大深徑比鎢小孔的復合電加工工藝探索

李建原，張勇斌，劉廣民，武芃樾

（機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

?

大深徑比鎢小孔的復合電加工工藝探索

李建原，張勇斌，劉廣民，武芃樾

（機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

摘 要：文中針對高熔點、大深徑比的鎢小孔加工，結合電火花/電化學復合加工的特點，采用多項工藝措施，實現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，還對電極的表面成分進行了分析，發現其表面附有的鎢含量明顯增加，證實了電極表面材料在弱電解質溶液中的動態變化，即電極低損耗的原因。

關鍵詞：大深徑比；低損耗；復合加工

0　引言

鎢材料具有優良的高溫穩定性能和射線吸收能力，被廣泛應用于醫療、電光源、電子、電力、冶金等行業中，如醫用CT準直器、探測器及半導體離子注入設備等［1］，其中涉及一些大深徑比鎢小孔加工。對于大深徑比小孔的加工，傳統的機械加工方法已經難以勝任。人們一直在特種加工領域尋求更好的解決方案，電火花加工是其中比較成熟的一種加工方法，它加工力小，對工具的強度和剛度要求較低，無毛刺，在難加工材料和特殊復雜件的加工中具有明顯的優勢［2］。但電火花加工深小孔過程中仍然存在一些問題，如排殘屑、散熱及導向困難，穩定性差，粗糙度高，直線度差，尺寸精度低等［3］。尤其是針對高熔點硬質金屬的深小孔加工，如鎢深小孔，單純電火花加工的問題更加突出。因為金屬鎢具有熔點、沸點和強度高、流動性差排屑困難、密度大、高溫強度高、耐磨性和耐腐蝕性能強等特性，導致電加工時電極損耗大、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愈困難，甚至無法加工［4～6］。在耐高溫金屬材料上加工深小孔，用普通機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，加工表面質量好，無應力變形，應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，同時在加工過程中電極絲做高頻振動，使小孔加工精度和效率可得到顯著提高［2］；采用弱電解質溶液進行電火花/電化學復合加工，可顯著降低工具電極損耗，提高加工效率［8，9］。

文中針對大深徑比鎢小孔的加工需求，基于自主研發的微細組合電加工樣機，開展了復合電加工工藝實驗研究，驗證了多項工藝措施的影響效果，對后續高溫金屬材料的深小孔加工具有較好的參考價值。

1　需求分析與實驗設計

文中主要針對大深徑比的鎢小孔加工需求，進行工藝實驗設計，并完成加工驗證實驗。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，內壁質量要求高，出口、入口直徑差要求小；2）鎢材料為高熔點硬質金屬材料，單純的電火花加工中，如果用紫銅工具電極，其損耗很大；3）在典型的微細電火花加工機床上進行加工實驗，深徑比至5～6時，就幾乎僅有電極損耗，而沒有去除量。

對此，首先進行實驗需求分析，再針對性進行實驗設計。1）深小孔加工中，孔徑已經很小，制造出滿足加工損耗要求、還有較高安裝精度、大長徑比的工具電極已經比較困難，且工具電極的多次精確對準以及徑向間隙精密補償難以實現，這使得難以采用先粗加工再精加工的策略，為此，設計為單根工具電極精加工參數一次完成；2）深小孔加工的時間往往較長，加工過程中排出的電蝕產物將沿孔溢出，此過程中，電蝕產物不可避免多次參與放電，形成孔內壁的累積蝕除效應，從而容易導致入口直徑大、出口直徑小，整體呈一定錐度的現象，為此，采用特殊工藝在位實現電極側壁絕緣，減少電蝕產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孔，為了減少工具電極損耗，充分借鑒現有的研究成果，采用弱電解質溶液中的電火花、電化學復合加工工藝，使工具電極的損耗得到動態補償；4）大深徑比小孔加工中，電蝕產物多殘留與小孔中，僅依賴于工具電極旋轉難以順暢排出，需要輔以極間高頻振動，促使工作液更新，快速排除電蝕產物，為此，將工具電極不僅在位制備為削邊電極，還對其施加超聲振動；5）在弱電解質溶液的脈沖放電加工過程中，工具電極與試件表面的電場累積作用，會使得試件表面出現雜散電流腐蝕，為此，對試件表面進行絕緣處理。

上述實驗要求，均可在項目組自主研發的雙主軸三工位、多工藝組合電加工樣機上完成。該樣機如圖1所示，可實現超聲振動輔助的電火花、電化學復合加工，多類型微細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，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，放電狀態實時快速直驅各軸聯動等。

圖1　雙主軸三工位微細組合電加工樣機

2　工藝實驗與分析

做好了上述分析、實驗設計與準備后，基于自主研發的微細組合電加工樣機，在位制備了直徑0.30mm，長15mm的削邊工具電極，長徑比為50，削邊徑向長度為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、表面質量、加工效率等因素，采用精加工脈沖參數，脈寬1μs，峰值電流1.0A，工作液電導率1500μS/cm，電極回轉速度250rpm，超聲振動頻率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，選擇一點作為參考點，記錄其感知的Z坐標位置；加工后再到此位置重復感知一次，兩次感知坐標之差即為電極損耗長度。在加工過程中，每隔約5分鐘記錄一次Z軸的坐標位置，以便跟蹤深小孔加工過程中的Z軸速度變化。

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

通過加工前后在同一參考點的Z向感知，電極Z坐標差僅為0.305mm，即為電極Z向損耗長度，而加工的鎢孔深度為8mm，Z向相對損耗約為3.8%；同時，用掃描電鏡對工具電極參與和沒有參與放電加工的兩部分進行了成分對比分析，如圖4所示，鎢含量對鐵含量的相對值（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，即認為試件的材料在加工過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　鎢小孔加工過程中的Z軸進給位置變化曲線

圖4　掃描電鏡對工具電極進行成分分析

為了得到加工的深小孔內部尺寸變化情況，需要獲取小孔的內部尺寸。為此，將試件分成了上下兩部分，共四個表面，如圖5（a）所示。在加工完成后，對試件的四個表面的孔徑分別進行了測量，結果如圖5（b）所示。附著在工具電極表面的絕緣膜在加工過程中受到了損壞，如圖6所示，主要由于其厚度大于了放電間隙，在高頻振動情況下，與小孔側壁進行了摩擦。從孔徑測量結果數據可知，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；加工過程中，弱電解質工作液在小孔內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生的去除效果，并且電蝕產物在排除過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　結束語

文中針對鎢材料的深小孔加工，簡要分析了具體的加工需求，并對此進行了實驗分析與設計；然后，基于自主研發的微細組合電加工樣機，采用弱電解質溶液中的電火花、電化學復合加工工藝，輔以超聲振動，在鎢材料試件上進行了多個小孔加工實驗；實驗結果表明：鎢小孔加工過程中的Z軸進給速度逐漸變緩，試件材料的成分會附著到工具電極上，且工具電極的損耗很小，加工的小孔呈正錐形。如果進一步控制絕緣膜的厚度和質量，加工的小孔精度有望得到提升。

參考文獻：

［1］ 鄧自南，趙娟，高精度鎢器件的應用及加工［J］.中國鎢業，2008，23（1）：38-41.

［2］ 陳豫紅，周尚榮，張鵬程.鎢合金板群孔特種加工技術研究［J］.機械設計與制造，2012，11：114-116.

［3］ 趙戰峰，張林斌.超大深徑比深小孔電火花加工工藝探索［J］.現代機械，2012，12：1-5.

［4］ 張晶晶.削邊電極電火花小孔加工仿真及試驗研究［D］.太原理工大學，2013.

［5］ Chris J. Morgan， R. Ryan Vallance， and Eric R. Marsh.Specific grinding energy while microgrinding tungsten carbide with polycrystalline diamond micro tools［J］.ICOMM，2007，39.

［6］ Amir Abdullah， Mohammad R Shabgard， Ivanov A，et al. Effect of ultrasonic-assisted EDM on the surface integrity of cemented tungsten carbide （WC-Co） ［J］.Int J Adv ManufTechnol.2009，41 （3-4）：268-280.

［7］ 李兆龍，狄士春.深小孔脈沖電解加工精度控制研究［J］.兵工學報，2012，33（4）：414-418.

［8］ 尹青峰，王寶瑞，張勇斌，吉方.弱電解質溶液中EDM/ECM復合加工的高效低損耗特性研究［J］.制造技術與機床，2013，10：30-33.

［9］ 尹青峰，王寶瑞，張勇斌，李建原.弱電解質溶液EDM/ECM復合加工機理研究［J］.機械設計與制造，2014.5：85-87.

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：TN705

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0120-03

收稿日期：2016-01-07

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51475439）；中物院超精密加工技術實驗室重點資助項目（ZZ14005）；中國工程物理研究院發展基金資助項目（K901-14-jf）

作者簡介：李建原（1968 -），男，技師，主要從事電火花成型加工的工作。