王振龍，張靜，王玉魁，耿雪松

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

微細電火花內(nèi)沖液小孔加工的非電參數(shù)工藝研究

王振龍，張靜，王玉魁，耿雪松

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

采用內(nèi)沖液方式能有效提高微細電火花小孔加工的效率，研究了微細電火花內(nèi)沖液孔加工中的內(nèi)沖液壓力、電極轉(zhuǎn)速等非電參數(shù)對加工效率和電極損耗的影響及電極轉(zhuǎn)速對孔徑大小的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當內(nèi)沖液壓力達到一定值后，其對效率的提高作用會減弱；高轉(zhuǎn)速電極對提高加工效率、降低電極損耗很有必要；且電極轉(zhuǎn)速越高，放電越均勻，加工出的孔徑越小。

微細電火花加工；小孔加工；內(nèi)沖液壓力；電極轉(zhuǎn)速

隨著航空航天、電子通信、光學、醫(yī)療器械等的發(fā)展，孔加工的應用越來越廣泛，如：為實現(xiàn)減重、散熱、通氣等功能，航空發(fā)動機中有相當數(shù)量的零件需進行各種小孔加工[1]，尤其以深小孔的加工最為困難。電火花加工屬于非接觸加工，可加工任何硬度的導電材料，在深小孔加工方面具有獨特的優(yōu)勢。但電火花小孔加工也存在一定的局限性，由于加工小孔時的工具電極截面積小，可用的加工規(guī)準小，爆炸力弱，使孔底的電蝕產(chǎn)物難以排出[2]，且電極損耗較大。

為提高深小孔的加工速度，國內(nèi)外在20世紀80年代初先后提出了高速電火花小孔加工的工藝方法[3]，其加工效率和深徑比能在普通小孔加工的基礎上提高幾十倍甚至上百倍。針對電極損耗的問題，研究人員提出了電極損耗的評估補償方法，并對電極路徑進行相應優(yōu)化[4-5]。電火花小孔加工中，加工效率和電極相對損耗除了與電參數(shù)有關外，還與管電極的內(nèi)沖液壓力、電極旋轉(zhuǎn)速度等密切關聯(lián)[6-7]。由于國內(nèi)生產(chǎn)的小孔加工設備存在高轉(zhuǎn)速漏油等問題，轉(zhuǎn)速一般在200～300 r/min左右，且孔的成形精度低，這方面的研究還有待加強。本文利用自主研制的微細電火花內(nèi)沖液小孔機床，進行小孔結構的電火花加工實驗。為保證加工精度，控制微能脈沖能量，分別改變內(nèi)沖液壓力和電極轉(zhuǎn)速，記錄并分析了加工時間、電極損耗量及孔徑大小，總結出高速電火花小孔加工的加工效率和電極損耗隨內(nèi)沖液壓力、電極轉(zhuǎn)速等非電參數(shù)的變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置采用自主設計的微細電火花小孔加工機床，由床身、XYZ軸、高速主軸、導向器、工作液循環(huán)系統(tǒng)及RC電源等組成。工作原理見圖1。與國內(nèi)普通小孔機相比，主軸轉(zhuǎn)速最高可達2000 r/min，可夾持直徑0.06～3 mm的管電極，最高承受5 MPa的壓力。

圖1 機床工作原理圖

1.2 實驗基本參數(shù)

實驗基本條件及電參數(shù)見表1。本文主要研究內(nèi)沖液壓力和電極轉(zhuǎn)速對微細電火花孔加工的影響，故實驗過程中保持其他參數(shù)不變，分別改變內(nèi)沖液壓力和電極轉(zhuǎn)速，記錄工件的加工時間和電極進給量，可得到壓力和轉(zhuǎn)速對加工效率和電極損耗的影響。

表1 實驗條件及參數(shù)

實驗中的加工工件采用CrWMn管狀工具鋼，壁厚約3.1 mm，用直徑0.5 mm的管電極，在工件側(cè)壁加工出通孔，最終加工出的孔的深徑比為5.7左右。由于機床的高速主軸最小可裝卡直徑0.06 mm的管電極，對工作液質(zhì)量要求非常高，為防止管電極堵塞，實驗采用一次性電火花專用煤油。為控制孔徑大小，實驗選擇較小的電壓、電流和電容值。

2 實驗結果及討論

2.1 內(nèi)沖液壓力的影響

首先保持表1所示的電參數(shù)不變，控制電極轉(zhuǎn)速在1000 r/min，內(nèi)沖液壓力從0.5 MPa開始，并以0.5 MPa為間隔，記錄內(nèi)沖液壓力從0.5～4 MPa時打通工件側(cè)壁的加工時間及電極進給量，多次實驗取平均值。經(jīng)計算得到加工時間和電極相對損耗隨內(nèi)沖液壓力的變化曲線圖（圖2）。

圖2 內(nèi)沖液壓力對加工時間和電極損耗的影響

由圖2可知，隨著內(nèi)沖液壓力的不斷增大，加工時間和電極相對損耗都呈下降趨勢。當壓力在0.5～2 MPa時，隨著壓力增大，加工時間和電極相對損耗急劇減少；繼續(xù)增大壓力，加工時間也有所減少，但變化已趨于平緩，而電極相對損耗的下降幅度也相對較小。加工碎屑難以排出是影響加工效率的最大因素，采用內(nèi)沖液的方式能很好地改善排屑條件，有利于正常放電，故能使加工時間大大縮短。但當壓力達到一定程度時，即工作液流速達到一定值后，繼續(xù)增大壓力，對工作液中碎屑的稀釋作用會變得越來越弱，所以加工時間的降幅也相應減小。隨著加工時間的減少，電極損耗也相應減少，因此，電極相對損耗折線圖與加工時間折線圖呈同樣的變化規(guī)律。

2.2 管電極轉(zhuǎn)速的影響

2.2.1 轉(zhuǎn)速對加工效率和電極損耗的影響

保持電參數(shù)和內(nèi)沖液壓力為2 MPa不變，依次增加電極轉(zhuǎn)速，記錄電極轉(zhuǎn)速從100～2000 r/min時打通工件側(cè)壁的加工時間和電極進給量，分析得到加工時間和電極相對損耗隨電極轉(zhuǎn)速變化的折線圖（圖3）。可看出，加工時間和電極相對損耗的變化趨勢大致相同，電極轉(zhuǎn)速從100～1000 r/min過程中，加工時間和電極相對損耗隨著轉(zhuǎn)速的提高迅速減少，尤其是在轉(zhuǎn)速100～500 r/min階段；當電極轉(zhuǎn)速超過1000 r/min時，加工時間和電極相對損耗仍隨著轉(zhuǎn)速的增大而減少，但變化趨勢相對減緩。對加工時間而言，從1000 r/min時的22.67 min降低到2000 r/min時的12.83 min，效率提高了43%，可看出選用高轉(zhuǎn)速電極對效率的提高很有必要。

圖3 電極轉(zhuǎn)速對加工時間和電極損耗的影響

實驗還采集了不同電極轉(zhuǎn)速下的電壓電流波形圖。比較圖4a、圖4b可看出，電極在2000 r/min時的有效放電波形數(shù)遠高于200 r/min時，說明電極轉(zhuǎn)速的提高，可使放電均勻穩(wěn)定，增加有效放電波形。

圖4 不同電極轉(zhuǎn)速下的波形圖

同時，機床本身具有實時監(jiān)測加工放電狀況的功能。圖5是將電極轉(zhuǎn)速從200 r/min迅速增加到2000 r/min時機床自身的監(jiān)測波形圖。在不同轉(zhuǎn)速下的短路率和開路率見表2，也同樣說明了電極轉(zhuǎn)速越高，越有利于微細電火花孔加工的正常放電，使有效放電數(shù)量的比例增加，蝕除工件的加工時間相對增加，進而提高了加工效率。同樣，總的加工時間縮短了，電極損耗也相應減小。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的短路率與開路率

圖5 機床監(jiān)測波形圖

2.2.2 轉(zhuǎn)速對孔徑的影響

實驗采用CCD測量了不同電極轉(zhuǎn)速下加工出的孔徑大小。從圖6可看出，孔徑大小隨著電極轉(zhuǎn)速的提高而減小，且轉(zhuǎn)速較高時繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，孔徑變化趨緩。這是因為轉(zhuǎn)速越高，工件與電極之間放電越均勻，加工穩(wěn)定性越好，加工效率高，有效減少了二次放電，故加工完成的小孔孔徑更小。

圖6 電極轉(zhuǎn)速對孔徑的影響

3 總結

本文對微細電火花內(nèi)沖液小孔加工進行了實驗研究，為保證孔的加工精度，采用小的電參數(shù)，控制放電能量的大小，合理選擇內(nèi)沖液壓力值并適當提高轉(zhuǎn)速，兼顧了加工效率與孔的精度?？偨Y實驗規(guī)律，可得到以下結論：

（1）內(nèi)沖液壓力越大，加工效率越高，電極相對損耗越??；但當壓力達到一定值后，繼續(xù)增大壓力，對提高效率和減小電極損耗的作用會減弱。

（2）高轉(zhuǎn)速的電極對于微細電火花內(nèi)沖液孔加工還是很有必要的。電極旋轉(zhuǎn)速度從200 r/min提高到1000 r/min，加工效率可提高4倍，且轉(zhuǎn)速再從1000 r/min升高到2000 r/min，效率仍能提高43%。

（3）高轉(zhuǎn)速的電極還能有效減小孔徑大小，提高孔的加工精度。最終用直徑0.5 mm的管電極加工出孔徑為0.541 mm的孔，深徑比為5.7，單邊放電間隙為20 μm。

由于受實驗設備的限制，內(nèi)沖液壓力最高只能達到4 MPa，電極轉(zhuǎn)速最高只能達到2000 r/min，因此，更高壓力和轉(zhuǎn)速下的加工特性還有待今后進一步研究。

[1]葉樹林.小孔的特種加工技術綜述[J].機械工程師，1997（6）：48-50.

[2]Peng Shouzhi.EDM machining small deep hole of special high melting point alloy[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2002（4）：34.

[3]王潤倉.高速電火花加工小孔的發(fā)展及應用[J].電加工，1991（3）：2-5.

[4]EL-Midany T T，Kohail A M，Tawfik H.A proposed algorithm for optimizing the toolpoint path of the small-Hole EDM-drilling[J].Geometric Modelling and Imaging，2007：25-32.

[5]Lee C S，Heo E Y，Kim J M，et al.Electrode wear estimation and compensation for EDM drilling[J].Lecture Notes in Mechanical Engineering，2013：525-536.

[6]Munz M，Risto M，Haas R.Specifics of flushing in electrical discharge drilling[J].Procedia CIRP，2013（6）：83-88.

[7]趙戰(zhàn)峰，張林斌.超大深徑比深小孔電火花加工工[J].現(xiàn)代機械，2012（6）：1-4.

Study on Non-electric Parameters of Inner Jetted Dielectric Small Holes in Micro-EDM

Wang Zhenlong，Zhang Jing，Wang Yukui，Geng Xuesong
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The way of inner jetted dielectric can greatly improve the efficiency of small holes in micro-EDM.The effect of the non-electric parameters，such as the pressure of the inner jetted dielectric and the turning speed of electrode，on efficiency and electrode wear rate(EWR)of micro-EDM small holes machining was studied，and the effect of turning speed of electrode on the size of holes is analyzed.It was found that the improving effect of the pressure will be weakening when the pressure reached a certain value.The electrode with high speed is very necessary on improving the efficiency and reducing the EWR，and the higher speed of the electrode with，the more evenly the discharging will be，and the smaller the size of the machined holes will be.

micro-EDM；small holes machining；pressure of inner jetted dielectric；turning speed of electrode

TG661

A

1009-279X（2014）04-0001-03

2014-04-01

國家自然科學基金資助項目（51275112）；國家科技重大專項（2012ZX04001-011）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）課題（2012CB934102）

王振龍，男，1963年生，教授、博士生導師。