周 凱,胡瑞欽,李 勇

(清華大學(xué)制造工程研究所摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)

電火花加工利用工具電極與工件之間的脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫對(duì)工件材料進(jìn)行熔化甚至氣化,以達(dá)到對(duì)工件進(jìn)行局部蝕除的目的。微細(xì)電火花加工具有非接觸加工、與加工材料硬度無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)[1],近年來在實(shí)用化方面取得了長足的進(jìn)展。

微細(xì)電火花加工目前已被應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴噴孔的加工。相關(guān)研究表明,倒錐形噴孔具有更高的流量系數(shù)以及更好的噴霧效果[2-3],因此,如何利用微細(xì)電火花加工方法實(shí)現(xiàn)倒錐孔的加工受到研究者的關(guān)注。Diver[4]、Cusanelli[5]等利用機(jī)構(gòu)使電極偏擺,即電極旋轉(zhuǎn)且電極軸向與電極整體的旋轉(zhuǎn)方向偏離一定角度,從而加工出具有一定錐度的倒錐孔。這種方法的成形精度較高,但與常規(guī)電火花加工相比,需要附加電極偏擺機(jī)構(gòu);Kao等[6]提出了一種反轉(zhuǎn)極性的加工方法,即首先采用正極性加工一定深度,而后反轉(zhuǎn)極性,使因加工損耗而變尖的電極端部變鈍,之后再次恢復(fù)正極性,同時(shí)提高放電能量完成通孔加工。這種方法不需要附加機(jī)構(gòu),易于實(shí)現(xiàn)。但缺乏進(jìn)一步對(duì)提高能量形成倒錐的機(jī)制以及提高加工能量的時(shí)機(jī)選擇的工藝研究。

本文研究一種微細(xì)倒錐孔在線加工參數(shù)調(diào)控的電火花加工工藝,利用微細(xì)孔電火花加工中觀測到的“腰鼓”現(xiàn)象及其作用機(jī)理,通過在線調(diào)節(jié)電參數(shù)獲得倒錐孔。對(duì)影響倒錐孔形狀的加工參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到倒錐形噴孔的加工效果。

1 “腰鼓”現(xiàn)象

在前期的實(shí)驗(yàn)研究中,以恒定電參數(shù)進(jìn)行普通直孔的電火花加工。當(dāng)被加工工件為1 mm厚18CrNi8鋼片,工具電極為直徑 121 μm鎢絲,加工電壓 160 V,脈沖寬度 5 μ s,脈沖間隔 10 μ s時(shí) ,加工得到的微細(xì)孔出入口孔徑在175～180 μm范圍內(nèi)。

為了解電火花加工得到的微細(xì)孔孔徑沿深度方向的截面尺寸變化,本研究采用高分子材料通過脫模方法得到了微細(xì)孔內(nèi)部的模型[7],從而可以間接對(duì)孔內(nèi)部的形狀尺寸進(jìn)行觀測。觀測發(fā)現(xiàn),所加工的微細(xì)孔普遍呈中間孔徑大,兩端孔徑小的“腰鼓”形狀。典型“腰鼓”形微細(xì)孔的脫模模型如圖1所示,從孔加工入口到出口,孔徑先增大,在接近出口處減小,內(nèi)部最大孔徑超過入口孔徑10 μm以上。

圖1 典型“腰鼓”形微細(xì)孔脫模模型

對(duì)于“腰鼓”現(xiàn)象,初步的解釋如圖2所示。電火花加工產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物具有導(dǎo)電性;隨著孔加工的深入,加工產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物難以排出,在孔底部積累增多,增大了放電作用范圍,所以在加工前半段,孔徑逐漸變大;在工件臨近被貫穿時(shí),電極端部損耗變細(xì),另外孔被貫穿后,電蝕產(chǎn)物從出口順暢排出,所以在靠近出口處,孔徑收縮。

圖2 “腰鼓”現(xiàn)象產(chǎn)生示意圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證“腰鼓”現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)理,進(jìn)行了如圖3所示的工件底部封堵的孔加工實(shí)驗(yàn)。被加工工件仍為1 mm厚18CrNi8鋼片,其底部與另一塊鋼材表面貼合,其余加工條件與前述孔加工相同。按照以上“腰鼓”現(xiàn)象原理,1 mm厚的工件被貫穿后,由于底部鋼材的封堵作用,電蝕產(chǎn)物不能排出,電極繼續(xù)向下伺服加工,工件片的加工出口孔徑將會(huì)變大,工件片上的通孔將呈入口小、出口大的倒錐形。

圖3 工件片底部封堵孔加工實(shí)驗(yàn)

加工中電極從工件片上表面開始向下伺服進(jìn)給2.2 mm深,得到1 mm厚工件片的入口、出口照片(圖4)。測量得到入口孔徑 183 μm,出口孔徑214 μm,出入口孔徑相差 31 μm,呈明顯倒錐形。從而證實(shí)了“腰鼓”現(xiàn)象的存在,并顯示出上述對(duì)“腰鼓”現(xiàn)象解釋的合理性。

圖4 工件底部封堵孔加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 工藝方法

上述“腰鼓”現(xiàn)象表明,常規(guī)的電火花加工得到的孔,從入口開始的一大部分已經(jīng)自然產(chǎn)生了孔徑逐漸變大的趨勢,僅在孔出口附近孔徑收縮。因此,要想加工出孔徑從入口到出口逐漸變大的倒錐孔,只需在保持前面已有倒錐形趨勢的基礎(chǔ)上,增加孔出口處的蝕除量,增大出口附近的孔徑,即可得到完整的倒錐孔。

基于以上考慮,研究了如圖5所示的一種在線調(diào)節(jié)電參數(shù)的倒錐孔電火花加工工藝。先以恒定電參數(shù)向下進(jìn)行孔加工,在孔即將被貫穿時(shí),通過在線調(diào)節(jié)電參數(shù)增大放電能量,由于電蝕產(chǎn)物積累在孔底部,因此孔底部位置優(yōu)先放電,孔徑被擴(kuò)大。在孔被貫穿后,電極自動(dòng)伺服快速進(jìn)給,電極損耗較小、直徑較大的部分快速進(jìn)給至孔出口處,此時(shí)出口處的電蝕產(chǎn)物還未完全排出,出口處優(yōu)先放電,更大的電極直徑加上增大的放電能量使出口處孔徑進(jìn)一步擴(kuò)大,而前段已有的倒錐形趨勢也得到保持,這樣加工得到的孔即為倒錐形。

圖5 倒錐孔加工示意

3 加工參數(shù)對(duì)孔加工的影響

為了解主要加工參數(shù)對(duì)微細(xì)孔孔徑和加工過程的影響,以利于倒錐孔加工中參數(shù)的選擇,本節(jié)首先進(jìn)行常規(guī)孔加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用電極為直徑120μm鎢絲,工件為1 mm厚的18CrNi8合金鋼片。實(shí)驗(yàn)研究了開路電壓、放電電容以及進(jìn)給深度等加工參數(shù)對(duì)微細(xì)孔加工的影響。

3.1 開路電壓

微細(xì)電火花加工中,加工前設(shè)置的開路電壓對(duì)被加工孔徑有著直接的影響。實(shí)驗(yàn)中,電極進(jìn)給深度為1.9 mm,以不同的加工開路電壓進(jìn)行常規(guī)孔加工實(shí)驗(yàn),每組參數(shù)進(jìn)行多組加工求平均值,得到孔徑隨加工電壓的變化(圖6)。隨著開路電壓的增大,出入口孔徑也隨之增大。實(shí)驗(yàn)在開路電壓為160 V的情況下,出入口孔徑相差最小,正錐程度也最小。

圖6 孔徑隨加工電壓的變化

3.2 放電電容

采用等脈沖復(fù)合RC脈沖放電電源,電容值對(duì)放電能量有著直接的影響。在160 V電壓下,只改變加工間隙兩端并聯(lián)的放電電容,得到孔徑隨放電電容的變化見圖7。隨著放電電容的增大,所加工通孔入口直徑增加,出口直徑變化不明顯。采用小電容可直接得到倒錐孔。但由于電容值降低導(dǎo)致單次脈沖放電能量的減小,易導(dǎo)致過低的加工效率。而采用過大的電容雖然會(huì)提高加工速度,但加工表面質(zhì)量較差,且不利于倒錐孔的形成。因此放電電容選擇10 nF左右為宜。

圖7 孔徑隨放電電容的變化

3.3 進(jìn)給深度

在微細(xì)電火花加工過程中,電極絲因加工損耗而長度減少、端部變尖。如果不考慮這些損耗而僅將電極絲端部進(jìn)給至工件底面,則不能獲得通孔。如果只是采用少量的過進(jìn)給,所獲得的通孔出口將遠(yuǎn)小于入口。實(shí)驗(yàn)選擇進(jìn)給深度范圍為1.5～2.9 mm,研究進(jìn)給深度對(duì)孔形的影響。采用直徑120 μm電極絲,加工前將電極絲端面修平,開路電壓設(shè)為160 V,加工電容為10 nF。

孔徑隨進(jìn)給深度的變化如圖8所示,在進(jìn)給深度達(dá)到2.5 mm時(shí),出入口直徑差達(dá)到8.4 μm,之后該差值沒有明顯增大。

圖8 孔徑隨進(jìn)給深度的變化

4 倒錐孔加工實(shí)驗(yàn)

從上述出入口孔徑隨開路電壓、放電電容、電極進(jìn)給深度的變化關(guān)系,綜合考慮加工速度和效率等因素,以開路電壓160 V、放電電容10 nF、電極進(jìn)給深度2.5 mm為基礎(chǔ)參數(shù),進(jìn)行變參數(shù)的倒錐孔加工實(shí)驗(yàn)。

4.1 變電壓倒錐孔加工實(shí)驗(yàn)

電火花加工中放電能量的改變可通過改變開路電壓、放電電容、脈沖參數(shù)等實(shí)現(xiàn)。本節(jié)的變參數(shù)倒錐孔加工實(shí)驗(yàn)中,可變開路電壓分為90、130、160、190 V 4檔,實(shí)驗(yàn)研究電壓改變范圍、電壓改變時(shí)機(jī)對(duì)倒錐孔加工的影響。

在線調(diào)節(jié)電參數(shù)的倒錐孔電火花加工過程為:首先以恒定電參數(shù)向下進(jìn)行孔加工,在孔即將被貫穿時(shí),開路電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)增大;孔被貫穿后,電極自動(dòng)伺服快速進(jìn)給,電極直徑損耗較小的部分快速進(jìn)給至孔出口處,在殘留電蝕產(chǎn)物的作用下,出口處優(yōu)先放電,得到較大的出口孔徑。從而使腰鼓形通孔前段已有的倒錐形趨勢得到保持,最終獲得倒錐形通孔。

實(shí)驗(yàn)在兩組不同的電壓組合下,研究變壓深度對(duì)出入口孔徑的影響(圖9)。伺服進(jìn)給至1.3 mm時(shí)改變加工電壓,所獲得微孔的出入口孔徑差最大,倒錐程度最顯著。對(duì)比起始電壓不同的兩組結(jié)果,圖9b起始電壓160 V的出入口孔徑的最大差值大于圖9a起始電壓130 V的。部分原因是當(dāng)開路電壓從130 V切換至190 V時(shí),電壓升幅較大,孔入口處也發(fā)生了放電加工,造成入口孔徑的二次擴(kuò)張。采用160～190 V的開路電壓范圍,在電極進(jìn)給深度到達(dá)1.3 mm時(shí)進(jìn)行電壓改變,可獲得較佳的倒錐孔效果。

圖9 變壓深度與孔形關(guān)系

采用脫模法[6]提取圖9b中變壓深度為1.3 mm時(shí)所得微細(xì)孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu),得到如圖10a所示結(jié)果,圖10b、圖10c分別為所得微細(xì)孔出、入口形貌。出入口直徑最大差值為24.4 μm,最大錐角約為1.33°。該加工條件下所得倒錐孔出入口直徑平均相差 18.6 μm,平均錐角為 1.16°,而噴油嘴倒錐噴孔要求的出入口直徑相差范圍是15～25 μm[8]。所以利用該工藝加工的倒錐孔滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)倒錐噴孔的加工要求。

圖10 典型加工結(jié)果的脫模形貌

4.2 工件底面覆石蠟加工工藝

微細(xì)孔電火花加工過程中,工件底面貫穿導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物排出會(huì)造成頸縮現(xiàn)象,而阻礙電蝕產(chǎn)物的排出有利于倒錐孔的形成。前述的在工件底部用鋼材封堵的加工實(shí)驗(yàn),在不改變開路電壓的情況下即加工得到了出入口直徑相差31 μm的倒錐孔。

在考慮可行的應(yīng)用前提下,本文進(jìn)一步嘗試了一種在工件底面涂覆石蠟層獲取倒錐孔的加工工藝。將石蠟層涂覆于工件底面,工件被貫穿后,底部所涂覆的石蠟層可阻礙電蝕產(chǎn)物的順暢排出。隨著電極的進(jìn)給,工件的加工出口孔徑將會(huì)變大,而石蠟在加工的高溫下也會(huì)局部融化,不會(huì)與加工電極發(fā)生機(jī)械干涉。與在線改變電參數(shù)工藝結(jié)合,可獲得倒錐程度較大的微細(xì)孔。底面涂覆石蠟層的加工工藝示意圖如圖11a所示。石蠟在47～64℃熔化,易于施加和去除。實(shí)驗(yàn)加工倒錐孔的脫模結(jié)果如圖11b所示,采用覆石蠟層與變電壓結(jié)合的手段,可獲得出入口孔徑差達(dá)25 μm以上的倒錐程度較大的微細(xì)孔。

圖11 底面涂覆石蠟加工工藝

5 結(jié)論

本文基于微細(xì)孔電火花加工中觀測到的“腰鼓”現(xiàn)象,進(jìn)行了微細(xì)倒錐孔的在線加工參數(shù)調(diào)控電火花加工工藝的研究。

實(shí)驗(yàn)研究了主要加工參數(shù)對(duì)孔加工的影響,得到了出入口孔徑隨開路電壓、放電電容、電極進(jìn)給深度的變化關(guān)系。采用開路電壓160 V、放電電容10 nF、電極進(jìn)給深度2.5 mm有利于倒錐孔的形成。

進(jìn)行了變電壓的倒錐孔加工實(shí)驗(yàn)。在開路電壓從160 V在線調(diào)節(jié)至190 V,變壓深度1.3 mm,進(jìn)給深度2.5 mm,放電電容10 nF的條件下,實(shí)驗(yàn)得到了出入口孔徑平均相差18.6 μm、平均錐角 1.16°的加工效果。

提出了工件底面覆石蠟的加工工藝。采用實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的加工參數(shù),與在線改變電參數(shù)工藝結(jié)合,加工得到的倒錐微孔的出入口直徑差值增加到25 μm 以上 。

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