電火花加工對滑閥微細孔精度的影響分析

胡守琦 蔣立坤 孫曉飛 姜珊 張慧

摘要：微細電火花加工技術在難度較大的材料微細孔加工期間應用較為廣泛，在工業實踐中對于微細深孔的加工精度具有較高要求。而文章中主要對畫法微細孔電火花加工方面，精度的影響因素進行了分析。

關鍵詞：電火花加工;滑閥;微細孔;精度

中圖分類號：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0095-03

0? 引言

電火花加工屬于直接應用電能與熱能加工的全新工藝，此項加工技術是特種加工范疇中關鍵性技術。具體為在符合要求的介質中，經由工具電極與工件電極間的脈沖放電電蝕作用，完成工件加工任務的方法。電火花加工基于理論層面能夠加工所有導電材料，同時與材料強度及硬度存在相關關系，為此，在機械制造業中被廣泛應用。工業生產期間大深徑比孔的加工需求，促進了大深徑比孔加工技術的發展。有關學者經由在工具電極上涂覆絕緣層控制無效放電，極大的提升了加工期間的穩定性，可加工出直徑200μm，深徑比為120的微細孔。文章中以材料作為方向，對滑閥微細孔精度的影響進行了分析。

1? 電火花加工原理

電火花加工方面的電蝕現象最初于19世紀末出現，例如插頭與開關啟閉時所產生的電火花與接觸表面可造成損害。而我國則在20世紀50年代展開了電火花設備的研究，同時在60年代研發出首臺依附于模仿形電火花線切割機床。電火花加工具體所指向的是，應用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時所產生的電蝕作用，蝕除導電材料的特種加工手段。電火花加工得以實現需要建立在以下幾點條件之上：

第一，工具電極與工件電極間要求存在著適當的距離，能夠滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，從而產生出火花放電，另一個方面還能夠充分適應在火花通道熄滅之后介質消電離，并排出蝕除產物要求[1]。如果兩極之間所存在的距離過長，脈沖電壓便無法順利擊穿介質，同時也無法產生出火花放電。如果此距離過小，兩極之間不會出現脈沖能量的消耗，無法完成加工操作。

第二，在兩極之間要求充入介質在做材料電火花尺寸加工期間，兩極之間屬于液體介質，材料電火花表層強化中，之間為氣體介[2]。

第三，輸送到兩極之間的脈沖能量密度需要確保在火花通道形成之后，脈沖電壓不會出現過于明顯的變化。基于此，通道電流密度能夠表征通道能量密度。密度足夠大可促使加工材料局部氣化，在被加工材料表層形成腐蝕痕，為電火花加工提供基礎條件。

第四，放電要求為短時間的脈沖放電脈沖。基于放電時間短，導致放電期間所產生的熱能無法及時在被加工材料中進行擴散，由此將能量作用約束到較小的范疇中，維持火花放電的冷極特性。

第五，脈沖放電要求重復多次開展，同時多次脈沖放電在時間與空間分散涉及到兩個層面的內涵。一方面，時間層面臨近兩個脈沖不在同一點上形成通道;另一個方面，如果處在一定時間范疇脈沖放電集中發生到某一個區域中，在另一段時間中，脈沖放電需要轉移到另外區域。此種要求的目的在于，可控制積碳現象的發生，進而規避電弧與局部燒傷問題。

電火花加工中，工具電極需要與工件及脈沖電源兩極進行連接，并將其放置到工作液中，也可將工作液放置到電間隙。兩個電極之間的間隙應該處在適合的距離基礎之上，兩個電極所給予的脈沖電壓擊穿工作液，最終達到火花放電的效果[3]。放電微細通道之中瞬間集中起的熱能可達到一萬攝氏度，為此會推動壓力的變化，而工作表面局部的微量金屬材料也會出現氣化的轉變，以爆炸的形式分布到工作液中，并在短時間內冷凝，轉化成為固體金屬微粒，隨工作液流走。后續脈沖電壓能夠在兩極臨近的另外部位擊穿，進而產生了火花放電，進入到重復的流程。不同脈沖放電蝕除的金屬量不多，每秒內大量脈沖放電會蝕除大量金屬。在保障工具電極與工件放電間隙不便的環境下，可蝕除工件金屬，同時還能夠推動工具電極向工件進給。另外，若想要確保加工出的形狀與工具電極形狀類似，僅僅需要整改工具電極形狀與工件間相對運動范式，可加工出各類型復雜的型面[4]。

2? 電火花加工特征

電火花加工作為全新加工工藝與機械加工存在著本質上的差異。在工業生產發展與科技發展下，熔點與硬度以及強度均有得到提升，也由此出現了高粘性與高純度材料。近年來在工件加工中，復雜的結構與特殊材料等要求不斷提升，而在此情況下以往的機械加工手段無法完成加工任務，或面臨著較大的難度。除持續優化機械加工手段外，還應該探尋更為先進的加工辦法[5]。電火花加工辦法可迎合生產發展的需求，同時可呈現出諸多顯著優勢，從而獲取到快速發展。總結電火花加工特征包括以下幾點：第一，脈沖放電能量密度較高，可加工常規機械加工辦法攪拌加工的特殊材料[6]。不會受到材料硬度的干擾，同時也有效的規避了受熱處理情況的干擾。第二，脈沖放電持續的時間較短，放電期間所產生的熱量傳導在狹小的范圍內擴散[7]。第三，在加工期間工具電極與工件材料不會接觸，兩者之間的作用力影響下，工具電極制造更為方便。第四，能夠對工件的結構實現優化處理，節省不必要的加工環節，提升工件使用壽命，降低工作人員勞動量[8]。

3? 滑閥微細電火花加工力影響模型

研究中應用臥式微細電火花加工裝置，同時在微細孔加工期間作出以下幾點假設：第一，工具電極在加工環節可能承受到的多種徑向力合力大小不會出現轉變，同時一直作用到電極末端[9]。第二，作用在電極的軸向力，基于其促使電極彎曲小，可不予以考慮。第三，基于同樣加工條件，同一個電極但長度不發生轉變，所受到的力一致。第四，實驗過程中電極的直徑應該不超過原始直徑，加工過程中電極彎曲處在電極被加工部分。第五，電極加工方面，彎曲與變形不明顯，能夠滿足材料力學上的要求。基于以上獲取到細微電火花加工過程中電極受力與變形模型，見圖1。

加工期間電極在徑向合理F作用下變形撓度公式如公式1所示：

在公式（1）中，F所代表的是電極末端所面對的徑向合力，E所代表的是電極材料彈性模型，I代表的是電極慣性矩，d代表的是電極直徑，L代表的是電極長度，x代表的是電極上隨意一個點與0點之間的距離。

在研究期間，工具電極應用WEDG辦法制備，在加工之后電極形狀見圖2。基于加工之后電極直徑要明顯小于沒有加工的直徑，核算電極長度期間僅僅考慮到加工之后直線部分的長度，也就是將0作為起點，剩余部分考慮為剛性，不會關注多種加工作用中的彎曲變形。

4? 實驗裝置及方法

實驗期間應用到的臥式微細電火花加工實驗裝置主要構成部分為：基座、電極旋轉軸C軸、WEDG單元等[11]。加工條件與已知參數見表1。在加工實踐方面，基于WEDG單元制造出符合需求長度與直徑的微細電極。具體加工期間，首要工作是移動X-Y-Z工作臺探測工件表面，此項操作完成后在明確加工起點之后執行加工操作，并在加工完成一個孔之后將電極截取0.4mm，最終確保剩余的長度為0.6mm。在完成加工操作之后對工件與電極進行清理，并監測電極的直徑與剩余長度等指標。電極不會出現彎曲變形情況，基于此第一個孔與最后孔的半徑差作為電極末端變形值。結合以上獲取到F，結合公式（1）核算出不同電極程度條件下對應的撓度[12]。

5? 實驗結果

如表2所示，為四種加工條件下獲取到的實驗結果。所選觀察對象為長度為3.663mm，直徑為62.2的鎢電極在去離子水工作液加工出的排孔，第一個孔的直徑是105μm，最后一個孔直徑是95.5μm。另選長度4.287mm，直徑為63.6的鎢電極在油中加工出的排孔，第一個孔直徑86.1μm，最后一個孔直徑是75.9μm。

通過對加工各孔做測量，獲取到4種不同加工條件下加工間隙與電極長度的對應關系。在同樣的加工條件中，基于電極長度增長，加工間隙也會隨之增加。此種規律代表著，微細電火花加工微孔期間，多種力對于加工間隙的影響較大，而此影響作用會在電極長度增加下不斷上升。若電極較短，此種影響作用可不予考慮。實驗期間分別應用直徑為63.4μm、長度為288μm與直徑為63.5μm，長度為504μm的鎢電極在油中完成加工驗證，獲取到的加工間隙分別為6.22μm與6.24μm，差距不明顯。此結果所代表的是，電極較短條件下，加工間隙與電極長度之間不存在明顯關聯，在此種狀態中加工間隙主要受到電火花放電加工工藝參數的影響[13]。

研究結果證實了，以上獲取到的結果并不是基于臥式加工導致促使電極受到重力影響而單獨導致的。分析出現此種情況的原因可能是，若電極受重力作為均步載荷，參考材料力學理論，直徑為60μm與長度4mm的鎢電極受到重力影響，撓度的最大變形可達到0.75μm，而在直徑相同的環境中，長度為6mm碳化鎢電極基于重力作用影響，撓度變形為0.16μm，將實踐加工間隙作為對照，其變形并不顯著。此種結果表明了，電極在重力下所受到的影響作用并非是本次研究過程中的關鍵性因素，而電極的長度針對加工間隙的影響作用多來自各種力的綜合作用。參考以上加工力影響模型，所梳理出的電極撓度理論值與實際值對比結果如圖3與圖4所示。

能夠總結出的是，理論值與實際值結果并未呈現出顯著差異。而本次研究中所指出的加工力影響模型可較好的表現在電火花加工微孔過程中，電極彎曲變形撓度的增加，導致同一種直徑的電極基于長度的差異，會導致最終加工出的孔徑有所不同。

6? 結論

文章中構建起微細電火花加工微孔期間加工力影響模型，同時經由實驗作出驗證。結果顯示出，結合模型核算出的結果與實際測量值未表現出顯著差異。基于加工力的影響，應用微細電火花加工微孔期間，應該考慮到電極長度因素。直徑相同的電機在長度存在差異的條件下，所加工出的孔徑也有所不同，且孔徑會隨著電極的增長而加大。

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