摘 要： 小孔加工一直以來是加工中的難點，電火花技術(shù)以其加工無宏觀力、不受工件強(qiáng)度硬度限制等優(yōu)勢，在微孔、小孔加工領(lǐng)域成為重要手段之一。本文將通過實驗分析，探究工作液介質(zhì)的流體特性對深小孔電火花加工速度的影響，研究了棒狀電極在不同旋轉(zhuǎn)速度下，加工時間隨加工深度的變化。實驗的結(jié)果表明，在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)加工效率最高，低于或者高于這個轉(zhuǎn)速，加工效率都會下降。理論分析表明，電極旋轉(zhuǎn)會使底部的電蝕顆粒懸浮并向側(cè)面移動，但轉(zhuǎn)速過大會使側(cè)面間隙中的電蝕顆粒向電極碰撞而降低加工效率。理論分析定性地解釋了實驗結(jié)果。
　　關(guān)鍵詞： 電火花 小孔加工 實驗
　　
　　孔加工歷來是機(jī)械制造業(yè)中被人們關(guān)注的問題之一。孔加工是機(jī)械加工中所占比例較大的一種重要加工工序。據(jù)統(tǒng)計，孔加工約占機(jī)械加工總量的三分之一。機(jī)械方法加工小孔時，要求主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min，進(jìn)給速度為200mm/min，需用金剛石鉆頭，并且只能加工深徑比小于20∶1的孔。隨著航天航空電子、動力機(jī)械、儀器儀表、化學(xué)纖維、自動控制，以及醫(yī)療器械等科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，微、小孔及微細(xì)深孔的應(yīng)用日趨廣泛。例如，噴油嘴、自控元件、過濾器、汽化器鐘表元件，以及打印機(jī)打印頭等。深小孔的加工成為機(jī)械制造業(yè)中被人們關(guān)注的問題之一。一般認(rèn)為，小孔的直徑范圍為3—0.1mm，微孔為小于0.1mm的孔，深孔為孔的深度與直徑之比(深徑比）大于10以上的孔為小孔、微孔和深孔。小孔加工在工藝上被認(rèn)為是最困難的，特別是深小孔的加工為最難。電火花加工小孔的方法常用于難切削金屬材料的加工中，它在生產(chǎn)率、成本、精度和深徑比等方面有一定的優(yōu)勢。因而深小孔高速電火花加工技術(shù)的研究工作需要迅速開展。
　　電火花加工是在一定的加工介質(zhì)中，通過工具電極和工件電極（正、負(fù)電極）之間的脈沖性火花放電的電蝕現(xiàn)象對材料進(jìn)行加工。而電蝕現(xiàn)象的主要原理是：電火花通道中瞬時產(chǎn)生大量的熱，達(dá)到很高的溫度，足以使任何金屬材料局部融化、汽化而被蝕除掉，形成放電凹坑。放電是一個極為復(fù)雜的過程，要利用這種原理對零件進(jìn)行加工，必須創(chuàng)造一個適宜放電的環(huán)境，并對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量控制，以達(dá)到對零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。
　　在電火花小孔加工中，為了提高加工的穩(wěn)定性、加工效率、表面質(zhì)量和形位精度，經(jīng)常采用了旋轉(zhuǎn)電極和中孔沖抽油的加工方式。電極旋轉(zhuǎn)與沖抽油配合使用可得到較好的加工效果。電火花高速深小孔加工是近年來新發(fā)展起來的一項先進(jìn)制造技術(shù)。其原理是在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的中空的管狀電極中通高壓工作液，沖走加工屑，同時保持以高電流密度連續(xù)正常放電。電極做回轉(zhuǎn)運(yùn)動可使電極端面損耗均勻，不致受高壓、高速工作液的反作用力而偏斜，電火花高速深小孔加工原理圖見圖1。由于高壓工作液能迅速將電極產(chǎn)物排除，且能強(qiáng)化火花放電的蝕除作用。因此，這一加工方法的最大特點是加工速度高，一般小孔加工速度可達(dá)20mm/min—60mm/min，比普通鉆削小孔的速度還要快。這種加工方法最適合加工直徑0.3mm—3mm的小孔，而且可加工深孔(深徑比可超過100）、加工的孔形尺寸比較穩(wěn)定、圓度好、錐度小。但它一般只能加工直徑0.3—3.0mm的孔，加工的表面粗糙度值也較大。
　　下面以實驗的方式來分析電火花深小孔的加工情況。
　　一、實驗?zāi)康?br/>　　研究圓柱電極在不同轉(zhuǎn)速下加工深小孔所需時間，對比相同電極在有無轉(zhuǎn)速下的加工時間對比。觀察旋轉(zhuǎn)電極是否在加工效率方面占有優(yōu)勢。
　　本實驗采用棒狀電極。用普通車床將Φ4mm的紫銅棒制作成如圖2的棒狀電極。
　　二、實驗裝置和實驗條件
　　實驗采用DB703電火花穿孔機(jī)床，考慮到紫銅材料的特性及普通機(jī)加工的能力，采用Φ4mm的棒狀電極。雖然電極尺寸較大，不屬于小孔范圍，但加工采用了微細(xì)電參數(shù)，如表1所示。在微細(xì)電參數(shù)下，放電間隙狹小，對于本文的研究對象——間隙流場而言，與微小孔加工情況一致。在1Cr8Ni9Ti不銹鋼工件上加工深度為20mm的小孔，之所以深徑比只有5，是考慮到實驗時間太長，本實驗采用惡劣的條件，沒有退刀，加速了電火花深小孔加工出現(xiàn)的瓶頸現(xiàn)象。圖3為實驗裝置的示意圖。不銹鋼工件通過夾具安裝在工作臺面上。圖4、圖5、圖6、圖7給出了實驗裝置的實物圖。
　　整個系列實驗是在敞開環(huán)境，主軸無回退，同時利用冷水機(jī)使工作循環(huán)液保持在16℃左右的恒溫狀態(tài)。
　　三、實驗結(jié)果
　　實驗過程中以加工0.1mm深度為一個單位記錄時間，在不銹鋼工件上加工20mm深度的小孔。利用得到的加工時間數(shù)據(jù)，生成加工曲線圖。改變主軸的旋轉(zhuǎn)速度，重復(fù)上面過程，得到不同轉(zhuǎn)速下的加工深度與加工總時間的曲線圖，如圖8所示。
　　可以看出，加工的總時間隨著電極轉(zhuǎn)速的增加出現(xiàn)先減后增的情況，當(dāng)達(dá)50r/min轉(zhuǎn)速時，消耗的總時間最少，在此之后加工總時間反而隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。圖9為電極轉(zhuǎn)速變化與加工總時間的關(guān)系曲線。
　　四、結(jié)論
　　1.結(jié)合仿真與實驗，可以得到如下結(jié)論。
　?。?）電火花加工深小孔時，電極旋轉(zhuǎn)能改變工作液的流場，在間隙間形成梯度較大的速度場分布，在速度梯度力和流場拖曳力的作用下，底面的電蝕產(chǎn)物會處于不斷的運(yùn)動中，并且會以螺旋向上的軌跡向側(cè)面流場轉(zhuǎn)移，避免電蝕產(chǎn)物在底部堆積。和無旋轉(zhuǎn)電極加工小孔相比，顯著提高了加工效率。
　　（2）隨著速度的增加，當(dāng)超過某個特定轉(zhuǎn)速后，電極轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，側(cè)面的速度梯度力成倍地增長，并且在間隙工作液中產(chǎn)生負(fù)面的壓力場分布。這會使處于間隙間的電蝕產(chǎn)物在側(cè)面向電極表面靠攏，導(dǎo)致二次放電，從而影響加工效率。
　　2.深小孔加工是機(jī)械行業(yè)的熱點和難點。國內(nèi)外的研究取得了一些可喜的成績，但是在許多理論和技術(shù)方面的問題有待更深入的研究。本文僅僅涉及電火花孔加工的實驗研究。根據(jù)研究中獲得的一些經(jīng)驗和感觸，對課題的相關(guān)內(nèi)容提出一些展望。
　?。?）從理論上講，電火花放電加工小孔的間隙流場，屬于三相流問題。間隙中含有的電蝕顆粒為固相，被汽化的金屬為氣相，工作液本身為液相。嚴(yán)格地說，這是一個瞬態(tài)的問題。所以為了進(jìn)一步研究清楚間隙流場的復(fù)雜情況，需要用多相流的知識來分析和計算流場中電蝕顆粒粒度，濃度和它們的分布及流向。
　?。?）從實驗上講，電火花放電深小孔加工需要采用細(xì)長電極。加工過程最好配備先進(jìn)的儀器來測量間隙流場的物理量，以驗證理論分析。
　　
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