔徑（φ）隨著電極高頻振動(dòng)，由f1時(shí)開始顯著變大，當(dāng)f 增大到f6時(shí)提升到最大，之后隨著f 的變大而逐漸降低；電極損耗度（β）隨著電極高頻振動(dòng)，由f1開始顯著變小，當(dāng)f 增大到f6時(shí)，減小到幾乎為0，之后隨著f 的變大而逐漸變大。

振動(dòng)頻率較小，會(huì)導(dǎo)致電極振動(dòng)的上下幅度較大并超過放電間隙，造成反復(fù)短路，使加工進(jìn)給混亂，無法保持正常加工。 在振動(dòng)頻率達(dá)到f1后，振動(dòng)幅度小于放電間隙，并且振動(dòng)排屑[26]逐漸起作用，開始能有效放電加工，并且放電效率隨著振動(dòng)頻率的提升而提升，而電極損耗逐漸變小，加工孔徑一致性越來越好。 當(dāng)振動(dòng)達(dá)到f6之后，振幅減小，排屑量降低，加工時(shí)間逐漸變長，電極損耗逐漸變大，加工孔一致性也逐漸變差。 圖9 為振動(dòng)頻率在f1和f6時(shí)電極損耗實(shí)物圖。

圖9 不同振動(dòng)頻率時(shí)電極損耗實(shí)物圖

3 電極側(cè)損產(chǎn)生的原因分析

3.1 直孔加工

由圖10a 可知，當(dāng)電極開始放電時(shí)，電極端面先與工件產(chǎn)生放電， 隨著電極逐步往工件內(nèi)進(jìn)給，電極圓角部分出現(xiàn)放電損耗，逐漸地由于加工殘?jiān)谕吓判嫉倪^程中出現(xiàn)非必要放電，電蝕產(chǎn)物若排出不暢，會(huì)在工具電極和孔壁之間形成二次或多次放電,導(dǎo)致電極側(cè)邊損耗異常[27]，甚至使孔壁出現(xiàn)“燒蝕坑”[28]，同時(shí)由于殘?jiān)诠战翘幨艿阶兿蜃枇?，易在拐角處聚集并使此處的?chǎng)強(qiáng)變大，而且聚集在場(chǎng)強(qiáng)最大處的電蝕產(chǎn)物會(huì)集中放電, 破壞工具電極的棱邊形狀[29]，電極側(cè)邊從端部往上參與放電，出現(xiàn)電極角損耗[30]與側(cè)損現(xiàn)象。

圖10 加工過程中電極絲損耗狀態(tài)

3.2 錐孔加工

圖11 是電極擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的朝向示意圖。 通過分析圖11a 所示的運(yùn)轉(zhuǎn)情況可知，由于電極上端被送絲機(jī)構(gòu)夾持住，陶瓷導(dǎo)嘴作錐形擺動(dòng)，帶動(dòng)電極絲產(chǎn)生無相對(duì)摩擦的錐形擺動(dòng)，電極不會(huì)有固定的某一側(cè)面朝外，而是不同擺動(dòng)錐角對(duì)應(yīng)的不同電極外壁朝外，從而產(chǎn)生圖11b~圖11e 所示的電極不同側(cè)面朝外運(yùn)動(dòng)的情況，使電極外側(cè)產(chǎn)生了對(duì)稱而均勻的圓度損耗。

圖11 電極偏擺運(yùn)動(dòng)時(shí)的朝向示意圖

由圖12 可知， 電極在加工時(shí)產(chǎn)生上下伺服進(jìn)給、錐形擺動(dòng)和高頻振動(dòng)，由于這三者的設(shè)定比例值關(guān)系不同，電極由深度L1（圖12a）加工到深度L2（圖12b）時(shí)，分別出現(xiàn)了工件剖面狀態(tài)1（圖13a）及工件剖面狀態(tài)2（圖13b）兩種加工狀態(tài)。

圖12 不同加工深度的電極剖面狀態(tài)示意圖

圖13 不同電極剖面狀態(tài)下的加工錐孔剖面示意圖

當(dāng)電極的進(jìn)給速度比電極擺動(dòng)[31]的速度大n（n>1）倍時(shí)，電極先向下進(jìn)行工件放電加工，再產(chǎn)生擺動(dòng)， 此時(shí)從圖12b 所示狀態(tài)向右側(cè)擺動(dòng)加工，易在圖12d 所示C 側(cè)區(qū)域產(chǎn)生側(cè)邊損耗。 同理，如果保持這種狀態(tài)，將在電極的另外三側(cè)（A、B、D 側(cè)）產(chǎn)生電極側(cè)邊損耗， 最終形成圖10 所示的電極側(cè)邊損耗狀態(tài)；同時(shí)，由于電極損耗區(qū)域變尖以及噴嘴穿透的深度有限，加工孔將出現(xiàn)圖13a 所示的不利現(xiàn)象。

當(dāng)電極擺動(dòng)速度大于電極進(jìn)給速度的m（m>1）倍時(shí)，從宏觀上看，電極尚未向下加工便已擺動(dòng)一周， 此時(shí)相當(dāng)于整個(gè)工件的加工底面同時(shí)放電，而電極始終只有底部端面在進(jìn)行放電加工，則能保證出現(xiàn)比較理想的電極端面損耗情況（圖10b）及錐孔剖面狀態(tài)（圖13b）。

3.3 電極損耗公式總結(jié)

通過對(duì)比分析圖7、圖10、圖13 所示各曲線的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)電極擺動(dòng)速度Vc介于Vc1~Vc12之間時(shí)， 電極損耗度β 與Vc大概率呈線性反比的關(guān)系，即Vc越大則β 越小，其線性系數(shù)為a；當(dāng)伺服進(jìn)給Sov介于10%~100%之間時(shí)，Sov與β 大概率呈線性正比關(guān)系，即Sov越大則β 越大，其線性系數(shù)為k；電極振動(dòng)頻率f 介于f1~f11之間時(shí)，隨著f 的增大，β 先逐漸變小后逐漸變大，二者呈拋物線關(guān)系。

根據(jù)以上總結(jié)，可得倒錐微孔電極損耗度β 與電極運(yùn)動(dòng)的關(guān)系公式：

式中：β 為電極側(cè)面變形度，%；Vc為電極擺動(dòng)速度，r/min；α 為電極擺動(dòng)幅度，mm；k、b、c 均為比例系數(shù)；f 為電極振動(dòng)頻率，Hz。

進(jìn)而言之， 根據(jù)式（1），β 與S 成正比關(guān)系，從圖4 所示曲線圖可知，S 的有效區(qū)間為10%≤S≤100%；β 與Vc成反比關(guān)系，從圖6 所示曲線圖可知Vc的有效區(qū)間為Vc1≤Vc≤Vc12；β 與V 成拋物線關(guān)系， 從圖8 所示曲線圖可知f 的有效區(qū)間為f1≤f≤f11；β 與α 成反比關(guān)系，由試驗(yàn)條件易知α 的當(dāng)前有效區(qū)間為0＜α≤0.02 mm。

4 結(jié)論

本文在相同的參數(shù)條件下，通過研究電火花小孔加工過程中電極絲的擺動(dòng)、振動(dòng)、上下伺服三個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 分析了電極運(yùn)動(dòng)對(duì)加工效果的影響；通過對(duì)電極端面損耗、加工效率及出口孔徑、出口孔徑一致性四個(gè)具體效果參數(shù)的研究，分析了電極各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)電極損耗及零件加工的影響，得到了電極在不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件下對(duì)電極端面損耗的影響關(guān)系，得到的結(jié)論如下：

（1）電極擺動(dòng)速度Vc與電極側(cè)面變形度β 成反比關(guān)系，Vc越大，β 越??； 電極振動(dòng)頻率f 與β 成拋物線關(guān)系，當(dāng)f 達(dá)到f6時(shí)，β 最小，接近為0；電極伺服進(jìn)給速度Sov與β 成正比關(guān)系，Sov越大，β 越大；而加工孔的出口孔徑與β 成反比關(guān)系，β 越小，出口孔徑越大且出入口質(zhì)量越穩(wěn)定。

（2）上述三個(gè)電極運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)對(duì)應(yīng)的加工效率較快時(shí)，電極側(cè)面變形度β 不一定最小，但可找到一個(gè)相對(duì)損耗低又效率高的取值， 即當(dāng)Sov為60%、Vc為Vc6、f 為f6時(shí)， 可相對(duì)較快地加工厚度為2 mm 的淬火后18CrNi8 工件，并實(shí)現(xiàn)電極基本無側(cè)損的端面放電。

（3）研究結(jié)果為倒錐微孔放電加工的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工工藝提供了一定的數(shù)據(jù)參考，但后續(xù)仍需作進(jìn)一步研究，比如針對(duì)電極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)端面放電狀態(tài)的影響，可通過監(jiān)控加工時(shí)極間間隙[32]的電流或電壓狀態(tài)[33]，來分析是否端面放電；可通過控制電極運(yùn)動(dòng)參數(shù)及放電參數(shù)， 形成有效的放電閉環(huán)控制，以更加有效地實(shí)現(xiàn)倒錐微孔端面放電加工。