微孔復合加工技術進展

陳意 柏有才

摘要：微孔加工一直是制造業所關注的難點問題之一。隨著材料科學的發展，傳統微孔加工存在溫升高、排屑困難、斷刀等問題。為克服傳統加工方法的不足，復合加工技術逐漸興起。本文詳細介紹了幾種具有代表性的微孔復合加工技術，對其加工原理、加工特點以及所存在的不足進行了綜述。通過將多種微孔加工技術進行復合，兼顧加工效率和精度，有望實現微孔加工技術的突破。

關鍵詞：微孔;復合加工;加工效率;加工精度;特種加工

中圖分類號：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0020-02

0? 引言

微孔加工廣泛存在于航空航天、軍工生產、儀器儀表、醫療器械等行業，如渦輪葉片冷卻孔、閥孔、噴油嘴和發動機燃油噴嘴等[1-2]。工程上把孔徑在3mm以下的孔稱為微孔[3]。目前微孔加工的方法主要機械加工（如鉆削、沖孔、研磨、磨料流精加工）和特種加工（如電火花加工、電化學加工、超聲加工、激光加工）為主。而對于一些難加工材料的微孔，采用上述方法加工效率低或根本無法加工[4]。通過將兩種或兩種以上的加工方法進行復合，綜合各種加工方式的優點，實現微孔的高效高質量加工，是目前難加工材料的微孔加工一個重要方向，表1給出了目前常見的幾種復合加工微孔的方法。本文通過綜述典型的微孔復合加工方法的原理和加工工藝特點，分析各自的加工優缺點，為不同材料的微孔的復合加工工藝選擇和應用提供參考。

1? 超聲電火花復合加工微孔

超聲輔助電火花微孔加工時，通過將微細電極加工成尺寸與精度與微孔相當的形狀，利用電解將工件材料上與電極距離較近的工件材料進行火花放電熔化或汽化去除，將工具電極的形狀和尺寸復刻到工件上形成加工后的微孔。在電火花加工的同時，在電極或者工件上引入超聲振動，促進工件和電極間的電介質溶液流動，沖洗電極和工件表面的顆粒，避免顆粒引起的不規則的放電，提高放電的穩定性和可靠性，同時顆粒被電介質溶液帶動沖刷磨拋微孔表面，可以提高微孔的表面質量。

由于超聲波的引入，能強化加工過程，促使電腐蝕產物的排除，能使極間間隙穩定。工具超聲振動可將電火花放電脈沖的利用率達50%以上（普通電火花精加工的利用率僅為3-5%）。在電火花加工技術上復合超聲振動，改善電極與工件間的放電條件，可以提高加工效率和加工質量。電極與工件間充滿的工作液能夠防止短路、拉弧和微焊現象，較好地解決了電火花加工中電蝕產物排除困難的難題，目前應用廣泛。在加工小孔、深孔、窄縫及異型孔時，可獲得良好的工藝效果，可使生產率提高幾倍到幾十倍。圖 1給出了在2μm超聲振幅下超聲電火花加工后的微孔，可以看出微孔周圍腐蝕程度最小，表面質量較不振動時明顯改善。

2? 電解機械復合加工微孔

電解機械復合加工中主要利用電解作用實現對去除工件的材料，同時復合機械加工，對電解后的鈍化膜進行去除和破壞，保證電解過程的順利高效進行。電解機械復合加工最典型的應用案例為電解磨削加工微孔技術。在磨削的過程中保持工件和砂輪之間一定的磨削壓力，同時在工件和砂輪之間填充一定的電解液。受砂輪表面磨粒突出結構的影響，電解液可以進入磨削弧區。此時在砂輪和工件之間接通直流電，將工件表面金屬材料電解成離子化合物和陽極膜。電解的產物不斷的被砂輪帶動的電解液帶走，同時砂輪表面的磨粒不斷的去除工件的表面鈍化膜，露出新的金屬，促進電解作用的進一步進行，如此不斷的移除工件材料，實現對工件材料的磨削去除。圖2給出了電解機械復合加工后的燃油噴嘴孔，可以看出孔的精度較高且無毛刺，加工表面質量好。

3? 電解激光復合加工微孔

電解激光復合加工中電解液以射流的形式沖擊微孔區域，實現對微孔的電解加工去除。電解激光復合加工的原理如圖 3所示，電解液射流形成的水柱構建激光傳導和反射的路徑，引導激光沿電解液傳遞至電解加工區域，實現對加工去除材料的燒蝕去除。同時激光的熱效應可對加工區域進行加熱，使加工區溫度升高，提升電解加工的效率。電解激光復合加工加工中激光束的高直線度可以對微孔進行拋光，減小甚至消除微孔的錐度。電解射流加工可以對激光燒蝕的熱影響區進行溶解去除，提高加工表面的質量，充分利用復合加工的優勢。

4? 電解電火花復合加工

電解電火花復合加工過程中工件位于同一加工工位，通過更換不同的形狀和材料的工具電極，依次完成對工件的電火花成型加工和電解加工。電解電火花復合加工時需先完成電火花加工，獲得零件的加工形狀和尺寸，隨后更換電解電源，繼續對加工工件表面進行電解拋光，拋光過程中高速旋轉電極的帶動周圍的電解液以及電解液中的微細磨粒旋轉，磨粒沖擊和劃擦工件表面的鈍化層，實現對工件表面的鏡面拋光，提高工件的尺寸精度和表面質量。圖4給出采用電解電火花復合加工后微孔的形狀和表面，可以看出微孔表面沒有毛刺，加工精度高，孔表面光潔度高，表面粗糙度為Ra 0.07 μm。

電解電火花復合加工通常使用電解加工獲得工件的形狀和尺寸，然后采用電解加工去除電解加工的損傷層，達到提高加工精度的目的。電解電火花復合加工綜合了電火花加工的高精度和電解加工的高質量，特別適用于金屬難加工材料的高精度高質量加工

5? 超聲輔助鉆削加工微孔

鉆削時傳統加工孔的主要方法，而對于微孔加工，鉆桿的直徑受小孔尺寸的限制，導致鉆頭的剛度較弱，鉆削過程中經常出現位置偏差和鉆頭斷裂，該現象對于難加工材料的微孔加工尤為明顯。通過在微孔鉆削的過程中復合超聲，給鉆削過程添加軸向周期性振動?？梢詫崿F鉆削過程工件和刀具的周期性切削分離，促進切屑的斷裂和排出，同時有助于冷卻液進入鉆頭切削刃，減少鉆削熱量和刀具磨損，提高刀具壽命。同時鉆頭的周期性振動也會對工件施加沖擊，促進材料的去除。按超聲振動形式的不同可以分為軸向振動、軸向扭轉振動鉆削以及軸向扭轉復合振動鉆削，如圖5所示。軸向振動是指振幅的方向與鉆頭軸線方向一致，這是最常見也是最簡單的一種振動形式;扭轉輔助鉆削是指振動方向與鉆頭旋轉方向一致，如此使鉆頭不斷的過切和欠切，達到振動輔助的目的;軸向扭轉復合振動鉆削同時進行軸向與扭轉振動輔助。

6? 結語

本文闡述了各復合加工的基本原理和優缺點。對比了各種微孔復合加工技術的特點和適用的范圍，對不同材料的微孔加工技術的選擇具有重大的借鑒意義。隨著新型特種材料的發展，如復合材料，對新型微孔復合加工技術的需求也會不變變化，新的復合加工技術必然會不斷涌現，根據加工材料選擇合適的復合加工方法，兼顧加工效率和加工質量，具有重要的理論和現實意義。

參考文獻：

[1]高百順.淺談高速電火花微孔加工工藝在高壓噴油器中的應用[J].探索科學，2019，6：77-78.

[2]鞏亞東，孟凡濤，孫瑤，于興晨.鎳基單晶高溫合金的微孔加工對比實驗研究[J].東北大學學報（自然科學版），2020， 41（1）：84-88.

[3]王丹，趙萬生.硬脆非金屬材料微結構微細加工關鍵技術研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[4]張園，康仁科，劉津廷，等.超聲振動輔助鉆削技術綜述[J].機械工程學報，2017，53（19）：33-44.