电火花加工对滑阀微细孔精度的影响分析

胡守琦 蒋立坤 孙晓飞 姜珊 张慧

摘要：微细电火花加工技术在难度较大的材料微细孔加工期间应用较为广泛，在工业实践中对于微细深孔的加工精度具有较高要求。而文章中主要对画法微细孔电火花加工方面，精度的影响因素进行了分析。

关键词：电火花加工;滑阀;微细孔;精度

中图分类号：TG661                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0095-03

0  引言

电火花加工属于直接应用电能与热能加工的全新工艺，此项加工技术是特种加工范畴中关键性技术。具体为在符合要求的介质中，经由工具电极与工件电极间的脉冲放电电蚀作用，完成工件加工任务的方法。电火花加工基于理论层面能够加工所有导电材料，同时与材料强度及硬度存在相关关系，为此，在机械制造业中被广泛应用。工业生产期间大深径比孔的加工需求，促进了大深径比孔加工技术的发展。有关学者经由在工具电极上涂覆绝缘层控制无效放电，极大的提升了加工期间的稳定性，可加工出直径200μm，深径比为120的微细孔。文章中以材料作为方向，对滑阀微细孔精度的影响进行了分析。

1  电火花加工原理

电火花加工方面的电蚀现象最初于19世纪末出现，例如插头与开关启闭时所产生的电火花与接触表面可造成损害。而我国则在20世纪50年代展开了电火花设备的研究，同时在60年代研发出首台依附于模仿形电火花线切割机床。电火花加工具体所指向的是，应用浸在工作液中的两极间脉冲放电时所产生的电蚀作用，蚀除导电材料的特种加工手段。电火花加工得以实现需要建立在以下几点条件之上：

第一，工具电极与工件电极间要求存在着适当的距离，能够满足脉冲电压不断击穿介质，从而产生出火花放电，另一个方面还能够充分适应在火花通道熄灭之后介质消电离，并排出蚀除产物要求[1]。如果两极之间所存在的距离过长，脉冲电压便无法顺利击穿介质，同时也无法产生出火花放电。如果此距离过小，两极之间不会出现脉冲能量的消耗，无法完成加工操作。

第二，在两极之间要求充入介质在做材料电火花尺寸加工期间，两极之间属于液体介质，材料电火花表层强化中，之间为气体介[2]。

第三，输送到两极之间的脉冲能量密度需要确保在火花通道形成之后，脉冲电压不会出现过于明显的变化。基于此，通道电流密度能够表征通道能量密度。密度足够大可促使加工材料局部气化，在被加工材料表层形成腐蚀痕，为电火花加工提供基础条件。

第四，放电要求为短时间的脉冲放电脉冲。基于放电时间短，导致放电期间所产生的热能无法及时在被加工材料中进行扩散，由此将能量作用约束到较小的范畴中，维持火花放电的冷极特性。

第五，脉冲放电要求重复多次开展，同时多次脉冲放电在时间与空间分散涉及到两个层面的内涵。一方面，时间层面临近两个脉冲不在同一点上形成通道;另一个方面，如果处在一定时间范畴脉冲放电集中发生到某一个区域中，在另一段时间中，脉冲放电需要转移到另外区域。此种要求的目的在于，可控制积碳现象的发生，进而规避电弧与局部烧伤问题。

电火花加工中，工具电极需要与工件及脉冲电源两极进行连接，并将其放置到工作液中，也可将工作液放置到电间隙。两个电极之间的间隙应该处在适合的距离基础之上，两个电极所给予的脉冲电压击穿工作液，最终达到火花放电的效果[3]。放电微细通道之中瞬间集中起的热能可达到一万摄氏度，为此会推动压力的变化，而工作表面局部的微量金属材料也会出现气化的转变，以爆炸的形式分布到工作液中，并在短时间内冷凝，转化成为固体金属微粒，随工作液流走。后续脉冲电压能够在两极临近的另外部位击穿，进而产生了火花放电，进入到重复的流程。不同脉冲放电蚀除的金属量不多，每秒内大量脉冲放电会蚀除大量金属。在保障工具电极与工件放电间隙不便的环境下，可蚀除工件金属，同时还能够推动工具电极向工件进给。另外，若想要确保加工出的形状与工具电极形状类似，仅仅需要整改工具电极形状与工件间相对运动范式，可加工出各类型复杂的型面[4]。

2  电火花加工特征

电火花加工作为全新加工工艺与机械加工存在着本质上的差异。在工业生产发展与科技发展下，熔点与硬度以及强度均有得到提升，也由此出现了高粘性与高纯度材料。近年来在工件加工中，复杂的结构与特殊材料等要求不断提升，而在此情况下以往的机械加工手段无法完成加工任务，或面临着较大的难度。除持续优化机械加工手段外，还应该探寻更为先进的加工办法[5]。电火花加工办法可迎合生产发展的需求，同时可呈现出诸多显著优势，从而获取到快速发展。总结电火花加工特征包括以下几点：第一，脉冲放电能量密度较高，可加工常規机械加工办法搅拌加工的特殊材料[6]。不会受到材料硬度的干扰，同时也有效的规避了受热处理情况的干扰。第二，脉冲放电持续的时间较短，放电期间所产生的热量传导在狭小的范围内扩散[7]。第三，在加工期间工具电极与工件材料不会接触，两者之间的作用力影响下，工具电极制造更为方便。第四，能够对工件的结构实现优化处理，节省不必要的加工环节，提升工件使用寿命，降低工作人员劳动量[8]。

3  滑阀微细电火花加工力影响模型

研究中应用卧式微细电火花加工装置，同时在微细孔加工期间作出以下几点假设：第一，工具电极在加工环节可能承受到的多种径向力合力大小不会出现转变，同时一直作用到电极末端[9]。第二，作用在电极的轴向力，基于其促使电极弯曲小，可不予以考虑。第三，基于同样加工条件，同一个电极但长度不发生转变，所受到的力一致。第四，实验过程中电极的直径应该不超过原始直径，加工过程中电极弯曲处在电极被加工部分。第五，电极加工方面，弯曲与变形不明显，能够满足材料力学上的要求。基于以上获取到细微电火花加工过程中电极受力与变形模型，见图1。

加工期间电极在径向合理F作用下变形挠度公式如公式1所示：

在公式（1）中，F所代表的是电极末端所面对的径向合力，E所代表的是电极材料弹性模型，I代表的是电极惯性矩，d代表的是电极直径，L代表的是电极长度，x代表的是电极上随意一个点与0点之间的距离。

在研究期间，工具电极应用WEDG办法制备，在加工之后电极形状见图2。基于加工之后电极直径要明显小于没有加工的直径，核算电极长度期间仅仅考虑到加工之后直线部分的长度，也就是将0作为起点，剩余部分考虑为刚性，不会关注多种加工作用中的弯曲变形。

4  实验装置及方法

实验期间应用到的卧式微细电火花加工实验装置主要构成部分为：基座、电极旋转轴C轴、WEDG单元等[11]。加工条件与已知参数见表1。在加工实践方面，基于WEDG单元制造出符合需求长度与直径的微细电极。具体加工期间，首要工作是移动X-Y-Z工作台探测工件表面，此项操作完成后在明确加工起点之后执行加工操作，并在加工完成一个孔之后将电极截取0.4mm，最终确保剩余的长度为0.6mm。在完成加工操作之后对工件与电极进行清理，并监测电极的直径与剩余长度等指标。电极不会出现弯曲变形情况，基于此第一个孔与最后孔的半径差作为电极末端变形值。结合以上获取到F，结合公式（1）核算出不同电极程度条件下对应的挠度[12]。

5  实验结果

如表2所示，为四种加工条件下获取到的实验结果。所选观察对象为长度为3.663mm，直径为62.2的钨电极在去离子水工作液加工出的排孔，第一个孔的直径是105μm，最后一个孔直径是95.5μm。另选长度4.287mm，直径为63.6的钨电极在油中加工出的排孔，第一个孔直径86.1μm，最后一个孔直径是75.9μm。

通过对加工各孔做测量，获取到4种不同加工条件下加工间隙与电极长度的对应关系。在同样的加工条件中，基于电极长度增长，加工间隙也会随之增加。此种规律代表着，微细电火花加工微孔期间，多种力对于加工间隙的影响较大，而此影响作用会在电极长度增加下不断上升。若电极较短，此种影响作用可不予考虑。实验期间分别应用直径为63.4μm、长度为288μm与直径为63.5μm，长度为504μm的钨电极在油中完成加工验证，获取到的加工间隙分别为6.22μm与6.24μm，差距不明显。此结果所代表的是，电极较短条件下，加工间隙与电极长度之间不存在明显关联，在此种状态中加工间隙主要受到电火花放电加工工艺参数的影响[13]。

研究结果证实了，以上获取到的结果并不是基于卧式加工导致促使电极受到重力影响而单独导致的。分析出现此种情况的原因可能是，若电极受重力作为均步载荷，参考材料力学理论，直径为60μm与长度4mm的钨电极受到重力影响，挠度的最大变形可达到0.75μm，而在直径相同的环境中，长度为6mm碳化钨电极基于重力作用影响，挠度变形为0.16μm，将实践加工间隙作为对照，其变形并不显著。此种结果表明了，电极在重力下所受到的影响作用并非是本次研究过程中的关键性因素，而电极的长度针对加工间隙的影响作用多来自各种力的综合作用。参考以上加工力影响模型，所梳理出的电极挠度理论值与实际值对比结果如图3与图4所示。

能够总结出的是，理论值与实际值结果并未呈现出显著差异。而本次研究中所指出的加工力影响模型可较好的表现在电火花加工微孔过程中，电极弯曲变形挠度的增加，导致同一种直径的电极基于长度的差异，会导致最终加工出的孔径有所不同。

6  结论

文章中构建起微细电火花加工微孔期间加工力影响模型，同时经由实验作出验证。结果显示出，结合模型核算出的结果与实际测量值未表现出显著差异。基于加工力的影响，应用微细电火花加工微孔期间，应该考虑到电极长度因素。直径相同的电机在长度存在差异的条件下，所加工出的孔径也有所不同，且孔径会随着电极的增长而加大。

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