深微孔電火花加工非電參數工藝規律研究

劉 巍,鄒尚博,王一明,張玲王宣,賈振元

(大連理工大學機械工程學院,遼寧大連116024)

隨著工業生產的發展和科學技術的進步,航天、醫療、電子等尖端行業對直徑在0.01～0.5 mm范圍內、且深徑比大于10的深微孔的需求日趨廣泛,而這類深微孔的高效、高質量、低成本制造成為目前亟待解決的問題。電火花加工因具有非接觸式加工特性[1],是深微孔加工的主要方法。深微孔電火花加工與常規電火花加工相比,具有放電能量微小、放電狀態不穩定和排屑困難等特點,在加工過程中表現出一些特殊的工藝規律,研究和發現這些規律對豐富電火花加工理論和指導深微孔電火花加工生產實踐具有非常重要的意義。

近年來,在深微孔電火花加工電參數工藝規律的研究和優化方面已開展了深入的研究[2-3],然而工作液和電極材料等非電參數的合理選擇對加工過程也具有重要的作用。深微孔電火花加工中的工作液除了冷卻、排屑等功能外,還作為放電介質直接參與加工,其本身特性對加工工藝指標的影響很大;而電極材料的性能直接影響電火花加工的性能,如:材料去除率、工具損耗率、工件表面質量等,因此,電極材料的合理選擇也尤其重要。

王在成等[4]在去離子水中進行了N型硅的加工試驗,與煤油工作液相比后發現,去離子水的加工效率較高,表面粗糙度基本相當,且放電加工過程穩定。Yan等[5]在水中添加尿素以改進鈦工件的表面質量,取得了較好的效果。Singh等[6]采用Cu、Cu-W合金、黃銅和Al電極加工一種淬硬工具鋼,結果表明Cu和Al電極的加工速度和加工精度較高、Cu和Cu-W電極的損耗率最小。Tsai等[7]研究了微細電火花加工電極的耐損耗性,結果表明沸點、熔點和熱導率較高的電極材料損耗較小。

上述研究成果都是針對常規電火花加工的,而目前對于深微孔電火花加工非電參數工藝規律的揭示尚缺少足夠的研究,因而其非電工藝參數的選擇尚不明確。為此,本文針對工作液和電極材料兩種非電參數開展了大量工藝試驗,在深微孔電火花加工中合理選擇工作液及電極材料等方面做出了有益的探索,其研究成果為深微孔電火花加工高效率、高質量的開展提供了重要的借鑒。

1 工作液的選擇

工作液(也稱“介電液”)在電火花加工過程中是不可缺少的,它在加工中具有介電作用、放電作用、流體動力作用及冷卻作用。除此之外,在生產實踐中還希望所選的工作液有助于獲得較高的加工效率。目前,在深微孔電火花加工中常用的工作液有煤油和去離子水。本節研究了加工不同材料工件時,工作液對加工效率的影響規律。

1.1 加工45鋼材料

45鋼是生產實踐中應用較廣泛的材料之一,為研究加工此種材料的工件時工作液對加工效率的影響,設置的試驗參數見表1。試驗使用的去離子水工作液的絕緣強度為16 MΩ·cm,電極選擇了在深微孔電火花加工中常用的鎢絲、鉬絲和黃銅絲電極,其直徑都為0.1 mm,工件為1 mm厚的45鋼板。共進行7組不同電參數的試驗,各組試驗所用的加工時間見表1。

表1 兩種工作液加工45鋼所需時間

由表1的加工時間可發現:鎢、鉬和黃銅3種電極材料加工45鋼工件時,去離子水工作液的效率明顯高于煤油工作液。

1.2 加工紫銅材料

由于銅是電和熱的優良導體且具有較強的耐腐蝕性,所以它在機械和電子行業被廣泛地應用,尤其紫銅已成為電路板的首選材料,多層電路板上的深微孔也成為加工的難點。為研究加工紫銅材料工件時工作液對加工效率的影響,設置的試驗參數見表2。電極選用了在深微孔電火花加工中常用的鎢絲和鉬絲電極,其直徑都為0.1 mm,工件為0.5 mm厚的紫銅板。共進行7組不同電參數的試驗,各組試驗所用的加工時間見表2。

由表2可見,鎢、鉬2種材料的電極加工紫銅材料工件時,去離子水工作液的加工效率比煤油工作液稍高,盡管在電流較小時2種工作液的加工時間相差不多,但當電流較大時,選擇去離子水工作液更能提高紫銅工件的加工效率。

表2 兩種工作液加工紫銅所需時間

1.3 加工鋁合金材料

鋁及鋁合金由于重量輕、塑性好、不易腐蝕等優點,被廣泛應用于航空航天、汽車、電子等領域。此種材料的工件應用去離子水工作液進行放電加工時,工作液極易被電解產生氧氣,在高溫放電通道里,金屬鋁極易與氧氣反應生成氧化鋁粉末鍍在電極表面。由于氧化鋁為離子晶體,固體狀態下離子固定在晶格里不能自由移動,不良導電會阻止電極與工件之間的正常放電。尤其在深微孔電火花加工時,由于放電面積小,電極表面極易被鍍層覆蓋導致形成絕緣層,使加工不能正常進行。因此,在鋁合金材料的深微孔電火花加工過程中,煤油工作液是最佳選擇。

2 電極材料的選擇

在深微孔電火花加工中,電極絲直徑需比加工孔的直徑小一些,且深微孔放電加工時的放電狀態復雜、排屑困難,所以加工效率較低。電極材料的選擇是影響加工效率的主要因素之一,本節研究了加工不同材料工件時,電極材料對加工效率的影響規律。

2.1 去離子水工作液中加工45鋼

由前文研究可知,加工45鋼時應采用去離子水工作液,故研究在去離子水工作液中加工45鋼材料時,電極材料對加工效率的影響,試驗參數設置見表3。電極選用了在深微孔電火花加工中常用的鎢絲、鉬絲和黃銅絲電極,其直徑都為0.1 mm,工件為1 mm厚的45鋼板。共進行7組不同電參數的試驗,各組試驗所用的加工時間見表3,結果對比見圖1。可見,加工45鋼時,鎢絲電極所用的時間較短,所以鎢絲電極是加工45鋼的最佳電極材料。

2.2 去離子水工作液中加工紫銅

由前文研究可知,加工紫銅時應采用去離子水工作液,故研究在去離子水工作液中加工紫銅材料時,電極材料對加工效率的影響,試驗參數設置見表4。電極選用了在深微孔電火花加工中常用的鎢絲和鉬絲電極,其直徑都為0.1 mm,工件為0.5 mm厚的紫銅板。共進行7組不同電參數的試驗,各組試驗所用的加工時間見表4,結果對比見圖2。可見,加工紫銅時,鎢絲和鉬絲電極所用的時間相差不大,故鎢絲和鉬絲均可作為合適的電極材料。

表3 不同電極材料加工45鋼的時間對比

圖1 不同電極材料加工45鋼的時間對比

表4 鎢、鉬電極加工紫銅的時間對比

圖2 鎢、鉬電極加工紫銅的時間對比

2.3 煤油工作液中加工鋁合金

由前文研究可知,加工鋁合金材料時應采用煤油工作液,故研究在煤油工作液中加工鋁合金材料時,電極材料對加工效率的影響,試驗參數設置見表5。電極選用了在深微孔電火花加工中常用的鎢絲、鉬絲和黃銅絲電極,其直徑都為0.1 mm,工件為2 mm厚的鋁合金板。共進行7組不同電參數的試驗,各組試驗所用的加工時間見表5,結果對比見圖3。可見,加工鋁合金時,黃銅絲電極所用的時間最短,所以黃銅絲電極是加工鋁合金的最佳電極材料。

表5 不用電極材料加工鋁合金的時間對比

圖3 煤油工作液中不同電極材料加工鋁合金的效率

3 結論

研究了深微孔電火花加工工作液和電極材料兩種非電參數對加工效率的影響規律,試驗結果表明:最適宜的工作液在加工45鋼和紫銅材料工件時為去離子水,加工鋁合金材料工件時為煤油;最佳電極材料在加工45鋼材料工件時為鎢,加工紫銅材料工件時為鎢和鉬,加工鋁合金材料工件時為黃銅。研究工作及成果為深微孔電火花加工高效率、高質量的開展提供了重要的借鑒,為完善電火花加工理論做出了有益的探索。

[1] 趙萬生.先進電火花加工技術[M].北京:國防工業出版社,2003.

[2] Zhang Lingxuan,Jia Zhenyuan,Wang Fuji,et al.A hybrid model using supporting vector machine and multi-objective genetic algorithm for processing parameters optimization in micro-EDM[J].Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,51:575-586.

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