李建原，張勇斌，劉廣民，武芃樾

（機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900）

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大深徑比鎢小孔的復(fù)合電加工工藝探索

李建原，張勇斌，劉廣民，武芃樾

（機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900）

摘 要：文中針對(duì)高熔點(diǎn)、大深徑比的鎢小孔加工，結(jié)合電火花/電化學(xué)復(fù)合加工的特點(diǎn)，采用多項(xiàng)工藝措施，實(shí)現(xiàn)了大深徑比鎢小孔的低電極損耗加工，并給出了小孔加工深度與直徑的變化趨勢(shì)，還對(duì)電極的表面成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其表面附有的鎢含量明顯增加，證實(shí)了電極表面材料在弱電解質(zhì)溶液中的動(dòng)態(tài)變化，即電極低損耗的原因。

關(guān)鍵詞：大深徑比；低損耗；復(fù)合加工

0　引言

鎢材料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能和射線吸收能力，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電光源、電子、電力、冶金等行業(yè)中，如醫(yī)用CT準(zhǔn)直器、探測(cè)器及半導(dǎo)體離子注入設(shè)備等［1］，其中涉及一些大深徑比鎢小孔加工。對(duì)于大深徑比小孔的加工，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法已經(jīng)難以勝任。人們一直在特種加工領(lǐng)域?qū)で蟾玫慕鉀Q方案，電火花加工是其中比較成熟的一種加工方法，它加工力小，對(duì)工具的強(qiáng)度和剛度要求較低，無(wú)毛刺，在難加工材料和特殊復(fù)雜件的加工中具有明顯的優(yōu)勢(shì)［2］。但電火花加工深小孔過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，如排殘屑、散熱及導(dǎo)向困難，穩(wěn)定性差，粗糙度高，直線度差，尺寸精度低等［3］。尤其是針對(duì)高熔點(diǎn)硬質(zhì)金屬的深小孔加工，如鎢深小孔，單純電火花加工的問(wèn)題更加突出。因?yàn)榻饘冁u具有熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和強(qiáng)度高、流動(dòng)性差排屑困難、密度大、高溫強(qiáng)度高、耐磨性和耐腐蝕性能強(qiáng)等特性，導(dǎo)致電加工時(shí)電極損耗大、蝕除速度低，隨著加工深度的不斷增加，電火花加工變得愈來(lái)愈困難，甚至無(wú)法加工［4～6］。在耐高溫金屬材料上加工深小孔，用普通機(jī)械加工方法特別困難，甚至不能加工，例如采用深孔鉆削小孔，隨著孔深徑比的增加，加工質(zhì)量難以提高；此外，采用電火花加工深小孔，加工效率低、加工表明易產(chǎn)生冷作硬化層。由于電解加工是非接觸加工，工具電極不受外力作用，加工表面質(zhì)量好，無(wú)應(yīng)力變形，應(yīng)用于精度要求高的難加工合金［7］。另外，采用高頻窄脈寬的電火花脈沖電源加工技術(shù)，同時(shí)在加工過(guò)程中電極絲做高頻振動(dòng)，使小孔加工精度和效率可得到顯著提高［2］；采用弱電解質(zhì)溶液進(jìn)行電火花/電化學(xué)復(fù)合加工，可顯著降低工具電極損耗，提高加工效率［8，9］。

文中針對(duì)大深徑比鎢小孔的加工需求，基于自主研發(fā)的微細(xì)組合電加工樣機(jī)，開(kāi)展了復(fù)合電加工工藝實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了多項(xiàng)工藝措施的影響效果，對(duì)后續(xù)高溫金屬材料的深小孔加工具有較好的參考價(jià)值。

1　需求分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文中主要針對(duì)大深徑比的鎢小孔加工需求，進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并完成加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。其中面臨的主要難度有：1）由于鎢孔尺寸要求小，深徑比要求大，內(nèi)壁質(zhì)量要求高，出口、入口直徑差要求??；2）鎢材料為高熔點(diǎn)硬質(zhì)金屬材料，單純的電火花加工中，如果用紫銅工具電極，其損耗很大；3）在典型的微細(xì)電火花加工機(jī)床上進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，深徑比至5～6時(shí)，就幾乎僅有電極損耗，而沒(méi)有去除量。

對(duì)此，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需求分析，再針對(duì)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。1）深小孔加工中，孔徑已經(jīng)很小，制造出滿足加工損耗要求、還有較高安裝精度、大長(zhǎng)徑比的工具電極已經(jīng)比較困難，且工具電極的多次精確對(duì)準(zhǔn)以及徑向間隙精密補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn)，這使得難以采用先粗加工再精加工的策略，為此，設(shè)計(jì)為單根工具電極精加工參數(shù)一次完成；2）深小孔加工的時(shí)間往往較長(zhǎng)，加工過(guò)程中排出的電蝕產(chǎn)物將沿孔溢出，此過(guò)程中，電蝕產(chǎn)物不可避免多次參與放電，形成孔內(nèi)壁的累積蝕除效應(yīng)，從而容易導(dǎo)致入口直徑大、出口直徑小，整體呈一定錐度的現(xiàn)象，為此，采用特殊工藝在位實(shí)現(xiàn)電極側(cè)壁絕緣，減少電蝕產(chǎn)物沿孔壁的累積放電蝕除；3）鎢材料的物理特性使得工具電極的損耗非常明顯，不利于僅用單根電極加工完成一個(gè)孔，為了減少工具電極損耗，充分借鑒現(xiàn)有的研究成果，采用弱電解質(zhì)溶液中的電火花、電化學(xué)復(fù)合加工工藝，使工具電極的損耗得到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；4）大深徑比小孔加工中，電蝕產(chǎn)物多殘留與小孔中，僅依賴于工具電極旋轉(zhuǎn)難以順暢排出，需要輔以極間高頻振動(dòng)，促使工作液更新，快速排除電蝕產(chǎn)物，為此，將工具電極不僅在位制備為削邊電極，還對(duì)其施加超聲振動(dòng)；5）在弱電解質(zhì)溶液的脈沖放電加工過(guò)程中，工具電極與試件表面的電場(chǎng)累積作用，會(huì)使得試件表面出現(xiàn)雜散電流腐蝕，為此，對(duì)試件表面進(jìn)行絕緣處理。

上述實(shí)驗(yàn)要求，均可在項(xiàng)目組自主研發(fā)的雙主軸三工位、多工藝組合電加工樣機(jī)上完成。該樣機(jī)如圖1所示，可實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助的電火花、電化學(xué)復(fù)合加工，多類型微細(xì)工具電極在位精密制備（包括削邊工具電極），工具電極快速旋轉(zhuǎn)，多種典型樣件可靠裝夾，工作液以沖液模式供給，加工位置精確放電感知，放電狀態(tài)實(shí)時(shí)快速直驅(qū)各軸聯(lián)動(dòng)等。

圖1　雙主軸三工位微細(xì)組合電加工樣機(jī)

2　工藝實(shí)驗(yàn)與分析

做好了上述分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備后，基于自主研發(fā)的微細(xì)組合電加工樣機(jī)，在位制備了直徑0.30mm，長(zhǎng)15mm的削邊工具電極，長(zhǎng)徑比為50，削邊徑向長(zhǎng)度為50μm，并完成了工具電極與試件的在位表面絕緣處理，如圖2所示。

圖2　削邊工具電極

綜合考慮了加工精度、表面質(zhì)量、加工效率等因素，采用精加工脈沖參數(shù)，脈寬1μs，峰值電流1.0A，工作液電導(dǎo)率1500μS/cm，電極回轉(zhuǎn)速度250rpm，超聲振動(dòng)頻率20kHz，基于重力作用的沖液方式，采用Z軸小孔加工模式。加工前，選擇一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，記錄其感知的Z坐標(biāo)位置；加工后再到此位置重復(fù)感知一次，兩次感知坐標(biāo)之差即為電極損耗長(zhǎng)度。在加工過(guò)程中，每隔約5分鐘記錄一次Z軸的坐標(biāo)位置，以便跟蹤深小孔加工過(guò)程中的Z軸速度變化。

經(jīng)過(guò)約100分鐘的電火花、電化學(xué)復(fù)合加工，順利完成了厚度8mm的鎢孔加工。首先，Z軸進(jìn)給過(guò)程中間隔5分鐘的坐標(biāo)差值曲線如圖3所示。從原始坐標(biāo)差值曲線可以看出：初始加工時(shí)，孔深度很小，Z軸進(jìn)給速度較快，意味著電蝕產(chǎn)物排除順暢；但隨著小孔加工深度的增加，Z軸進(jìn)給速度逐漸放緩，并出現(xiàn)較大行程的回退，電蝕產(chǎn)物的排除越來(lái)越困難，而且還參與了累積放電。

通過(guò)加工前后在同一參考點(diǎn)的Z向感知，電極Z坐標(biāo)差僅為0.305mm，即為電極Z向損耗長(zhǎng)度，而加工的鎢孔深度為8mm，Z向相對(duì)損耗約為3.8%；同時(shí)，用掃描電鏡對(duì)工具電極參與和沒(méi)有參與放電加工的兩部分進(jìn)行了成分對(duì)比分析，如圖4所示，鎢含量對(duì)鐵含量的相對(duì)值（比值）從初始的7.08%增加到38.48%，表明工具電極表面附著有大量的鎢元素，即認(rèn)為試件的材料在加工過(guò)程中有部分附著在了工具電極表面，有效抑制了工具電極的損耗。

圖3　鎢小孔加工過(guò)程中的Z軸進(jìn)給位置變化曲線

圖4　掃描電鏡對(duì)工具電極進(jìn)行成分分析

為了得到加工的深小孔內(nèi)部尺寸變化情況，需要獲取小孔的內(nèi)部尺寸。為此，將試件分成了上下兩部分，共四個(gè)表面，如圖5（a）所示。在加工完成后，對(duì)試件的四個(gè)表面的孔徑分別進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖5（b）所示。附著在工具電極表面的絕緣膜在加工過(guò)程中受到了損壞，如圖6所示，主要由于其厚度大于了放電間隙，在高頻振動(dòng)情況下，與小孔側(cè)壁進(jìn)行了摩擦。從孔徑測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)可知，入口孔徑尺寸較大，中間截面孔徑減小，出口孔徑最小，即小孔加工呈正錐形狀；加工過(guò)程中，弱電解質(zhì)工作液在小孔內(nèi)部的去除作用并未形成主要的加工因素，主要還是由電火花放電作用產(chǎn)生的去除效果，并且電蝕產(chǎn)物在排除過(guò)程中參與了放電加工。

圖5　不同面上小孔直徑分析示意圖

圖6　加工深小孔后的工具電極

3　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)鎢材料的深小孔加工，簡(jiǎn)要分析了具體的加工需求，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)；然后，基于自主研發(fā)的微細(xì)組合電加工樣機(jī)，采用弱電解質(zhì)溶液中的電火花、電化學(xué)復(fù)合加工工藝，輔以超聲振動(dòng)，在鎢材料試件上進(jìn)行了多個(gè)小孔加工實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鎢小孔加工過(guò)程中的Z軸進(jìn)給速度逐漸變緩，試件材料的成分會(huì)附著到工具電極上，且工具電極的損耗很小，加工的小孔呈正錐形。如果進(jìn)一步控制絕緣膜的厚度和質(zhì)量，加工的小孔精度有望得到提升。

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High aspect ratio small tungsten hole machined
by EDM/ECM compound technology

LI Jian-yuan， ZHANG Yong-bin， LIU Guang-min， WU Peng-yue

中圖分類號(hào)：TN705

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0120-03

收稿日期：2016-01-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475439）；中物院超精密加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)資助項(xiàng)目（ZZ14005）；中國(guó)工程物理研究院發(fā)展基金資助項(xiàng)目（K901-14-jf）

作者簡(jiǎn)介：李建原（1968 -），男，技師，主要從事電火花成型加工的工作。