電火花深長孔加工新工藝實驗研究

姜國振 ， 劉 波 ， 范麗華 ， 孫 鳳 ， 徐程程

（1.沈陽工業(yè)大學化工裝備學院，遼寧 遼陽 111003；2.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

隨著制造技術的快速發(fā)展和制造業(yè)市場的激烈競爭，對加工技術的要求越來越高，但同時也為其提供了新的發(fā)展方向[1]。本文針對電火花加工原理應用范圍及特殊場所加工高效的特點，在保持其加工優(yōu)勢的前提下，基于單因素實驗，合理設置電磁驅動器實驗裝置與傳統機床參數，通過對比找出影響加工的因素，優(yōu)化電火花深長孔加工，以提高電火花加工效率與加工質量。

1 電火花機床加工原理

特種加工技術已經成為能否在國際競爭中取得成功的關鍵技術，電火花加工技術就是其中之一。電火花加工[2]（Electrical Discharge Machining, EDM）是在一定工作介質中，利用脈沖火花放電對被加工材料進行蝕除。與其他傳統的加工方法相比，在電火花加工中，工具電極與工件不接觸，即無宏觀切削力，而是直接依靠脈沖放電，瞬間產生高溫來熔化、汽化工件，從而完成一定形狀尺寸要求和表面要求的特種加工方法[3-4]。電火花加工機理示意圖如圖1所示，圖1（a）為放電脈沖形成放電通道圖，圖1（b）為表面產生熔化甚至汽化物質圖，圖1（c）為電蝕材料在放電通道內匯集圖，圖1（d）為極間熔化、汽化產物匯集形成蝕除產物圖。

圖1 電火花加工機理示意圖

總之，電火花加工的物理周期過程是非常短暫而復雜的，每個周期的放電過程包括電動力、電磁力、熱動力、流體動力及電化學的作用[5]，然后將工具電極的形狀反拷在工件上，完成加工過程。

2 電火花深長孔加工應用領域及加工方法

深孔加工技術廣泛應用于國防工業(yè)、航空航天、汽車等行業(yè)。例如，加工發(fā)動機上帶冠渦輪盤、葉片，空心透平葉片上打冷卻孔等，熔融沉積型3D打印技術中噴頭出絲結構微孔的制造[6]。深孔加工的大部分工藝依然采用傳統機械鉆孔加工的方法，比如早期的扁鉆、20世紀初期的槍鉆技術、后期經過改進加工方法的BTA法、DF法深孔加工[7]。接觸式的工件切除，尤其大深徑比的深孔加工刀具細長、剛性差、強度低，易引起刀具偏斜、排屑困難等問題。隨著新技術的發(fā)展，深長孔加工技術呈現多樣化，激光加工、電子束加工、電解加工和電火花加工等特種加工對于深長孔加工在某些領域具有獨特的優(yōu)勢[8]，尤其是電火花類設備在特殊材料深孔類加工中占據十分重要的地位。例如，精密小型腔、復雜型面、較大深寬比和長徑比的深窄槽和拐角、小孔等，采用電火花加工往往具有較好的效果。電火花孔類加工設備主要有高速電火花小孔機、電火花線切割機、電火花成型機等[9]。

1）高速電火花小孔機技術的出現極大地解決了機械行業(yè)的深小孔加工難題，尤其它的一些加工特點是目前其他加工方法無法替代的。細管電極旋轉穿孔速度很快，操作簡便，具有穿孔效率高、加工精度高、性能可靠等優(yōu)點，但也存在放電間隙狹窄、容易出現加工錐度和圓角、工具電極損耗嚴重等缺點。

2）電火花線切割機加工除具有電火花加工的基本特點外，不需要制造形狀復雜的工具電極就能加工出以直線為母線的任何二維曲面，且切割窄縫小。在加工過程中，該工藝并不會把全部多余材料加工成為廢屑，提高了能量和材料的利用率。但其缺點也很明顯，電極絲切割過程中容易突然斷絲，穿絲比較麻煩，進行孔類加工時需要預鉆孔進行穿絲，孔位置精度有些不理想。

3）電火花成型機主要用于對各類模具、精密零部件等各種導電體的復雜型腔、曲面形體進行加工，具有加工精度高、光潔度高、速度快等特點。實用性強，可以直接從斜面、曲面穿入，用于加工盲孔、深孔、斜孔及異型孔等，但電火花成型機需要制作相對應的成型電極，復雜、特殊電極的制作比較麻煩。

隨著技術的發(fā)展，行業(yè)企業(yè)在新設備與新方法方面不斷推陳出新。例如，蘇州電加工機床研究所的SE-WK018數控電火花微孔機，瑞士GF公司生產的DRILL 300五軸電火花鉆孔機床，并制定GF加工方案，對深長孔加工起到明顯改善作用[10]。基于此，本文設計了一款新的實驗裝置，研究了一種新的深長孔加工方法。

3 電火花深長孔加工新工藝及實驗研究

本研究為探索一種深長孔加工新工藝，在蘇州新火花型號為SPZ450的機床上安裝了自主設計的電磁驅動器，通過對傳統電火花加工機、PID控制磁力驅動器與該電火花加工機協同控制兩種加工方式的分析，優(yōu)化了加工參數，對比驗證了基于電磁驅動器的電火花在深長孔加工放電狀態(tài)、加工速度、工具損耗速度及加工精度方面的優(yōu)勢。

3.1 電火花深長孔加工實驗裝置及方案設計

本實驗主要加工實驗裝置如圖2所示。

圖2 加工實驗裝置圖

通過綜合考慮，采用正極性加工，使用直徑2mm的黃銅作為工具電極，在45號鋼加工孔深度為1 mm的小孔。電火花極間間隙電壓作為反饋信號，用Vk表示，Vk信號由外圍平均電壓檢測電路檢測和處理。參考電壓VL設置為1.5 V，對應于實際加工中電極與工件之間的間隙電壓為45 V。Vk作為控制器的反饋信號，反饋信號通過DSPACE1104輸入端進行模數轉換，對比反饋電壓Vk與VL，將極間電壓誤差e及其變化率ec作為控制器的輸入信號。控制器輸出的電壓信號Ur由DSPACE1104輸出端口進行模數轉換，進行一系列轉換后，最終電壓信號Ur經過功率放大器轉換成能夠控制驅動器的電流信號，這時通過閉環(huán)控制磁力驅動器能夠保證電極加工時始終保持在有效放電范圍。

為確保實驗的準確性，根據加工手冊及加工經驗，電火花加工機床參數在兩種加工情況下設置相同參數，如表1所示。加工過程中采用多次測量取平均值方法，分為兩組加工，每種加工方式都是加工深度為1 mm的孔，孔數為10個，并記錄每個孔的加工時間及每個孔的實際反饋電壓值。

表1 電火花機床加工參數

3.2 實驗及結果分析

為驗證基于電磁驅動器的電火花機床加工相對于傳統機床在加工孔上的優(yōu)勢，本實驗將從間隙反饋電壓、加工速度、電極損耗及加工精度方面進行驗證。

1）在用兩種方式進行電火花孔加工時，使用間隙電壓檢測電路對反饋電壓Vk進行檢測，實時監(jiān)測放電狀態(tài)，再通過數字信號處理器進行數據采集。放電狀態(tài)短路時，反饋電壓為0 V；放電狀態(tài)打開時，反饋電壓為3 V，放大30倍，實際極間電壓為90 V。傳統電火花加工反饋電壓圖如圖3所示，電磁驅動器與機床協同電火花加工反饋電壓圖如圖4所示。

圖3 傳統電火花加工反饋電壓圖

圖4 電磁驅動器與機床協同電火花加工反饋電壓圖

通過對比兩種加工方式下的反饋電壓值，可以發(fā)現基于磁力驅動器控制系統下的孔加工在1.5 V范圍內波動，響應頻繁，增加了放電次數，減少斷路和短路的情況，以保證加工的順利進行。而傳統電火花機加工反饋電壓波動范圍明顯，無效放電較多。

2）驗證電火花加工速度，針對兩種加工方式，分為兩組在相同條件下加工，為避免加工的偶然性、異常放電等的影響，每組加工10個孔，采用厚度為2 mm的金屬擊穿，統計加工的總時間，然后取平均值。兩種加工方式加工深度與時間變化的關系，如圖5所示。

圖5 兩種加工方式下加工深度與時間變化圖

通過分析可知，傳統電火花加工速度低于基于驅動器控制的加工速度，在孔深1 mm前，兩者加工速度差別不大，隨著深度增加，協同加工速度明顯高于傳統電火花加工速度。基于驅動器控制可改善極間放電狀態(tài)，保持相對穩(wěn)定的加工間隙，促進排屑，進而實現了穩(wěn)定高效的電火花加工過程。

3）電極損耗方面，加工前保證屬性相同的銅電極長度與質量相同，機床加工參數一樣。在兩種加工方式下，分別加工5個深度相同的孔，加工完成后通過測量裝置觀察電極形貌與剩余長度，傳統電火花加工電極損耗圖如圖6所示，電磁驅動器與機床協同電火花加工電極損耗圖如圖7所示。通過對比可知，圖6電極端面圓角、曲率變化高于圖7協同加工電極。由于協同加工能夠在Z軸微動，促進電蝕產物的排除，尤其在深孔加工時，金屬顆粒的及時排除可防止電極出現短路、拉弧等非正常放電現象，減少電極的損耗。

圖6 傳統電火花加工電極損耗圖

圖7 電磁驅動器與機床協同電火花加工電極損耗圖

4）電火花加工的表面質量問題主要表現為加工后表面粗糙度高、裂紋等現象，這些現象會直接影響零件的機械性能與使用年限。電火花孔加工形貌實際圖如圖8所示，圖8左側為傳統電火花加工，右側為PID控制磁力驅動器與傳統電火花加工機床協同控制加工。通過掃描電鏡觀察其形貌，協同控制加工工件的表面質量得到了有效改善。

圖8 電火花孔加工形貌實際圖

總之，通過實驗并分析實驗結果可知，使用電磁驅動器控制的電火花加工，不僅提高了加工效率，也改善了加工質量，本研究探索了一條深長孔加工的新工藝、新方法。

4 結語

1）相比傳統的電火花加工，基于磁力驅動器的電火花特種加工，在深長孔加工中能夠改善加工過程中的放電狀態(tài)。

2）通過單因素實驗，研究加工原理，找出了影響加工速度、工具損耗速度及加工精度的因素。

3）基于磁力驅動器與傳統電火花加工機床協同控制的深長孔電火花加工不僅提高了效率，也改善了加工工件的表面質量。為進一步促進機械制造業(yè)中深長孔加工的發(fā)展，研究了一種新的加工工藝，使特種加工可以在機械制造業(yè)中發(fā)揮出更大的價值與作用。

4）研究深長孔加工的影響因素，建立精確的電火花加工過程模型，開發(fā)基于電磁驅動器的電火花加工深長孔生產設備是未來的主要方向。