鎢鉬類高熔點金屬材料超大深徑比超深小孔的加工（上）

北京易通電加工技術研究所 （102629） 馬名峻

深小孔主要是指直徑＜1mm、深徑比≤200的小孔；而超深小孔主要是指直徑＜1mm，深徑比＞200乃至＞1 000的深小孔。在常用金屬上加工一般直徑＜1mm、深徑比＞300的深小孔，須用電火花加工的方法才可實現。

超深小孔的電火花加工一般選用常見的電火花高速小孔機。其設備加工原理主要是采用旋轉的細長空心電極管（單孔或多孔），中間通以高壓水基工作液，電極管通過紅寶石或金剛石導向器限幅導向，保障細長電極管在旋轉和軸向進給運動中不抖動，穩定進行放電加工。在工件與電極之間加有大功率的脈沖電壓，利用電極與工件間的連續放電腐蝕，蝕除金屬，進行尺寸加工。一般電火花高速小孔機電極損耗都很大，電極的長度損耗一般在100%，甚至幾倍以上，以犧牲電極而換取加工的速度。

但對于鎢鉬類高熔點金屬材料，使用普通水、純凈水或普通水基工作液，電極損耗都極大。譬如加工一件厚度28mm、孔徑1mm的純鎢小孔零件，加工一個孔需要400mm長度電極2支（有效利用長度約250mm/支），不含更換電極等輔助時間，純加工時間約需30min，而此件上面有80余個孔，純加工時間需要40h，加上更換電極的輔助時間就更長了。而對于加工厚度110mm、孔徑0.35mm的純鎢小孔零件來說，采用普通電火花高速小孔機幾乎是不可能的。

1. 傳統加工工藝

傳統的電化學深小孔加工工藝是基于“陽極溶解”的原理，一般采用中性或酸性電解液，如氯化鈉、硫酸及鹽酸的水溶液，由于對電極的絕緣要求高，以致加工工藝復雜、加工成本高，對機床工件電極的腐蝕大，且易造成環境污染，后處理難度較大。

應用電火花高速小孔機加工深小孔、超深小孔的試驗中，存在一些工藝問題：

（1）對于深小孔、超深小孔的加工，電極呈尖端損耗，隨著電極損耗增大，加工面積增大，電流密度減小，加工穩定性差，達到一定深度后，加工效率大幅降低，甚至無法加工（見圖1）。

（2）加工精度低，多孔加工一致性差，入口質量差。

（3）孔壁表面粗糙度值高、表面質量差，無法規范對孔形的精度要求。

（4）電極端頭呈不對稱尖端損耗，加工直線度差，深小孔、超深小孔加工難于實現。

通過研究分析上述電火花高速小孔機實踐中存在的諸多問題，發現這些問題的多數癥結集中于電極管的側壁放電，為此也曾考慮過仿照電化學深小孔加工工藝，對電極管增加表面絕緣層，并對此進行了研究。我們發現，在電極側壁增加絕緣層，阻斷電極側面電流通路的思路是對的，但用物理方法實現起來難度頗大。尤其是對電極管試驗環氧樹脂及絕緣漆膜涂覆、熱鍍鋁后氧化處理等的表面處理工藝，涂覆的絕緣膜厚度雖然很薄，但都存在增加排屑量，甚至堵塞電極管壁與孔壁之間排屑通道的問題，導致加工失敗。

在后來的深小孔工藝研究過程中，嘗試了一種新的電化學-電火花復合加工方法，解決了上面列舉的諸多工藝問題。

這種工藝方法的關鍵是研制了一種可以將上述兩種工藝方法融為一體的、基于電化學極化現象構造的液體成膜電火花小孔機專用工作液。

圖1 φ2mm電極端面積與不同長度圓錐損耗電極側面積電流密度的比較

2. 方案設計的基本思路

（1）構造一種鈍化作用強的低濃度電解質環保水溶液，使之能夠在脈沖電源的電場作用下，利用電極的鈍化極化現象形成在工件電極（陽極）孔壁表面的致密鈍化膜，阻斷電流在孔壁的陽極溶解過程和可能的二次火花放電通道，實質上消除孔壁的電化學-電火花加工過程，實現加工對于側壁間隙絕緣作用的液體成膜要求。

（2）利用電極管的軸向進給和旋轉功能的機械和放電間隙壓縮的綜合作用，形成電極端面的高電流密度的電火花放電，擊穿并清除電極進給方向上（端面區域）可能存在的氧化膜（鈍化膜），進而完成端面區域的放電加工任務，實現一個持續的電火花放電加工過程。

圖2所示為電火花打孔時鈍化膜形成。其中，（a）上面為多孔電極管，下為工件，孔壁上有鈍化膜，只在電極端面有放電現象；（b）為電極管端面放電過程，除去了端面方向上的鈍化膜并蝕除金屬，實現放電；（c）為電極管端面重新生成鈍化膜，重新開始新的加工過程；（d）為電極管端部局部放大圖。

圖2 電火花打孔時鈍化膜的形成

（3）在不增加脈沖電源功率的情況下，實現液體成膜，保護電極管側壁，使之最有效地將能量集中作用于電極管端平面，使潔凈工作液流始終最先作用于電極端部放電區域，形成電極管的平頭均勻低損耗，同時構造合理的最大電流密度，以期提高綜合加工效率。

（4）利用工作液中金屬陰離子的極性作用，使放電產物膠體分子同帶負電荷，相互之間產生斥力，以阻止產物膠體分子之間的結合，形成膠團，以減小工作液中放電產物顆粒的個體體積和流體阻力，利于電蝕產物在加工區域的快速排出，減少放電區域附近的二次放電過程（見圖3）。

圖3 膠體分子之間的排斥避免形成膠團

（5）利用弱堿性工作液的電化學加工特性，在鎢鉬類金屬材料的孔壁之間產生密集的微氣泡，進一步增加間隙絕緣電阻。

3. 液體成膜電火花小孔機專用工作液的構成和基本原理

這種電火花小孔機專用工作液是以弱堿性多元有機聚合物為主要成膜物質，添加必要溶劑和少量添加劑配制而成。這種液體成膜的水基工作液，是基于電化學技術的鈍化極化原理，在電場的作用下，由多元有機聚合物與金屬離子生成的穩定環狀化合物吸附于工件的孔內壁金屬表面上，沿孔壁表面形成一層極薄而致密的鈍化膜，從而起到對電極管側壁的直接電蝕和二次放電的保護作用，類似快速走絲線切割乳化液工作方式的“疏松接觸”現象。同時在極間放電爆炸力的沖擊和機械摩擦等綜合作用下，孔底面未牢固的鈍化膜又極易被粉碎清除，不能對放電過程構成阻礙作用。

根據電化學的原理來詮釋這種液體成膜過程的工作原理是：在電化學加工過程中，電極反應速度的一般規律，除了法拉第電解定律所規定的理論速度，還有一個使理論速度發生偏差的極化問題。這種在陽極溶解過程中存在的一種阻礙電極反應正常進行的現象稱為電極的極化現象。極化現象是陽極溶解過程本身具有的一種自適應能力，其后果是使電極反應速度放慢。極化現象分為：濃差極化、電化學極化或活化極化和鈍化極化。

這里重點討論相關的鈍化極化現象。這種鈍化現象實際是一種與電化學步驟和離子遷移擴散無關的極化現象，這種極化是由于陽極表面生成一種氧化物或其他物質的薄膜，增大了表面電阻，因而對電流通過產生阻力，使電極電位發生改變的極化現象。這種極化現象正是可以被利用、藉以實現試驗目的的一種有益效應。

關于氧化膜的產生有多種解釋和說法，如利用強氧化劑可以在陽極金屬表面產生一層致密的氧化膜，再有一種是在電流密度高、電解液流速低的情況下，陽極上先形成鹽的沉積，然后逐步轉化為氧化膜。還有研究者認為“鈍化膜可能是電解液中鈍化性能強的一些陰離子直接形成的”。我們認同這種說法，在電解質水溶液的設計構造上，因此更加強化了鈍化性能強的陰離子的構成。

4. 鎢鉬類高熔點金屬材料超深小孔復合加工方案的實現

使用這種液體成膜的工作液，適于鎢鉬類高熔點金屬材料直徑＜3mm的深小孔，尤其是超大深徑比的深小孔加工過程。孔壁絕緣膜在某種程度上構成了深孔內部導向器，在鎢鉬類高熔點金屬材料的超大深徑比的深小孔加工中，排屑良好，加工穩定性極高，加工效率是普通純凈水的一倍以上。

（1）試驗一為高熔點金屬純鎢加工φ0.35mm×108mm、深徑比309的深小孔。基本試驗條件：設備是北京易通生產的ET—DX703GR高熔點金屬電火花高速小孔加工機；測試設備為電導率測試儀、折光濃度計及酸堿度測試儀等；長度測量量具包括萬能工具顯微鏡、數碼工具顯微鏡、數顯千分尺及卡尺等；工作液為北京易通生產的ET—YK1型電火花高速小孔機專用工作液，使用純凈水兌制，電導率3 280 μs/cm，濃縮液濃度配比1∶100；工件材料是純鎢（密度為19.35 g/cm3、熔點為3 410℃±20℃）；電參數是脈寬4μs、脈間16μs、空載電壓150V，平均加工電流0.5A；加工時間為70min。

應用這種鈍化作用強的低濃度電解質環保水溶液，在對純鎢材料超深小孔加工中顯示出其優越的性能，原來加工一個純鎢材料φ0.5mm×100mm、深徑比200的深小孔，不談加工時間，僅電極損耗就很驚人，400mm長度的純銅電極，一次就要使用幾十支。使用現在的工作液，加工純鎢φ0.35mm×108mm深小孔，電極長度損耗不到5mm，相對電極長度損耗約4%，一支電極即可完成加工任務。

（2）試驗二的基本試驗條件：設備為北京易通生產的ET—DS200KG高熔點金屬電火花臺式小孔加工機；測試設備是電導率測試儀、折光濃度計及酸堿度測試儀等，長度測量量具包括萬能工具顯微鏡、數碼工具顯微鏡、數顯千分尺及卡尺等；工作液是北京易通生產的ET—YK1型電火花高速小孔機專用工作液，使用純凈水兌制，電導率3 280 μs/cm，濃縮液濃度配比1∶100；工件材料為純鎢（密度為19.35 g/cm3、熔點為3 410℃±20℃），通孔深度28mm，孔徑0.8mm；電參數是脈寬8μs、脈間20μs、空載電壓80V，平均加工電流3.5A；平均加工時間為6min。

電極損耗結果是400mm長度純銅電極一支，可以加工約40個孔，電極損耗長度約4mm/孔。電極端部照片如圖4所示，可見端部只有很小的圓角，電極側壁只有在前端約10mm部位有放電痕跡，電極端部呈平頭低損耗。

圖4 電極呈平頭低損耗（采用本工作液）