金屬鎢小孔電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工工藝研究*

張 彥，陳 超

（南京工業(yè)大學(xué)，南京 211800）

微小孔結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如運(yùn)載火箭箭體氣封限流片、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的氣膜冷卻孔、航海陀螺儀表元件、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)噴柱孔、微型滑閥套筒、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒壁面的冷卻小孔等[1–2]。在航空航天領(lǐng)域中,孔的加工是最具挑戰(zhàn)性的，尤其是在鉚接和螺栓連接件的生產(chǎn)過(guò)程，因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)的裝配操作需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)孔[3–5]。這些結(jié)構(gòu)在飛機(jī)服役期間通常會(huì)經(jīng)歷持續(xù)的沖擊和振動(dòng)，可能會(huì)由于低于材料屈服強(qiáng)度的循環(huán)載荷而導(dǎo)致疲勞失效[5]。金屬鎢和鎢合金是航空航天領(lǐng)域一種很重要的結(jié)構(gòu)材料，由于其穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)高（純鎢熔點(diǎn)Tm=3367 ℃）得到重視，用于制作火箭噴管、離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的離子環(huán)、噴氣葉片和定位環(huán)、熱燃?xì)夥瓷淦骱腿細(xì)舛娴萚6]。傳統(tǒng)加工是生產(chǎn)成品零件最常用的二次制造工藝，但應(yīng)用于金屬鎢時(shí)，該過(guò)程可能會(huì)變得非常低效。在鉆孔過(guò)程中，材料通過(guò)鑿刃去除，切屑通過(guò)凹槽排出，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生高推力，并且熱量的有效散發(fā)變得困難[7]。特種加工是傳統(tǒng)加工工藝的重要補(bǔ)充與發(fā)展，因?yàn)榧庸r(shí)可以無(wú)視加工對(duì)象的機(jī)械性能，其中利用電能的電火花加工和電解加工應(yīng)用較廣，泛稱電加工。

電火花加工（EDM）是在介電流體存在下，通過(guò)在工具和工件之間傳遞一系列空間離散的高頻放電或火花來(lái)蝕除導(dǎo)電材料的過(guò)程[8]。無(wú)論材料硬度如何，都通過(guò)熔化和部分汽化去除[9]。電解加工 （ECM）依靠陽(yáng)極電化學(xué)溶解機(jī)理去除材料，具有加工表面無(wú)重鑄層、殘余應(yīng)力或微裂紋等優(yōu)點(diǎn)，而且沒(méi)有刀具磨損。雖然EDM 在加工鎢上擁有巨大的潛力，但是熱效應(yīng)會(huì)對(duì)所生產(chǎn)表面的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響[10]，這種效應(yīng)可能是鎢本身高導(dǎo)熱性的結(jié)果。由于EDM是一種熱工藝，雖然鎢滿足高效電火花加工的良好導(dǎo)電性要求，但其高導(dǎo)熱性可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)并限制材料去除率，最終導(dǎo)致表面完整性差和工具嚴(yán)重磨損[11]。Krauss 等[12]觀察到，EDM 加工的鎢結(jié)構(gòu)中存在微裂紋形式的表面缺陷和高表面粗糙度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)ECM 對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響最小。Han 等[13]對(duì)鎢電火花加工的研究表明，即使是高質(zhì)量的電火花加工零件也會(huì)有加工不良的表面，表面缺陷通常包括形成重鑄層、微裂紋和拉伸殘余應(yīng)力。

ECM 在鎢中的工業(yè)應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閃O3鈍化氧化層的形成會(huì)抑制材料的持續(xù)溶解并導(dǎo)致表面缺陷，Krauss 等[14]的研究表明，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電解質(zhì)的pH 值去除這些鈍化層，以產(chǎn)生所需的無(wú)缺陷表面；Holstein 等[15]開(kāi)發(fā)了一種由硝酸鹽和氨組成的雙組分電解質(zhì)溶液，這兩種電解質(zhì)具有不同的電化學(xué)功能，且這種處理技術(shù)允許pH 值的變化與電解質(zhì)電導(dǎo)無(wú)關(guān)。將不需要加工的表面暴露在電解液上會(huì)導(dǎo)致意外的雜散腐蝕，從而對(duì)ECM 精度產(chǎn)生重大影響，并可能損壞鎢零件的其他區(qū)域。減輕此問(wèn)題的一種方法是降低堿性電解質(zhì)的濃度并使用脈沖電流，但材料去除率會(huì)降低。Zhang等[16]通過(guò)開(kāi)發(fā)由NaClO3和NaOH組成的溶液，可以同時(shí)減少雜散腐蝕并提高加工效率；試驗(yàn)表明NaClO3在電解液中增加了電解質(zhì)的導(dǎo)電性，并在未加工區(qū)域形成氧化膜，從而消除了這些區(qū)域中的雜散腐蝕；此外，NaOH 可以去除加工區(qū)域中的氧化膜，并確保材料的連續(xù)溶解，且該方法的有效濃度是質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaClO3和0.3% NaOH。

EDM 和ECM 已應(yīng)用于微米級(jí)復(fù)雜形狀鎢部件的微加工工藝。Fan等[17]描述了使用脈沖電源制造鎢微電極，表征了各種工作參數(shù)的影響，包括施加的電壓、脈沖周期、占空比和電解質(zhì)溫度，同時(shí)表明可以成功制造直徑為100 μm，長(zhǎng)度為2 mm、3 mm 和4 mm 的微電極。Liu 等[18]演示了使用線材電化學(xué)微加工生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的微型刀具。通過(guò)使用相對(duì)較低的脈沖持續(xù)時(shí)間 （60 ns）和電解質(zhì)濃度 （0.1 mol/L）來(lái)獲得穩(wěn)定性，He 等[19]通過(guò)生產(chǎn)具有更高精度的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)了制造工藝。

總之，EDM 作為一種被廣泛應(yīng)用的微小孔加工工藝，尤其對(duì)于難切削材料的微細(xì)加工，具有成本低、精度高的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于純鎢的微小孔加工，由于其極高的熔化溫度，EDM還存在一定困難。鎢小孔加工深度越大時(shí)，電蝕產(chǎn)物沿著微米量級(jí)的電極間隙排出越困難，電蝕產(chǎn)物在孔底積聚會(huì)影響放電過(guò)程的穩(wěn)定性，導(dǎo)致電極損耗急劇增大，而工件材料的去除速率則趨近于0。電解性能 （包括濃度和pH 值）在ECM 中至關(guān)重要，但由于鈍化層WO3的形成和雜散腐蝕，ECM 在鎢中的工業(yè)應(yīng)用仍然有限。此外，ECM 是一種昂貴且能源密集型的工藝，可能是所有加工工藝中能耗最高的。ECM 的使用還與嚴(yán)格的健康和安全要求有關(guān)，進(jìn)一步限制了迄今為止的廣泛采用。

航空結(jié)構(gòu)小孔的指標(biāo)是孔表面粗糙度、毛刺形成和尺寸精度。保持良好的孔質(zhì)量對(duì)于避免結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)裂紋非常重要。為了實(shí)現(xiàn)金屬鎢小孔的高質(zhì)量加工，本文將EDM 和ECM 兩種特種加工工藝方法相結(jié)合，使高速電火花穿孔與電解同時(shí)進(jìn)行，電解產(chǎn)生氫氣而形成的氣膜可以促進(jìn)等離子體放電通道高效率形成蝕除工件材料，同時(shí)去除因高溫熔融產(chǎn)生的重鑄層等缺陷。提出一種在具有一定電導(dǎo)率的鹽溶液下電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工的工藝方法，開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)研究分析金屬鎢小孔的電火花能場(chǎng)加工與復(fù)合能場(chǎng)加工的不同效果。對(duì)于復(fù)合能場(chǎng)加工中主要參數(shù)的影響，通過(guò)試驗(yàn)分別探究溶液濃度、脈沖寬度、脈沖間隙和峰值電流的作用規(guī)律，進(jìn)而獲取最佳工藝參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的加工效果。本研究為在金屬鎢上加工高深寬比的微孔提供了理論和技術(shù)支持，在航空航天領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工機(jī)理

電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工采用金屬管電極作為工具電極，旋轉(zhuǎn)時(shí)伴隨著高壓內(nèi)沖液和脈沖直流電源等措施，使電火花加工和電解加工同時(shí)進(jìn)行。工作液從管電極與工件之間的側(cè)隙流出，并帶出加工過(guò)程中產(chǎn)生的電火花與電解產(chǎn)物，如圖1 所示。

圖1 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of machining principle of electrospark-electrolytic hybrid energy field

電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工的主要材料去除機(jī)制與等離子體通道的快速形成有關(guān)。當(dāng)電流密度達(dá)到一定臨界值時(shí)，工具電極周?chē)鷷?huì)形成一層薄薄的絕緣氣膜，工具電極的絕緣產(chǎn)生了106V/cm 的高電場(chǎng)，在電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)介電強(qiáng)度的條件下，當(dāng)電子在兩個(gè)電極之間的氣體環(huán)境中加速時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)熱等離子體，即等離子體通道依靠電解反應(yīng)產(chǎn)生的氣膜和工具電極之間的電擊穿形成。等離子體可以促進(jìn)大量電子撞擊工作電極表面，從而加速歐姆加熱和工作電極周?chē)娊赓|(zhì)的汽化。電子加速向陽(yáng)極方向進(jìn)行碰撞反應(yīng)并激發(fā)氣體中的原子或分子，激發(fā)可引起完全或部分電離。電離釋放的額外電子也加速向陽(yáng)極移動(dòng)，并導(dǎo)致更多的碰撞和進(jìn)一步的電離，最終形成高導(dǎo)電性等離子體通道，電流可以以電弧的形式通過(guò)。同時(shí)電子和較大粒子之間的碰撞變得更加頻繁，這些碰撞轉(zhuǎn)移了電子的動(dòng)能，帶電粒子的復(fù)合提高了氣體的溫度。

電解液溫度的局部升高會(huì)產(chǎn)生更高的局部電解質(zhì)電導(dǎo)率和更高的局部電流密度，局部區(qū)域溫度越高，反應(yīng)活化能越低。此外，脈沖等離子體火花放電產(chǎn)生的流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)可以增強(qiáng)電極間隙處的反應(yīng)產(chǎn)物運(yùn)輸過(guò)程。等離子體放電也有助于去除加工高鈍化材料的氧化層。另一方面，電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工工藝中形成的氣膜也可以隔離刀具電極并抑制不需要的側(cè)表面雜散放電加工。

金屬工件可以依靠等離子體通道將火花放電轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極表面，使其成為電極之一，通過(guò)這種方式獲得了最高的表面加熱速率和最有效的能量傳輸。如圖2 所示，電解作用產(chǎn)生的氫氣形成氣膜，由于非常高的電場(chǎng)強(qiáng)度，氣體內(nèi)最初形成弱電離通道，導(dǎo)致以陰極為起點(diǎn)的電子雪崩，然后等離子體通道從工具電極迅速向陽(yáng)極增長(zhǎng)，最終連接工具電極和工件造成材料的高溫蝕除。與此同時(shí)，因?yàn)殡娊夥磻?yīng)的作用，側(cè)壁形成的重鑄層會(huì)被溶解去除，實(shí)現(xiàn)無(wú)重鑄層的小孔加工。

圖2 導(dǎo)致火花等離子體放電的擊穿機(jī)制Fig.2 Breakdown mechanism leading to spark plasma discharge

1.2 試驗(yàn)裝置

鎢的電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工試驗(yàn)平臺(tái)選用精細(xì)型小孔加工機(jī)，如圖3 所示。采用黃銅管作為工具電極，利用放電蝕除原理，在工具電極與工件之間施加高頻脈沖電源形成小脈寬，大峰值電流的放電加工，輔以高壓水冷卻排渣，使工件的蝕除速度大大加快，特別適用于在不銹鋼，淬火鋼、銅、鋁，硬質(zhì)合金等各種導(dǎo)電材料上加工直徑Φ0.3～Φ3.0 mm 之間的深小孔，深徑比最高可達(dá)300∶1。機(jī)床硬件主要組成部分包括位移平臺(tái)、電極旋轉(zhuǎn)主軸、內(nèi)沖液系統(tǒng)、電極導(dǎo)向裝置等。位移平臺(tái)通過(guò)X、Y兩個(gè)方向控制工件平面位置，位移導(dǎo)向保證工具電極的位置精度，可使加工的微小孔呈陣列分布。機(jī)床軟件部分由電源和伺服控制系統(tǒng)組成，其中電源采用的是RC–晶體管復(fù)合脈沖電源，可有效控制電容充電時(shí)間，適應(yīng)不同加工條件，改善加工狀態(tài)；伺服控制系統(tǒng)包括放電狀態(tài)檢測(cè)和主軸運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)控制等。同時(shí)Z軸具有定深功能，電極接觸工件自動(dòng)清零，定深結(jié)束自動(dòng)回退至所設(shè)高度。

圖3 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Electrospark-electrolytic hybrid energy field machining experimental platform

在硬質(zhì)合金的陽(yáng)極表面上會(huì)形成中斷電化學(xué)溶解的非導(dǎo)電氧化膜。因?yàn)檠趸た梢员粔A性電解質(zhì)溶解，所以堿性電解質(zhì)如氫氧化鈉（NaOH）和氫氧化鉀 （KOH）通常用于ECM 加工硬質(zhì)合金。但堿性電解質(zhì)有毒，易腐蝕試驗(yàn)設(shè)備，所以將具有一定電導(dǎo)率的中性電解質(zhì)硝酸鈉 （NaNO3）水溶液用于電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工金屬鎢小孔的試驗(yàn)。

當(dāng)向電極施加脈沖電壓時(shí)，相對(duì)較高的電壓促進(jìn)陰極析氫并誘導(dǎo)等離子體放電，同時(shí)發(fā)生陽(yáng)極溶解，導(dǎo)致材料從工件中去除。電極表面涉及的電化學(xué)反應(yīng)可以表示為

陽(yáng)極：

陰極：

加工前將純度為99.95%的金屬鎢在超聲波清洗機(jī)內(nèi)使用無(wú)水乙醇清洗3 min，設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)，如表1 所示，脈沖寬度3 μs、脈沖間隙12 μs、峰值電流14.17 A、硝酸鈉濃度12 g/L。之后再使用加工機(jī)床對(duì)鎢進(jìn)行通孔加工，以黃銅管電極完全通過(guò)工件為小孔加工結(jié)束的標(biāo)志，分別觀察電火花能場(chǎng)加工和電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工下的試驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)記錄加工前后鎢和黃銅管電極的質(zhì)量及加工時(shí)間，用于計(jì)算材料去除率和電極損耗率。

表1 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工條件Table 1 Machining conditions of electrospark-electrolytic hybrid energy field

2 結(jié)果與討論

2.1 小孔形貌

對(duì)比金屬鎢表面小孔加工形貌，如圖4 所示，在電火花能場(chǎng)加工的小孔可以觀察到熔融產(chǎn)物堆積，存在明顯的重鑄層，入口處較為粗糙且管電極加工產(chǎn)生的“殘余中心柱”非常明顯。而復(fù)合能場(chǎng)加工可以觀察到電化學(xué)溶解作用去除工件材料痕跡，并且小孔孔口邊緣比較光滑，存在一定的倒圓，電解反應(yīng)具有一定的擴(kuò)孔效應(yīng)，使得復(fù)合能場(chǎng)加工孔徑比電火花加工孔徑稍大。同時(shí)，火花放電在加工時(shí)產(chǎn)生的電蝕物 （金屬碎屑、炭等），如果來(lái)不及排除，擴(kuò)散出去，就會(huì)破壞消電離的過(guò)程 （消電離不充分），使下一個(gè)脈沖放電通道始終集中在某一部位，介質(zhì)和金屬表面局部過(guò)熱, 火花放電將轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻Φ姆€(wěn)定電弧放電，使加工無(wú)法進(jìn)行，而電解作用產(chǎn)生的氣泡不僅可以促進(jìn)等離子體放電通道的形成，還可以加快加工產(chǎn)物的排除，有效提高排屑效率，改善加工質(zhì)量。綜上所述電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工孔的表面質(zhì)量及可靠性優(yōu)于電火花能場(chǎng)加工。

圖4 不同能場(chǎng)下小孔孔口形貌對(duì)比Fig.4 Comparison of small pore morphology in different energy fields

2.2 電極損耗

在加工過(guò)程中，由于銅的比熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)均明顯高于鎢，造成電火花放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量吸收差異較大，同時(shí)銅熔點(diǎn)低于鎢，導(dǎo)致材料去除量極小，而黃銅管電極卻有很大的損耗，如圖5 所示。小面積精加工由于放電間隙小，排屑比較困難，電極尖端部位電場(chǎng)強(qiáng)度大而易出現(xiàn)尖端放電現(xiàn)象，使電極尖角和棱邊損耗較大。在電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工中，這種損耗尤為明顯，恰恰說(shuō)明等離子體通道的快速形成可以促進(jìn)電能量在兩極之間快速釋放。電極損耗率除了與放電能量有關(guān)以外，還與當(dāng)量放電面積有關(guān)。當(dāng)量放電面積指工具表面發(fā)生放電的部位在垂直于工具進(jìn)給方向的平面上的投影面積[20]，而電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工時(shí)的放電能量和當(dāng)量放電面積要明顯高于電火花能場(chǎng)加工。

圖5 不同能場(chǎng)下工具電極形貌對(duì)比Fig.5 Comparison of tool electrode morphology at different energy fields

采用去離子水作為工作液進(jìn)行電火花加工后，工具電極表面存在大量由于火花放電造成的蝕除痕跡；而采用電火花–電解復(fù)合加工的工具電極只在電極端部存在火花放電高溫熔融的痕跡，電極側(cè)面幾乎不存在火花放電的蝕除凹坑。

2.3 加工效率

不同能場(chǎng)下材料去除率 （MRR）和電極損耗率 （TWR）如圖6 所示，電火花能場(chǎng)加工的電極損耗率為0.39 mg/s， 材料去除率僅為0.058 mg/s；而電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工的電極損耗率為0.22 mg/s，材料去除率為0.13 mg/s，相對(duì)去除率遠(yuǎn)高于電火花能場(chǎng)加工，原因是加工時(shí)存在電解作用，同時(shí)側(cè)面加工間隙較大，間隙內(nèi)不易發(fā)生“二次放電”，有效減少了工具電極的損耗[21]。復(fù)合能場(chǎng)加工的材料去除率更高，因?yàn)閮蓸O間等離子體通道的快速形成，而電子的速度又遠(yuǎn)高于其他大粒子，加工時(shí)工件被動(dòng)能更大的電子轟擊，電能量會(huì)更多地集中在工件一端。

圖6 不同能場(chǎng)下材料去除率和電極損耗率Fig.6 MMR and TWR under different energy fields

可以看到，即使是相對(duì)去除率更高的電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工，工具電極的損耗率仍然大于工件的去除率。因?yàn)樵陔娀鸹庸ぶ?，電極與工件材料的物理特性對(duì)放電蝕除量具有重要的影響。工具電極耐蝕性越高，損耗越小，仿形精度越高；工件材料耐蝕性越低，蝕除量越大，加工速度越高。

根據(jù)熱過(guò)程理論,放電痕熔化體積V為

式中，Q為電極上脈沖放電區(qū)域積聚的熱量；C為熱容量；ρ為密度；Tr為熔點(diǎn)；T0為原始溫度；qr為熔化潛熱。

由此可見(jiàn)，蝕除量與材料的熱學(xué)物理常數(shù)有關(guān)。一般情況下，材料耐蝕性K可用式 （2）的熱學(xué)物理常數(shù)來(lái)表示。常用材料的熱學(xué)物理常數(shù)如表2 所示。

表2 常用材料的熱學(xué)物理常數(shù)Table 2 Thermal physical constants of commonly used materials

式中，T表示熔點(diǎn)Tr減去原始溫度T0；λ是用傳溫系數(shù)a來(lái)表示的一個(gè)系數(shù)。

顯然，因其極高的熔點(diǎn)，金屬鎢具有非常高的耐蝕性，所以工具電極的損耗總是高于工件，但電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工不僅擁有更高的材料去除率，還具有更低的電極損耗率。

2.4 工藝優(yōu)化

2.4.1 正交設(shè)計(jì)方案

正交試驗(yàn)法是用于多因素試驗(yàn)的一種方法，是從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些代表點(diǎn)具有均勻和整齊的特點(diǎn)。

本次試驗(yàn)選取硝酸鈉濃度、脈沖寬度、脈沖間隙和峰值電流作為正交設(shè)計(jì)的4 個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置4 個(gè)水平，見(jiàn)表3。試驗(yàn)選用5 因素4 水平的正交設(shè)計(jì)方案L16（45），見(jiàn)表4。

表3 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工鎢正交試驗(yàn)因素水平Table 3 Orthogonal test factors and levels of tungsten machining by electrospark-electrolytic composite energy field

表4 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工鎢正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 4 Orthogonal experimental design scheme of tungsten machining by electrospark-electrolytic combined energy field

2.4.2 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工正交試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)16 組電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工金屬鎢小孔的記錄，整理后計(jì)算得到各組試驗(yàn)的材料去除率和電極損耗率，見(jiàn)表5。

表5 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工鎢正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal test on machining tungsten by electrospark-electrolytic combined energy field (mg/s)

2.4.3 影響因素分析

根據(jù)正交試驗(yàn)理論，將各個(gè)因素相同水平平均，極差是各水平之和中最大值減去最小值得出的值，極差大小反映了該因素選取不同水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)的影響大小。下面對(duì)各因素對(duì)電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工金屬鎢小孔效果的影響進(jìn)行分析。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中影響材料去除率的各因素每個(gè)水平求均值和極差值，結(jié)果見(jiàn)表6，可以看出，硝酸鈉濃度的極差值最大，其次是峰值電流，再次是脈沖間隙，最后是脈沖寬度，這說(shuō)明硝酸鈉濃度對(duì)材料去除率的控制起主要作用。

表6 材料去除率極差分析Table 6 Range analysis of MRR

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中影響TWR的各因素每個(gè)水平求均值和極差值，結(jié)果見(jiàn)表7，可以看出，脈沖間隙的極差值最大，其次是峰值電流，再次是脈沖寬度，最后是硝酸鈉濃度，這說(shuō)明脈沖間隙對(duì)電極損耗率的控制起主要作用。

表7 電極損耗率極差分析Table 7 Range analysis of TWR

下面利用直觀分析圖更詳細(xì)地分析各因素對(duì)電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工作用規(guī)律的影響。

（1）硝酸鈉濃度對(duì)電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工作用規(guī)律。

加工過(guò)程中電解作用產(chǎn)生的氫氣會(huì)包裹工具電極形成氣膜，氣膜作為非導(dǎo)電相在電極和工件之間造成電位差滿足了等離子體通道形成的條件。硝酸鈉濃度在18 g/L 之內(nèi)時(shí)，隨著濃度的增加，材料去除率逐漸提高；而當(dāng)濃度達(dá)到24 g/L 時(shí)，材料去除率開(kāi)始下降，而且電極損耗率大大增加，如圖7 所示。在低濃度時(shí)，硝酸鈉的電導(dǎo)率與電解質(zhì)濃度成正比，因?yàn)楦嗟碾x子攜帶電荷，電解質(zhì)濃度的增加會(huì)引起電導(dǎo)率的增加。同時(shí)，通過(guò)減少氣泡脫離時(shí)間和氣膜形成階段，可以獲得更穩(wěn)定的氣膜。電導(dǎo)率的增加降低了臨界電壓，進(jìn)而降低氣膜厚度。薄而穩(wěn)定的氣膜將促進(jìn)等離子體通道的快速形成，使更多的放電能量傳遞到工件表面，同時(shí)可以限制微通道表面的雜散侵蝕，產(chǎn)生側(cè)壁尖銳、幾何質(zhì)量高的小孔通道。但是可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硝酸鈉濃度超過(guò)一定限度時(shí)，由于離子相互作用，電導(dǎo)率反而會(huì)降低，導(dǎo)致加工效率降低。

圖7 不同硝酸鈉濃度的試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of different concentrations of NaNO3

（2）脈沖寬度對(duì)電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工作用規(guī)律。

隨著脈沖寬度的增加，材料去除率略有減少，但電極損耗率卻逐漸增加，如圖8 所示。因?yàn)橄鄬?duì)低的脈沖寬度有利于縮小等離子體放電通道的直徑，能量釋放更加集中。隨著脈沖寬度的增加，單個(gè)脈沖放電能量增大并集中在工具電極一端，所以電極損耗率也隨之逐漸提高。

圖8 不同脈沖寬度的試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of different pulse widths

（3）脈沖間隙對(duì)電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工作用規(guī)律。

隨著脈沖間隙的增加，加工時(shí)間逐漸增加，且在20 μs 時(shí)電極損耗率達(dá)到最低拐點(diǎn)，如圖9 所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著脈沖間隙增加，單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)減少，雖然脈沖能量較大，但是單位時(shí)間放電次數(shù)減少使得單位時(shí)間內(nèi)脈沖能量較小，相應(yīng)的電極損耗較小。

圖9 不同脈沖間隙的試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of different pulse gaps

（4）峰值電流對(duì)電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工作用規(guī)律。

隨著峰值電流的增加，加工時(shí)間在依次減少，電極損耗率逐漸提高，但在峰值電流為14.17 A 時(shí)材料去除率出現(xiàn)最高拐點(diǎn)，如圖10 所示。峰值電流會(huì)決定加工過(guò)程中所釋放的能量總量，高峰值電流導(dǎo)致更多電子向陽(yáng)極高速運(yùn)動(dòng)，轟擊工件表面產(chǎn)生大量電蝕凹坑，同時(shí)也會(huì)讓電極損耗劇烈增加。

2.4.4 工藝優(yōu)化后的電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工金屬鎢小孔

通過(guò)正交試驗(yàn)研究電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)對(duì)加工參數(shù)的影響，得到最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)為NaNO3濃度18 g/L、脈沖寬度3 μs、脈沖間隙20 μs、峰值電流14.17 A。針對(duì)金屬鎢小孔的加工，在此參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工通孔試驗(yàn)，結(jié)果如圖11 所示。加工通孔孔口邊緣光滑，入口直徑588 μm，出口直徑582 μm，孔徑一致性良好，無(wú)明顯錐度。試驗(yàn)結(jié)果表明該電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工方法可以用于孔壁無(wú)重鑄層、孔口有倒圓的金屬鎢小孔的加工。

圖11 電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工金屬鎢小孔Fig.11 Machining tungsten holes by electrospark-electrolytic combined energy field

3 結(jié)論

（1）進(jìn)行鎢的電火花加工時(shí)，電極材料和工件物理屬性存在差異，金屬鎢極高的熔點(diǎn)使其具有非常高的耐蝕性，導(dǎo)致電極損耗量非常大，在短時(shí)間內(nèi)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)小孔加工。

（2）分析了電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)加工的機(jī)理，其利用電解作用產(chǎn)生氣體的特點(diǎn)，促進(jìn)兩極之間等離子體放電通道的快速形成。相對(duì)于電火花加工，可以產(chǎn)生更頻繁的高能量火花放電，實(shí)現(xiàn)金屬鎢小孔的高效率加工。

（3）通過(guò)正交試驗(yàn)研究電火花–電解復(fù)合能場(chǎng)對(duì)加工參數(shù)的影響，研究了NaNO3濃度、脈沖寬度、脈沖間隙及峰值電流作用規(guī)律，并得到最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)為NaNO3濃度18 g/L、脈沖寬度3 μs、脈沖間隙20 μs、峰值電流14.17 A。