張余升,荊懷靖,李敏明,唐春英,余祖元

(1.上海航天設(shè)備制造總廠,上海200245;2.大連理工大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所,遼寧大連116024)

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,微小孔的應(yīng)用日趨廣泛,出現(xiàn)了越來(lái)越多帶有微小孔的零件,如燃料噴油嘴、空氣靜力軸承、噴絲板、打印機(jī)噴頭等[1-3],這類(lèi)孔一般具有直徑小、深徑比大及難加工等特點(diǎn),因此微細(xì)深孔加工技術(shù)已成為此類(lèi)產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù),微細(xì)電火花加工也因此成為此類(lèi)微細(xì)深孔加工的一種重要方法。

在微細(xì)電火花加工中電極損耗較大,在加工大深徑比微細(xì)孔時(shí),工具電極和工件之間的狹窄間隙內(nèi)的流體阻力較大,氣泡不易排出,易產(chǎn)生頻繁的短路及拉弧等非正常放電現(xiàn)象,導(dǎo)致電極損耗進(jìn)一步增大,使微細(xì)深孔的加工變得更困難。因此,如何獲得大深徑比的微細(xì)孔這一問(wèn)題亟待解決。

1 微細(xì)孔電火花加工技術(shù)

微細(xì)孔已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的各個(gè)領(lǐng)域,如航空、航天、軍事等方面的尖端零件和噴絲板、醫(yī)療器械、鐘表等民用零件。由于孔徑極小,這類(lèi)微細(xì)孔一般深徑比較大,且零件材料多為高強(qiáng)度、高硬度的難加工材料,如耐熱鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等[4]。為了解決微孔加工的技術(shù)難題,人們?cè)诓粩喔倪M(jìn)和提高傳統(tǒng)加工方法的同時(shí),也在不斷地研究新的加工工藝和方法,目前大約有50余種加工方法[5],包括超聲波加工、激光加工、電化學(xué)加工、微細(xì)沖壓、微細(xì)電火花加工等。微細(xì)電火花加工雖然加工速度較低,但其不僅可加工微細(xì)孔,而且可加工復(fù)雜形狀的三維結(jié)構(gòu)[6],還可加工任何導(dǎo)電材料,也不受材料本身硬度及強(qiáng)度等因素的影響。

在放電加工過(guò)程中,工件上的材料受熱融化后,一部分膨脹、蒸發(fā),一部分又重新凝固,成為加工屑。這些加工屑有的隨著工作液的流動(dòng)被排出到加工間隙外部,而另一部分加工屑微粒則沉積到間隙內(nèi)。當(dāng)沉積的加工屑達(dá)到一定程度時(shí),工件和電極之間就會(huì)通過(guò)一很高的短路電流,它不僅容易損壞放電電路,對(duì)工件和工具電極也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,增大熱影響層的厚度,使表面質(zhì)量下降,同時(shí)也增大了電極損耗[7]。在加工微細(xì)深孔到一定深度后,材料去除速度會(huì)明顯下降,就是因?yàn)樯羁准庸ぶ泄ぞ唠姌O和工件之間的狹窄間隙內(nèi)堆積了大量的加工屑,易導(dǎo)致短路等非正常放電,阻礙了加工過(guò)程的順利進(jìn)行。

由于傳統(tǒng)的周期性抬起工具電極等方法增加了額外運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間,使材料去除速度大大下降。為了解決這一問(wèn)題,管狀電極、臥式加工、電極旋轉(zhuǎn)等方法被應(yīng)用于微細(xì)電火花加工中[8]。為了進(jìn)一步提高微細(xì)孔電火花加工的性能,超聲波振動(dòng)被引入到深小孔加工中,Yeo和趙萬(wàn)生分別在不銹鋼401和鈦合金上加工出深徑比為14和16的微細(xì)孔[7,9]。電極搖動(dòng)方法的應(yīng)用進(jìn)一步提高了深孔的可加工性,這是因?yàn)殡姌O搖動(dòng)使工具電極和工件的間隙不斷變化,加工屑和氣泡更易排出。所謂的電極搖動(dòng)是指電極中心以一定的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)。利用該方法順利地在2.5 mm厚的不銹鋼AISI 304L上加工出通孔,深徑比可達(dá)18,而不采用搖動(dòng)時(shí)在同樣厚度的不銹鋼板上加工出的盲孔深孔深度只有1.33 mm[10]。

2 大深徑比微細(xì)孔加工

針對(duì)微細(xì)電火花加工大深徑比微細(xì)孔這一技術(shù)難題,本文提出在傳統(tǒng)微細(xì)電火花加工方法的基礎(chǔ)上,將超聲波振動(dòng)與搖動(dòng)相結(jié)合,即在工件上加載高頻超聲波振動(dòng),同時(shí)搖動(dòng)電極,利用臥式電火花加工裝置,在3.5 mm厚的不銹鋼板上進(jìn)行微細(xì)孔加工試驗(yàn),加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加工參數(shù)

為了證明本文提出的新方法的有效性,設(shè)計(jì)了加工參數(shù)相同的另外3組試驗(yàn):①傳統(tǒng)的微細(xì)電火花加工方法——既沒(méi)有超聲波振動(dòng)輔助,也沒(méi)有電極搖動(dòng);②只有電極搖動(dòng)、工件上不加載超聲波振動(dòng)的方法;③只在工件上加載超聲波振動(dòng)、沒(méi)有電極搖動(dòng)的方法。每組試驗(yàn)中,通過(guò)移動(dòng)工作臺(tái)將一定直徑和長(zhǎng)度的電極移動(dòng)到工件表面附近,在工件和電極兩極間加載10 V直流電壓,探測(cè)工件表面,設(shè)置加工起點(diǎn);在異于加工點(diǎn)的位置設(shè)置一基準(zhǔn)點(diǎn),加工前后兩次探測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)得到的Z坐標(biāo)的差異即為電極的損耗長(zhǎng)度。加工結(jié)束后,用超聲波清理器清洗工件和電極,并在顯微鏡下測(cè)量清洗后的電極直徑及加工出的孔的直徑。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述試驗(yàn)方案,得到4種不同加工方法的電極進(jìn)給隨加工時(shí)間的變化曲線(圖1)。從圖中可看出,傳統(tǒng)的微細(xì)電火花加工方法加工到一定深度后加工速度明顯下降,無(wú)法繼續(xù)進(jìn)給。采用電極搖動(dòng)時(shí)的初始進(jìn)給速度(36 μm/min)相對(duì)傳統(tǒng)加工方法(48.2 μm/min)小,但當(dāng)電極進(jìn)給到 1.8 mm后,進(jìn)給速度為20 μm/min,此時(shí)傳統(tǒng)加工方法只有13.8 μm/min。這是由于電極搖動(dòng)使工具電極和工件之間間隙不斷變化,加工過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡和加工屑更易從加工區(qū)排出,有利于加工繼續(xù)進(jìn)行。但當(dāng)電極進(jìn)給到2.9 mm后,進(jìn)給速度明顯下降,僅為5.8 μm/min,繼續(xù)加工變得非常困難。

圖1 電極進(jìn)給隨加工時(shí)間的變化曲線

電極不作搖動(dòng)運(yùn)動(dòng),在工件上加載高頻超聲振動(dòng)后,電極初始進(jìn)給速度大幅提高,達(dá)到 62.7 μm/min。這是因?yàn)榧虞d超聲波振動(dòng)后,工件和電極之間狹窄間隙內(nèi)的工作液快速運(yùn)動(dòng),改變了工作液與孔內(nèi)壁、工作液與電極表面的接觸角,即所謂的超聲波振動(dòng)的“潤(rùn)濕效應(yīng)”,同時(shí)減弱了工作液與氣泡之間的邊界條件[11,12],使間隙內(nèi)工作液的粘性阻力下降,氣泡易破裂,加工屑也更易從間隙內(nèi)排出,從而使加工速度加快,效率提高。當(dāng)電極進(jìn)給到 2.9 mm 以后,進(jìn)給速度下降到14.3 μm/min,加工變得困難。

從圖1可看出,無(wú)論是單獨(dú)加載超聲波振動(dòng)的方法,還是單獨(dú)的電極搖動(dòng)方法,電極都無(wú)法進(jìn)給到3.4 mm以上,這說(shuō)明單純的超聲波振動(dòng)和電極搖動(dòng)方法在加工微細(xì)深孔時(shí)存在一定的局限性。

為了獲得大深徑比的微細(xì)孔,本文提出采用電極搖動(dòng)的同時(shí),在工件上加載高頻超聲波振動(dòng)的新方法。電極搖動(dòng)使工件和電極之間的間隙分布不均,超聲振動(dòng)的“潤(rùn)濕”作用進(jìn)一步使間隙內(nèi)的工作液粘性阻力下降,在二者的共同作用下,電極進(jìn)給速度明顯加快。利用這一方法,采用表1的加工參數(shù),成功地在3.5 mm厚的不銹鋼板上加工出通孔(圖2),孔的入口及出口直徑分別為139 μm 和102 μm。

圖2 加工出的通孔

雖然微細(xì)電火花加工中工具電極和工件之間沒(méi)有直接的機(jī)械接觸,但實(shí)際放電加工過(guò)程中,加工力并不為0[13]。力的作用使細(xì)長(zhǎng)的電極產(chǎn)生彎曲變形,同時(shí)由于工作液的流動(dòng)、氣泡的排出等因素,使電極末端的運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜,導(dǎo)致孔的入口和出口呈現(xiàn)非圓形。試驗(yàn)中電極總進(jìn)給為6.97 mm,電極損耗長(zhǎng)度為3.289 mm,總平均進(jìn)給速度達(dá)到67.8 μm/min。圖3是加工后的電極,其直徑為61.8 μm。

圖3 加工后的電極

4種不同加工方法的加工性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)圖4～圖7。從圖4可看出,工件上加載超聲波振動(dòng)后,材料去除速度明顯加快;相同加工條件下,采用電極搖動(dòng)時(shí),無(wú)論工件上是否加載超聲波振動(dòng),材料去除速度均減小。這是因?yàn)殡姌O搖動(dòng)時(shí)加工軌跡有重疊部分,實(shí)際加工面積大于電極的橫截面積,由于“面積效應(yīng)”,使加工效率降低。4種方法中,只在工件上加載超聲波振動(dòng)時(shí)的材料去除速度最快,這充分說(shuō)明了超聲波振動(dòng)輔助可明顯提高微細(xì)深孔的加工效率。在通孔加工中,隨著電極進(jìn)給深度的增加,氣泡及加工屑的排出變得困難,材料去除速度減緩,加工過(guò)程變得平緩。

圖5是不同加工方法下的電極體積相對(duì)損耗率(TWR)的對(duì)比情況。從圖中可看出,工件上加載超聲波振動(dòng)時(shí)的TWR比傳統(tǒng)方法時(shí)小;電極搖動(dòng)時(shí)的TWR比傳統(tǒng)加工方法及加載超聲波振動(dòng)時(shí)均大,這可能是由于加工時(shí)間(158 min)太長(zhǎng)以及“面積效應(yīng)”的作用引起的。

當(dāng)微細(xì)孔加工到一定深度后,放電間隙的流體粘性阻力急劇增大,氣泡和加工屑排出困難,易產(chǎn)生拉弧、短路等不正常放電,使電極損耗進(jìn)一步增大。4組試驗(yàn)中,電極搖動(dòng)的同時(shí)工件加載超聲波振動(dòng)加工出的微細(xì)孔深徑比最大,同時(shí)電極損耗率也最大。這說(shuō)明隨著微細(xì)孔加工深度的增加,電極損耗急劇增加,也從側(cè)面反映了大深徑比微細(xì)孔的加工難度之大。

圖6是相同加工參數(shù)、不同加工方法下的放電間隙變化。這里的放電間隙是指加工后孔的直徑與電極直徑差的二分之一,而與電極是否搖動(dòng)無(wú)關(guān)。從圖中可看出,放電間隙一般在27～34 μm,與先前文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)接近[10],也可看出電極搖動(dòng)對(duì)放電間隙幾乎沒(méi)有影響。

圖4 材料去除速度對(duì)比

圖5 電極的體積相對(duì)損耗率對(duì)比

圖6 放電間隙對(duì)比

圖7 深徑比對(duì)比

圖7是4種不同加工方法得到的微細(xì)孔深徑比。傳統(tǒng)加工方法加工出的微細(xì)孔深徑比只有14.7,當(dāng)只有電極搖動(dòng)時(shí)加工出孔的深徑比為16.9,而只有超聲波振動(dòng)時(shí)加工出微細(xì)孔的深徑比為20.1。這說(shuō)明電極搖動(dòng)和超聲波振動(dòng)輔助都有助于提高微細(xì)孔的深徑比,也說(shuō)明超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的“潤(rùn)濕效應(yīng)”相對(duì)電極搖動(dòng)而言,更有利于大深徑比微細(xì)孔的加工。將超聲波振動(dòng)輔助與電極搖動(dòng)二者結(jié)合起來(lái)時(shí),加工出的微細(xì)孔深徑比達(dá)到29,實(shí)現(xiàn)了大深徑比微細(xì)孔的加工。

4 結(jié)論

針對(duì)大深徑比微細(xì)孔加工這一難題,本文提出采用電極搖動(dòng)的同時(shí),在工件上加載超聲波振動(dòng)的新方法,既利用了超聲波振動(dòng)的“潤(rùn)濕”作用,又利用了電極搖動(dòng),使工具電極和工件之間的間隙不斷變化,加工過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡和加工屑更易從加工區(qū)排出,加工出了平均直徑為120 μm的通孔,深徑比達(dá)29,實(shí)現(xiàn)了難加工材料微細(xì)孔的超聲波振動(dòng)輔助電火花加工。

[1] Kim B H,Ryu S H,Choi D K,et al.Microelectro-chemical milling[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2005,15:124-129.

[2] Sun X Q,Masuzawa T,Fujino M.Microultrasonic machining and its applications in M EMS[J].Sensors andActuators A,1996,57:l59-l64.

[3] Fan K C,Ho C C,Mou J I.Development of a multiple-microhole aerostatic air bearing system[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2002,12:636-643.

[4] 唐英,崔華勝,崔詠琴,等.微小孔加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].新技術(shù)新工藝,2007(2):52-54.

[5] 艾冬梅,賈志新.小孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程師,2000(1):8-10.

[6] Rajurkar K P,Yu Zuyuan.3D micro-EDM using CAD-CAM[J].Annals of the CIRP,2000,49(1):127-130.

[7] Yeo S H,Tan L K.Effects of ultrasonic vibrations in micro electro-discharge machining of micro holes[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,1999,9:345-352.

[8] Kunieda M,Masuzawa T.A fundamental study on a horizontal EDM[J].Annals of the CIRP,1988,37(1):187-190.

[9] Zhao Wansheng,Wang Zhenlong,Di Shichun.Ultrasonic and electric discharge machining to deep and small hole on titanium alloy[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,120:101-106.

[10] Yu Z,Rajurkar K P,Shen H.High aspect ratio and complex shaped blind micro holes by micro EDM[J].Annals of the CIRP,2002,51(1):359-362.

[11] Kwan K M,Benatar A.Modeling of ultrasonic forced wetting process by dimensional analysis[C]//Proceedings of 59th Society of Plastics Engineers Annual Conference,Dallas:2001:1239-1243.

[12] Madou M J.Fundamentals of microfabrication[M].CRC Press,2002.

[13] Kunieda M,Tohi M,Ohsako Y.Reaction forces observed in pulse discharges of EDM[J].International Journal of Electrical Machining,2003,8:51-56.