微細電火花深溝槽螺旋電極鈦合金微孔加工

許金凱，馬光勝，于朋，崔廣續

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

隨著科學技術的發展，微型產品逐漸在工業生產中有著越來越廣泛的應用前景［1］，由于鈦合金的硬度高，微加工工藝性能差。而電火花加工只與材料的熱學性能相關，不受其硬度等力學性能的影響，是微孔加工的主要手段［2］。由于微孔精密加工脈沖能量小，使電極與工件之間產生的放電間隙較小，排屑困難［3］。過多的電蝕產物會增加二次放電概率，降低加工精度。在微細電火花加工工程中，工具電極和工件之間發生一系列的放電使材料在極高的溫度熔化甚至汽化［4］，電極也不可避免的被磨損，降低加工精度［5］。加工中的電極損耗，是生產加工誤差的主要原因之一。

在鈦合金微孔加工中，當微孔深度較大時，傳統的柱電極加工方法已很難達到穩定的加工狀態。為提高排屑能力一般采用電極搖動加大搖動半徑［6］或者采用異性電極形狀來改善排屑問題。當加工深度較小時，電極隨主軸轉動和切削液的沖洗，電蝕產物隨切削液循環可自行排出。雖然主軸旋轉時電極可以使電極端面腐蝕更穩定［7］，且能帶動切削液更好的流動。當加工深度較大時，加之微孔精密加工側向間隙較小，電蝕產物自行排出已較為困難，由于排屑不暢，加工狀態趨于不穩定，電極也因深孔內紊亂的放電狀態造成電極損耗嚴重，加工效率急劇下降，甚者使加工無法繼續進行下去，單純依靠電極本身的放電爆炸力及放電產生的氣泡使切削液循環排出電蝕產物已經無法產生明顯效果。為改善以上加工問題采用深溝槽電極進行微孔加工實驗。

1 實驗方案

試驗采用樣件材料為α+β鈦合金Ti6Al4V，用于盲孔加工試驗。電介質采用電火花加工用油。實驗電極材料選用剛度較好的硬質合金電極。

實驗設計制造出深溝槽電極并進行鈦合金微孔加工試驗，在圓柱電極的基礎上用微細電火花加工方法在圓柱電極側面沿圓柱電極直徑方向銑削微槽從而制造出深溝槽電極，由于被加工的溝槽電極（φ210 μm）和加工所用電極（φ100 μm）尺寸較小、剛度較差使加工困難，本實驗創新采用的雙導向塊電極加工方法可以很好地解決微細電極加工問題，可使電極加工精度大大提高。其溝槽電極加工制造方法如圖1所示。

圖1 溝槽電極制造加工方法

基體圓柱電極選用直徑為Φ0.21 mm的硬質合金電極，加工微槽的工具電極選用直徑為Φ0.1 mm的電極。并在此基礎上設計并加工制造出不同深度溝槽的電極。比起傳統的線電極磨削加工（WEDG）方案［8］，此方法可以加工出凹槽狀電極，其所加工電極截面如圖2所示。

圖2 深溝槽電極截面圖

圖中為不同溝槽深度的電極，其溝槽的深度依次為直徑尺寸的30%、40%、50%、60%，其深溝槽電極截面圖形類似于彎月形狀，相比于傳統的削邊電極有較為明顯的優勢，在相同的削邊寬度下，深溝槽電極可達到更深的溝槽深度，當深溝槽電極溝槽深度為直徑的60%時削邊量僅為相同條件下削邊電極削邊量的10%左右。減少了對電極外徑周邊材料的損耗程度，使電極材料的分布更趨向于電極外徑部分，降低了在微孔加工中電極徑向損耗程度。同時在加工方面，溝槽的弧狀形狀增加了電極的剛度，雙側對稱弧線也抵消和減少了電極在加工時產生的熱量和殘余應力對電極造成的彎曲程度。

2 實驗結果

2.1 深溝槽電極對鈦合金微孔加工的影響

深溝槽電極對鈦合金微孔加工電極損耗的影響。實驗采用不同的溝槽深度的電極進行鈦合金盲孔加工實驗，實驗分別在不同的加工深度下進行，實驗結果如圖3所示。由實驗結果可知當微孔加工深度較小時，電極損耗量的大小隨溝槽深度的增加而增加。隨著微孔加工深度的增加，溝槽深度較淺電極（直徑的30%～40%）的電極損耗量逐漸增加，溝槽深度較深電極（直徑的50%～60%）的電極損耗量相對逐漸低。當電極溝槽深度過大時（直徑的60%）電極損耗反而較大。

圖3 電極溝槽深度對電極長度損耗的影響

當微孔加工深度較低時，排屑還相對較為容易，溝槽深度大時會造成電極材料的減少是造成電極損耗量偏大的主要原因，隨著微孔加工深度的增加，溝槽深度較大的電極能更好的提供排屑的空間，改善放電狀態降低了電極損耗量，當溝槽深度過大時（直徑的60%）也會使電極截面的放電面積減小，放電區域相對較為集中，放電產生的氣體更為密集，甚至充滿放電區域，增加了電弧放電及短路的發生都會造成電極損耗量的增大。

圖4 電極溝槽深度對加工時間的影響

深溝槽電極對鈦合金微孔加工時間的影響。實驗分別在不同的加工深度下進行，實驗結果如圖4所示。與圓柱電極相比，深溝槽電極在微孔加工的時間明顯降低。不同溝槽深度的電極之間，隨著溝槽深度的增加（直徑的30%到60%），加工所用時間總體趨勢降低，且當溝槽深度超過直徑的50%時，加工所用時間的變化趨于穩定。

在電參數等條件確定的情況下，排屑狀況是影響加工速度的主要原因，隨著電極溝槽深度的增加使電極與微孔之間的空間逐漸增大，這為電蝕產物的排出提供了空間，同時隨著溝槽深度的增加，在電極隨主軸的轉動下又加強了切削液的流動。但這種效果存在一個最高值，實驗發現當電極溝槽的深度超過50%時，加工時間便不再降低。

圖5 電極不同溝槽深度下微孔加工形貌側剖視圖

深溝槽電極對鈦合金微孔加工形貌的影響。實驗采用不同的溝槽深度的電極（溝槽深度依次為直徑的30%、40%、50%、60%）進行鈦合金盲孔加工試驗，實驗中的加工進給深度為4.0 mm，實驗結果如圖5所示。測得微孔的錐度依次為1.3°、1.6°、1.9°、3.1°。從實驗結果可知隨著電極溝槽深度的增加，微孔的錐度逐漸增加、孔徑上下一致程度逐漸降低。當電極溝槽深度較大時（直徑的60%），所加工的微孔底部直徑開始逐漸變小，孔徑上下一致程度較差、錐度明顯。

從實驗結果可知電極過大的溝槽深度不利于微孔形貌的加工，過大的溝槽深度會造成電極材料缺失嚴重使電極徑向損耗偏大，尤其在電極底端的徑向損耗積累嚴重，造成加工的微孔直徑上下一致程度差。當電極的溝槽深度較小時所加工的微孔形貌較好。與削邊電極相比，電極溝槽的設計一定程度上減小了電極在最外側部分的材料缺失，從而降低電極的徑向損耗程度。

2.2 螺旋溝槽電極對鈦合金微孔加工的影響

在以上實驗中得出深溝槽電極在深微孔加工中有著明顯的改善效果，深溝槽電極的溝槽深度對加工有著明顯的影響，隨著溝槽深度的增加在加工時間和電極損耗方面都得到了逐漸的改善。但隨著溝槽深度的增加，微孔會出現一定的錐度。在電極加工方面，深溝槽電極雖能一定程度上改善電極加工剛度問題，但不能完全避免熱加工產生的變形問題，過快的電極加工速度還會使電極加工中產生的熱量集中和殘余應力引起電極的變形彎曲，限制了電極的加工速度和加工精度。

在以上研究的基礎上實驗嘗試用螺旋溝槽電極進行鈦合金微孔加工。以溝槽電極溝槽形狀為基礎設計出沿電極軸線的螺旋狀溝槽電極，在圓柱電極的基礎上用微細電火花加工方法在圓柱電極側面銑削出沿軸線的螺旋狀溝槽從而制造出螺旋溝槽電極，基體圓柱電極選用直徑為Φ0.21 mm的硬質合金電極，加工微槽的工具電極選用直徑為Φ0.1 mm的電極。并在此基礎上設計并加工制造出不同深度螺旋溝槽的電極，其螺旋溝槽電極形貌如圖6所示。

圖6 圓柱電極與單旋深溝槽螺旋電極形貌

在溝槽螺旋電極的加工過程中發現，電極上溝槽的環形加工過程可以有效的減少加工過程中產生的熱量對電極造成的彎曲，電極溝槽的環形加工方法甚至可以完全抵消加工過程中對電極造成的彎曲變形，即使采用較高的加工速度也不會造成電極的彎曲，大大提高了電極的可加工速度。溝槽的螺旋形狀還可以使電極在隨主軸轉動的情況下對切削液產生軸向推動效果，更利于切削液的循環。

圖7 電極螺旋溝槽深度對電極長度損耗的影響

螺旋溝槽電極對鈦合金微孔加工電極損耗的影響。實驗采用不同的螺旋溝槽深度（螺旋溝槽深度為直徑值的30%～60%）的電極進行鈦合金盲孔加工實驗，實驗結果如圖7所示。由實驗結果可知電極長度的損耗量會呈現隨螺旋溝槽深度的先減小后增加的規律。當微孔加工深度為1.5 mm左右時，螺旋溝槽深度在直徑的40%時，電極的損耗量為最小。隨著微孔加工深度的增加，電極最小損耗量峰值會呈現逐漸向螺旋溝槽更深的方向移動的趨勢，當加工深度達到3.0 mm左右時，電極損耗量的最小峰值移至螺旋槽深度為直徑為50%的電極處。

從實驗結果中不難發現螺旋溝槽電極的低電極損耗存在一個最小溝槽深度，當溝槽電極的溝槽深度小于直徑的40%處時，電極損耗量能急劇降低。從而可以反映出當螺旋溝槽深度小于直徑的40%的區間內，隨著螺旋溝槽深度的增加，螺旋溝槽電極的排屑效果提升較為明顯。當螺旋溝槽深度逐漸增加時會造成電極材料的較少，同時也會使電極端面放電面積減小，使放電區域更為集中，放電產生的氣體更為密集，甚至充滿放電區域，增加了電弧放電及短路的發生都會造成電極損耗量的增大。螺旋溝槽的大小影響排屑能力與電極放電的面積效應之間形成了動態平衡效果。當微孔加工深度較小排屑相對容易時，電極最低損耗的峰值偏向較淺的螺旋溝槽處，隨著微孔加工深度的增加排屑相對困難時，深的螺旋溝槽有利于排屑能力的提升，使得電極最低損耗的峰值偏向較深的螺旋溝槽處。

圖8 電極螺旋溝槽深度對加工時間的影響

螺旋溝槽電極對鈦合金微孔加工時間的影響。實驗結果如圖8所示。與圓柱電極相比，深溝槽電極在微孔加工的時間明顯降低。不同螺旋溝槽深度的電極之間，隨著螺旋溝槽深度的增加（直徑的30%到60%），加工所用時間總體趨勢增加。實驗結果表明螺旋溝槽深度的增加并不會降低加工時間。

圖9 不同螺旋溝槽深度電極加工微孔形貌側剖視圖

螺旋溝槽電極對鈦合金微孔加工形貌的影響。實驗中的加工進給深度為4.0 mm，實驗結果如圖9所示。相比于深溝槽電極，螺旋溝槽電極所加工的微孔的形貌總體較好。所加工的微孔孔徑一致性程度更高。微孔的錐度更小，尤其是當電極螺旋溝槽深度較大時（直徑的60%），孔徑依然保持較好的上下一致程度，而深溝槽電極的錐度此時已經很大。

從實驗結果可知螺旋溝槽電極設計方案在微孔的加工相貌方面有較為明顯的提升，可以明顯的改進微孔加工的精度與微孔質量。單純的采用深溝槽電極時，過大的溝槽深度不利于微孔形貌的加工，過大的溝槽深度會造成電極材料缺失嚴重使電極徑向損耗偏大，而采用螺旋溝槽的設計時可避免這種問題的產生。在主軸的旋轉作用下螺旋溝槽電極能較好的排出電蝕過程中產生的碎屑，并能有效的改善電極的徑向損耗，從而使微孔加工的孔徑上下一致性較好，同時降低了微孔的加工錐度。與深溝槽電極相比，在微孔加工形貌上有較好的改善，電極螺旋溝槽的設計更好的減小了電極在最外側部分的材料缺失，從而有效的降低電極的徑向損耗程度。

3 結論

通過采用單旋深溝槽螺旋電極的設計與制造，并對鈦合金進行大量微孔加工實驗，得出主要結論如下：

（1）單旋深溝槽螺旋電極的設計方案，能有效的改善鈦合金微孔精密加工中深微孔排屑問題。

（2）單旋深溝槽螺旋電極的可提高微孔加工深度、縮短加工時間縮短、降低電極損耗、降低微孔加工錐度。

（3）對于不同溝槽深度的單旋電極，當溝槽深度為直徑的50%時電極損耗最小，溝槽深度為直徑的60%時微孔加工形貌最優。