羅學科，李若冰，劉建勇，李殿新，楊曉宇，寇鵬遠，劉家豪，葉志杰

（北京石油化工學院，北京 102617）

隨著航空、航天、軍工、汽車、芯片封裝、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，精密微小孔零部件大量涌現(xiàn)，如航天軌姿控發(fā)動機的噴嘴面板、汽車發(fā)動機高壓共軌系統(tǒng)噴嘴、高壓共軌發(fā)動機噴孔、醫(yī)學用針和細胞過濾器、電子掩模、電子計算機打印頭等[1–2]。

目前微小孔的加工方法主要有微孔鉆削加工、電火花微孔加工、激光微孔加工、電子束微孔加工、電解微孔加工等[3–5]。飛秒激光雖然解決了傳統(tǒng)激光打孔再鑄層和微裂紋的問題，但成孔圓度差、錐度大[6–7]。電子束微孔加工借用聚焦高速電子流在沖擊點上直接熔融和汽化材料，加工孔壁表面光滑細致，加工效率高、精度好，但需要真空加工環(huán)境，設(shè)備成本昂貴，不適合加工大批量微孔零件[8]。電解微小孔加工與電火花加工相似，理論上電極無損耗、加工表面質(zhì)量好、無殘留應(yīng)力與熱影響區(qū)，但在加工過程中存在雜散腐蝕、電解液不穩(wěn)定、分布不均等缺點[9]。當孔的直徑在0.04 mm以上且工件材料的硬度允許，采用微型鉆頭加工是精密微小孔的理想加工方式，且成孔錐度小，表面質(zhì)量好。但是鉆削加工所使用的鉆頭直徑細小，刀具的剛度、強度差，再加上鉆削過程的密閉性，使得刀具極易在切削力或外力振動的突變下折斷[10–11]，微小孔刀具的制備難度極大，加工大深徑比微小孔時可靠性低。

電火花微小孔加工技術(shù)具有非接觸式、無明顯宏觀作用力和“以柔克剛”等特點，是解決機械加工無法完成的精密微小孔加工的最佳方案之一[12]，但是電火花加工成孔的孔壁存在幾μm到幾十μm不等的變質(zhì)層，與基體材料相連的變質(zhì)層從內(nèi)到外分別為熱影響層和重熔層。基體材料在電火花加工的瞬間高溫和工作液冷卻雙重作用下，工件表面會發(fā)生重熔、冷凝，從而改變零件表面材料微觀結(jié)構(gòu)形成變質(zhì)層，導致孔壁表面凹凸不平，硬度增大，對零件的使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生不良影響。

在微小孔加工中，鉆削加工、電火花加工、激光加工和電液束加工等加工技術(shù)都存在一定的局限性[13]。使用兩種或以上的復合加工技術(shù)可以有效提高微小孔加工表面的加工質(zhì)量和效率，國內(nèi)外學者針對這一問題，開展了許多復合加工研究工作。比如Xing[14]、Sabyrov[15]和Jia[16]等將超聲振動與電火花加工進行復合應(yīng)用，可以在304不銹鋼上加工出深徑比約30∶1的微小孔，加工深度和加工效率都有大幅提高；在電火花加工與電解加工相結(jié)合方面，Nguyen等[17–18]利用微細電火花–電解復合加工技術(shù)在SUS304不銹鋼上加工出的微小孔比微細電火花加工表面品質(zhì)更好，但加工效率較低，難以應(yīng)用在大型實際生產(chǎn)中；杭雨森[19]提出電化學–電火花復合加工，并在原有復合加工的基礎(chǔ)上設(shè)計了內(nèi)外雙重沖液和先正極性加工后負極性加工的工藝方法，單孔的加工效率提高了73%，未出現(xiàn)明顯裂紋，但小孔孔壁仍存在厚度7 μm的重鑄層；Xu等[20]使用電火花–電化學復合加工方法實現(xiàn)了45°斜孔的加工且表面幾乎無變質(zhì)層，錐角不明顯，但孔壁表面質(zhì)量較差。Wang等[21]研制了微銑削與電火花復合精密加工系統(tǒng)，成功制作的微細軸直徑可達30 μm，電極錐度誤差可控制在幾μm之內(nèi)，這表明傳統(tǒng)機械加工與電火花加工復合的方法可以實現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的微小孔加工。在這方面，本團隊開展了鉆削加工與電火花復合工藝技術(shù)的研究。

本研究在團隊前期開發(fā)的電火花高速穿孔加工工藝與裝備基礎(chǔ)上，以高溫合金為主要研究材料，結(jié)合電火花加工效率高、不受材料硬度限制的特點和微小孔鉆削加工表面質(zhì)量高的優(yōu)點，以無變質(zhì)層微小孔加工為目標，提出一種電火花–鉆削復合加工工藝。根據(jù)復合加工需求，開發(fā)出專用于微小孔加工的電火花–鉆削復合加工裝備，并在復合加工系統(tǒng)中進行可行性試驗，驗證了變質(zhì)層的去除效果。

1 電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)總體設(shè)計

基于微小孔復合加工需求開發(fā)的加工系統(tǒng)由工作臺、導向裝置、沖液管道、傳動裝置、電火花加工主軸、鉆削電主軸、去離子水循環(huán)系統(tǒng)等組成。圖1所示為電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)總體設(shè)計框圖，包括電火花加工中心和鉆削加工中心；機床包含X、Y、Z、W軸4個直線軸，行程分別為600 mm、300 mm、300 mm、500 mm； 1個旋轉(zhuǎn)軸R軸，轉(zhuǎn)速為90 r/min。

圖1 電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall design block diagram of EDM–drilling composite processing system

基于復合加工需求，將電火花主軸和鉆削加工電主軸集成到同一臺設(shè)備中，在電火花放電主軸左側(cè)固定鉆削電主軸，兩主軸共用X、Y、Z3個直線軸進行協(xié)同運動；根據(jù)驅(qū)動器運動指令和位置信息，驅(qū)動伺服電機對各直線軸進行運動控制，并向數(shù)控系統(tǒng)反饋坐標位置信息。

W軸 （電極絲進給軸）是極間狀態(tài)檢測回路的一部分，檢測信息實時傳輸至數(shù)控系統(tǒng)進行計算和判斷，根據(jù)極間電壓、電流信號的變化，將運動指令傳送至各個軸的驅(qū)動器，驅(qū)動器傳輸運動指令至伺服電機，實現(xiàn)放電過程中電極絲的進給或回退。

1.2 電火花鉆削復合主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 所示為電火花–鉆削復合加工主軸的具體結(jié)構(gòu)，其中左側(cè)微電火花加工主軸采用三相電機和氣動增壓泵向中心沖液出水管施加10 MPa的水壓，加工液通過中空電極絲向外噴射，實現(xiàn)快速排屑，保持極間相對絕緣的放電環(huán)境。為使放電加工過程中的排屑更加充分，沖液條件設(shè)置為中心沖液和兩側(cè)沖液相結(jié)合；電極旋轉(zhuǎn)軸R軸配合同步傳動帶驅(qū)動電極絲勻速旋轉(zhuǎn)，提高小孔孔型圓度和接觸感知靈敏性；在保證進電端接觸良好的情況下，將電極絲的另一端伸入陶瓷導向器中，以保證放電加工中電極的穩(wěn)定性。

圖2 電火花–鉆削復合加工主軸結(jié)構(gòu)Fig.2 Spindle structure of EDM–drilling composite machining

圖2中右側(cè)為鉆削電主軸，由伺服電機帶動刀具高速旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速可達24000 r/min；使用筒夾頭將鉆削刀具固定至旋轉(zhuǎn)電機，結(jié)合變頻器和轉(zhuǎn)速控制回路可靈活設(shè)置鉆削主軸轉(zhuǎn)速。由于電火花加工主軸和鉆削加工電主軸的協(xié)同運動，兩主軸都存在與工件干涉的風險，因此將兩主軸分別與主回路電源的同一極 （視實際加工情況而定）相連接，在協(xié)同運動過程中若兩主軸中的任意一方與工件發(fā)生運動干涉，各軸立即停止運動，系統(tǒng)報警，從而避免電極和刀具的損壞。

2 電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)

2.1 電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)軟件設(shè)計

具有復合加工控制特點的數(shù)控系統(tǒng)采用全軟件控制的模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng)，具有操作便捷、兼容性強、成本低的特點。基于485總線的I/O擴展模塊，極大地豐富了數(shù)控系統(tǒng)的外圍功能；隨著處理器的升級換代，CPU的數(shù)據(jù)處理能力和計算速度也得到了大幅提升，為全軟件控制的數(shù)控系統(tǒng)奠定了實現(xiàn)基礎(chǔ)，也為增加自定義功能模塊提供了實現(xiàn)條件。

課題組自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)基于Windows平臺，底層采用RTX實時操作系統(tǒng)插件實現(xiàn)關(guān)鍵信號的實時控制。應(yīng)用層采用具有跨平臺應(yīng)用特點的QT編寫，使系統(tǒng)代碼具有良好可移植性。根據(jù)系統(tǒng)功能不同，軟件系統(tǒng)通過PCIE總線協(xié)議、RS485總線協(xié)議、RS422總線協(xié)議實現(xiàn)與具體硬件的銜接。

復合加工裝備的軟件系統(tǒng)通過識別接觸感知信號檢測電極與工件的相對位置。在復合系統(tǒng)中，接觸感知功能可以及時檢測到電極和工件之間是否發(fā)生干涉，還可以對工件位置進行精準定位，并可以根據(jù)接觸感知信號計算糾正系統(tǒng)坐標系誤差。在本試驗系統(tǒng)的雙主軸結(jié)構(gòu)中，接觸感知功能是電極絲與鉆削刀具在同一位置進行加工的基礎(chǔ)。

要實現(xiàn)無變質(zhì)層的微小孔加工，在電火花加工中需要用鉆頭進行擴孔，由主切削刃將附著在孔壁上的變質(zhì)層去除。刀具的進給速度是擴孔的重要參數(shù)，是影響加工效率和工件表面質(zhì)量的主要因素之一，而在電火花加工過程中，機床各軸只能按照預(yù)設(shè)的速度進行運動，無法滿足鉆削加工需要。本文的電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)的鉆削主軸與電火花加工主軸共用同一直線軸進行上下運動，為適配鉆削加工特性，在數(shù)控系統(tǒng)中配置了專用NC指令，以實現(xiàn)進給速度的適配性調(diào)節(jié)，使這一參數(shù)更加靈活可控，為精準控制鉆削加工效果提供了可行條件。圖3 所示為復合加工數(shù)控系統(tǒng)界面。

圖3 復合加工數(shù)控系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of compound machining CNC system

2.2 電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)硬件設(shè)計

復合加工系統(tǒng)以工業(yè)PC機為硬件平臺，實現(xiàn)終端和數(shù)控功能相結(jié)合的技術(shù)路線，以終端軟件完成全部的數(shù)控功能。硬件系統(tǒng)主要實現(xiàn)信息的高速存取功能、電機的運動控制和放電加工控制。通過PCIE總線控制高實時性的伺服電機、電流檢測信號、電壓檢測信號。通過RS485總線控制鉆削主軸轉(zhuǎn)速和電氣系統(tǒng)的邏輯控制單元。具體硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 復合加工系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計Fig.4 Hardware system design of composite machining system

電火花加工的放電間隙極小，放電柱長度在10–4～10–2cm，在電極與工件之間施加脈沖電壓后擊穿介質(zhì)，熔融甚至汽化基體材料，材料表面形成凹坑，從而去除工件表面材料。而鉆削加工過程中刀具與工件始終保持接觸，通過二者之間的宏觀切削力和位置差實現(xiàn)工件材料的去除。又因為電火花加工主軸與工件分別為回路的正負兩極，接觸即觸發(fā)警報，所以本文基于電火花加工和鉆削加工既能同時進行又互不干擾的需求，對電氣系統(tǒng)進行改進：設(shè)計專用互斥電路，與軟件專用NC指令的配合，可以實現(xiàn)電火花加工主軸和鉆削主軸功能的自動控制和無縫轉(zhuǎn)換。

3 微小孔復合加工工藝系列試驗

3.1 試驗方案

結(jié)合電火花穿孔效率高、精度高和鉆削加工表面無變質(zhì)層的特點，集成1.2節(jié)中介紹的數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和復合加工主軸開發(fā)的復合加工裝備，如圖5 所示。復合加工工藝分為兩道工序：（1）在工件上精準定位小孔加工位置，在該位置進行電火花加工得到一個孔壁尚有變質(zhì)層的通孔； （2）用鉆削刀具進行擴孔加工，利用刀具主切削刃去除孔壁變質(zhì)層，從而實現(xiàn)無變質(zhì)層小孔的加工。

圖5 微小孔復合加工裝備Fig.5 Micro-hole composite processing equipment

根據(jù)復合加工工藝，在系統(tǒng)中進行直孔加工和斜孔加工 （圖6），兩種加工均使用中空黃銅電極絲作為電極 （電極絲內(nèi)徑0.09 mm、外徑0.22 mm），采用負極性加工，工作介質(zhì)為去離子水 （電導率60 μs/cm），沖液壓力為10 MPa，沖液方式采用中心沖液和側(cè)沖液相結(jié)合，鉆頭材料為硬質(zhì)合金，鉆頭直徑0.3 mm。單晶高溫合金DD90具有優(yōu)異組織穩(wěn)定性與超高溫性能的拓撲反轉(zhuǎn)組織，是航空渦輪葉片的首選加工材料[22]，本研究選擇10 cm×5 cm×2 mm的單晶高溫合金板作為直孔加工的試驗材料，圖6（a）所示為直孔加工過程；GH4169是一種沉淀強化鎳基高溫合金，因其在高溫環(huán)境下的綜合性能良好被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機和燃氣輪機熱端部件的制造中[23]，本研究選擇10 cm×5 cm×1 mm的GH4169高溫合金板作為斜孔加工的試驗材料，圖6（b）所示為斜孔加工過程，其中工件傾斜20°；表1中列出了具體加工參數(shù)。

表1 兩種加工方式參數(shù)的對比Table 1 Comparison of parameters between two processing methods

圖6 電火花加工直孔和斜孔的加工示意圖Fig.6 Processing diagram of EDM straight and oblique holes

在復合加工系統(tǒng)中進行工藝試驗，首先以單晶高溫合金為材料用電火花加工3個直孔，再用復合加工方法加工3個小孔進行對比；然后以GH4169高溫合金為材料用電火花加工出一個斜孔，并復合加工一個斜孔進行對比試驗。記錄加工時間、電極損耗量和孔徑作為衡量加工效果的質(zhì)量指標，并使用顯微鏡觀察成孔表面質(zhì)量；綜合進給速度、主軸轉(zhuǎn)速和表面質(zhì)量3個因素后，確定設(shè)置直孔的鉆削擴孔時間為15 s，斜孔擴孔時間為30 s。

3.2 試驗結(jié)果與分析

表2和3分別為電火花直孔加工和復合加工的具體數(shù)據(jù)。

表2 電火花直孔加工數(shù)據(jù)Table 2 Data of EDM straight hole

表3 電火花–鉆削復合直孔加工數(shù)據(jù)Table 3 Data of EDM–drilling composite straight hole

圖7（a）所示為電火花直接加工得到的成孔表面，加工表面的孔壁外圍存在二次放電所形成的凹坑和重熔物，且孔壁表面存在加工過程中熔融后又重新冷凝的重熔物質(zhì)，附著在孔壁表面形成變質(zhì)層，導致孔口有些許毛刺。圖7（b）為復合加工得到的成孔表面形貌，鉆削去除量將電火花加工小孔表面原有的變質(zhì)層和毛刺去除，使得孔口幾乎沒有毛刺且孔型更圓。復合加工時間可以控制在 60 s左右。

圖7 直孔復合加工小孔Fig.7 Micro-holes for straight hole composite machining

圖8 所示為電火花斜孔加工與復合加工的表面形貌對比?？梢钥闯鲭娀鸹庸さ男笨卓妆谳^為粗糙，基體材料在加工過程中重新冷凝并附著在孔壁表面，導致表面凹凸不平（圖8（a））；復合加工斜孔孔壁明顯光滑光亮，且表面呈現(xiàn)鉆削加工橫紋的特征（圖8（b）），說明孔內(nèi)壁表面材料有一定的去除量，復合加工工藝具備無變質(zhì)層加工的可行性。

圖8 斜孔電火花加工與電火花–鉆削復合加工對比Fig.8 Comparison of EDM and EDM–drilling for oblique holes

將斜孔縱向剖開，對電火花加工和復合加工斜孔孔壁表面進行金相檢測，觀察表面金屬結(jié)構(gòu)分布情況，檢測結(jié)果如圖9 所示。圖 9（a）為電火花加工斜孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，變質(zhì)層厚度為 5 μm；圖 9 （b）為復合加工斜孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，可以看出孔壁表面不存在變質(zhì)層，進一步說明復合加工可以有效去除電火花加工后孔內(nèi)壁的變質(zhì)層，提高被加工工件表面質(zhì)量。

圖9 電火花加工與復合加工斜孔內(nèi)壁的變質(zhì)層金相圖Fig.9 Metallographic diagram of metamorphic layer on the inner wall of EDM and composite machining oblique holes

4 結(jié)論

針對電火花加工微小孔孔壁存在變質(zhì)層的問題，在電火花–鉆削復合加工系統(tǒng)進行復合加工可行性試驗，得出了以下結(jié)論。

（1）開發(fā)了電火花–鉆削復合加工的微小孔專用數(shù)控裝備，可以實現(xiàn)電火花加工主軸與鉆削主軸協(xié)同運動，并通過自定義功能模塊實現(xiàn)電火花加工和鉆削加工的互不干涉、主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的適配性調(diào)節(jié)。

（2）提出一種電火花–鉆削加工復合加工工藝，并通過試驗驗證了復合加工工藝的可行性；直孔復合加工的孔徑公差范圍在 （0.315±0.003）mm。

（3）電火花–鉆削復合加工具有加工效率高、孔壁無變質(zhì)層、加工精度高等優(yōu)點，是實現(xiàn)特殊材料精密微小孔加工的有效手段。