鎢鉬類高熔點金屬材料超大深徑比超深小孔的加工（下）

北京易通電加工技術研究所 （102629） 馬名峻

5. 液體成膜電火花小孔機專用工作液拓展應用的效果

在超深小孔加工以外的大量拓展應用試驗中發現，這種工作液有如下特點：

（1）這種液體成膜的工作液，由于對電極管的側面保護作用明顯，電極管端部呈平頭低損耗，不形成電極管錐形損耗（見圖5）。在對用于航空發動機葉片及火焰筒冷卻氣膜孔加工試驗時，發現電極透穿量不超過1/2管徑即達孔徑要求，因此不會損傷零件狹窄內腔結構（見圖6a、圖7），不用經常修切電極。在沈陽黎明航空發動機集團公司所進行的相關生產試驗證明，加工試驗電極確實呈平頭低損耗，平均電極長度損耗低于使用純水加工的50%。

圖5 電極形成尖頭損耗（純水加工）

圖6 火焰筒氣膜孔

圖7 渦輪葉片氣膜孔

對于一般使用電火花穿孔加工產生的孔壁變質層（重熔層、再鑄層）來說，使用這種液體成膜的工作液，由于孔壁鈍化膜的絕緣作用，基本消除了電極管與孔壁之間的二次放電現象，同時具有細化放電產物顆粒的作用，可以有效減小變質層的厚度。在沈陽黎明航空發動機集團公司所進行的相關生產試驗，對比測試表明：采用純水加工的高溫合金小孔孔壁變質層顯微裂紋平均厚度在0.02～0.03mm，而在相同工作條件下，采用易通液體成膜工作液加工的高溫合金（GH4169）φ0.45mm小孔孔壁再鑄層測試結果顯示，其厚度平均值為0.003mm。具體測試如下：

使用的設備是蘇州電加工機床研究所生產的多軸數控電火花高速小孔機SEGK020；電參數設置為脈寬12μs、脈間24μs、電流7A及電容0.25μF。測試結果：再鑄層厚度最大0.006mm，平均最大0.003mm，表面不規則度0.005mm，未見晶間腐蝕、局部腐蝕、起弧、裂隙、脫離、斷續小珠、砂眼及熱影響區等。

（2）電火花高速小孔機一般使用純水或自來水做工作液，電極長度損耗為100%～150%；而使用這種工作液，加工不同材料深小孔，電極管長度損耗僅為10%～50%，加工純鎢材料超深細針孔時，電極管長度損耗僅為5%。在沈陽黎明航空發動機集團公司所進行的相關生產試驗，對比測試表明：采用純水加工的高溫合金小孔單孔時間，比在相同工作條件下，采用液體成膜工作液加工的高溫合金小孔單孔加工時間長約一倍。

（3）使用這種液體成膜的工作液，產生的孔壁鈍化膜確保電極管端面集中放電、電流密度高，在電火花高速小孔機上對比使用相同電參數。實例表明，由于孔壁絕緣導致的加工穩定性提高和電極損耗大幅降低，而使群孔密集孔的加工效率提高、電極損耗明顯降低。采用三軸數控電火花小孔機的群孔加工實踐表明，原機加工某型模具小孔矩陣，10 000孔/件，GrWMn淬火鋼厚度6mm，平均效率為400孔/h，25～26h/件，使用電極數量為：使用自來水做工作液時，每支電極加工32孔，平均需要313支電極管；使用液體成膜工作液時，每支電極加工66孔，平均需要152支電極管。兩相比較每件工件凈節約106元。這些不包括減少更換電極數量節省的工時數、因加工效率提高、工時費用降低所節約的成本及由于小孔入口質量提高而減少的鉗工修光工時等費用。據初步測算，采用這種工作液可以至少提高30%～60%的綜合能效。

（4）使用這種液體成膜的工作液可以一次性加工成形小圓角平底孔，可以不再使用電火花成形機床對常見錐孔進行修整，提高了加工效率。且加工一般小孔入口處呈小圓角，不會產生常見的翻邊毛刺。

（5）工作液可以循環過濾后重復使用，不降低使用效能，使用期長達1 500h。所以，只需一次性沖兌用水和少量熱蒸發的補充用水，對比一般小孔機一次性排放使用，可節約大量用水，且利于環保和放電產物回收利用。但對于加工消耗工作液極少的φ1mm以下深小孔（日消耗2～4L），不建議循環使用工作液。

（6）工作液的基本構成無磷無氮，pH值呈弱堿性，所以在正常倉儲使用條件下，不會使工作液發生富營養化、腐敗變質。

（7）工作液的所有組分構成無毒副作用，生物降解性好，是目前其他非環保型工作液的更新換代產品。

（8）液體成膜工作液由于成膜迅速、起效快，在加工初期即可構成覆膜保護，無需事先對電極管做任何預處理工作。

6. 液體成膜電火花小孔機專用工作液使用過程中一些現象的探討

（1）電極平頭低損耗。這種液體成膜的工作液，由于對電極管的側面保護作用明顯，電極管端部呈平頭低損耗，不形成電極管錐形損耗及不對稱損耗。用于航空發動機葉片及火焰筒冷卻氣膜孔加工時，電極穿透不超過1/2管徑即達孔徑要求，因此不損傷零件狹窄內腔結構，不用經常修切電極?？梢哉f電極管端面平頭低損耗是該工作液的最大特點。其形成的原因除了電化學的鈍化極化原理外，其穿孔加工的特點也與液態成膜的特點相匹配，即主要成膜的孔壁方向沒有側向加工，有利于建立、保持及養護孔壁鈍化膜；而電極端面面對的小面積鈍化膜，正是其進給伺服、旋轉摩擦和放電腐蝕的方向，有利于小面積鈍化膜的去除，形成類似于我國快走絲線切割原理解釋中，所謂的“疏松接觸”放電的情況。

（2）加工超深小孔的優勢。對于超深小孔來說，孔壁絕緣膜在某種程度上構成了深孔內部導向器，有利于保證深小孔的直線度，同時抑制了超長柔性電極管的徑向振動造成的側壁放電，孔壁成形質量好，深孔直線精度高。實際使用效果表明，同以往普通水加工深小孔對比，使用這種液體成膜工作液的明顯特點是，在一定電參數和加工深度情況下，加工深度越深越穩定。

（3）電導率高。這種工作液屬于弱堿性多元聚合物構成的電解質水溶液，電導率高，有別于通常的純水型絕緣工作液的工作原理，通常不需要使用陰陽離子樹脂交換裝置的純水設備。這種離子導電型工作液的電導率為3 500～4 000μs/cm，相比于高純水＜0.01μs/cm、飲用純凈水5～30μs/cm及自來水500～1 000μs/cm的電導率來說，與某型快走絲線切割水基工作液的2 540～3 500μs/cm電導率相近，可以說這種工作液就是良好的“導體”了。如果沒有鈍化膜的存在，對于一般放電加工來說，間隙能量都會降落在電極的“四面八方”上，無法集中于加工方向。但正是這種高電導率的液體環境才是建立鈍化極化的基本條件，即液體成膜的基本條件。

（4）孔壁變質層的變化。對于一般使用電火花穿孔加工產生的孔壁變質層（重熔層、再鑄層）來說，使用這種液體成膜的工作液，由于孔壁鈍化膜的絕緣作用，基本消除了電極管與孔壁之間的二次放電現象，同時具有細化放電產物顆粒的作用，可以有效減小變質層的厚度。

（5）電極低損耗原因的初步分析。電火花高速小孔機一般使用純水或自來水做工作液時，電極長度損耗為100%～150%，而使用這種工作液，加工不同材料深小孔，電極管長度損耗僅為10%～50%，尤其是對于鎢鉬類高熔點金屬材料，電極長度損耗可低于10%。

分析電極損耗降低的原因有三點：一是由于電極側面絕緣層的建立，加工區集中于電極管的端面，潔凈工作液迅速經過加工區，帶走放電產物，因此放電產物排屑順暢，不再經過加工區，無二次放電的條件，因此降低了電極端面損耗；第二點亦是由于電極側面絕緣層的建立，加工區集中于電極管的端面，電極管側面沒有二次放電爆炸，這對工作液的流瀉通道具有強大的擾流阻尼作用，同時電極側面放電形成的側壁放電坑穴對回流液流具有紊流阻力，利于排屑，降低了電極損耗；第三點是弱堿性的電解液在加工純鎢、純鉬材料時，會產生大量細小氣泡，亦增加了間隙的等效電阻，阻礙了側面放電的幾率，保證了電極端面放電的持續進行。

試驗中還觀察到這樣一個現象，試驗加工φ1.1mm×28mm×160mm的陣列孔時，發現當電極穿透工件時，一個普通釘子形狀的細芯就會從電極管前端隨著工作液沖出來，有時出來一部分，有時整根芯子就會掉出來。在顯微鏡下觀察發現，這是一根與工件厚度相同的細芯（見圖8a），全然沒有長度損傷。在電極端部的細芯部分還有一個釘子帽狀的部分（見圖8c），這是電極管穿透工件的瞬間形成的，反映了電極管端部內壁的圓弧倒角情況。這個實例說明了陽極保護膜“一路保護”這根細芯的全過程，也說明了保護膜對于電極的保護作用。圖8b所示為細芯另一端頭的放大照片。

（6）加工過程可能產生的電解產物問題。這種液體成膜工作液的主要作用只是承擔陽極孔壁液體成膜的任務，并不承擔孔端面電加工的功能。為此，藉以利用的鈍化膜在消除絕大部分電化學蝕除上起了根本的作用，從配方設計上也盡力消除電解質在加工過程中的電化學蝕除，選用低濃度弱堿性有機環保型電解質，以此減少電解產物的生成，達到控制不同加工材料所產生的不可預知的電解產物問題。

圖 8

但不可否認，在極間存在電場的作用下，浸泡在弱堿性低濃度電解質水溶液的電極端面形成電流通道的情況下，在電極端面的狹小區域也存在少量的電化學蝕除過程，也必然存在微量的電解產物。在加工碳鋼試驗件過程中，20L工作液循環使用24h的工作液，發現少量油狀物漂浮在工作液表面，分析表明這是加工后產生的少量電解產物，其成分性質不僅取決于低濃度弱堿性有機環保型電解液自身，同時也取決于加工對象的材料性質。

（7）鈍化層的厚度分布。按經驗分析，鈍化層厚度分布是隨著加工時間的增加，鈍化層逐漸加厚，即鈍化層厚度是加工時間的函數，電極入口經歷的加工時間最長、鈍化層最厚，而出口經歷的加工時間最短、鈍化層最薄。觀察電極管側面放電痕跡可以看出，加工貫穿的電極上存在一定數量級的隨機放電痕，這些放電痕與鈍化層的分布很有關系，在出口附近鈍化層越薄、放電痕越密集；而臨近入口，幾乎就沒有放電痕的蹤跡，這里恰恰是鈍化膜最厚的地方。

7. 結語

實現鎢鉬類高熔點金屬材料電火花超深小孔加工工藝的關鍵，是研發了一種鈍化作用強的低濃度電解質環保水溶液，最終解決了鎢鉬類高熔點金屬材料電火花超深小孔加工的工藝問題。加工過程的“液體成膜、端部集中放電”和電極“平頭低損耗”是其顯著特點。 （全文完）