于騰龍，余祖元，李 偉，鞏向偉，丁青旺，李劍中

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，微小型產(chǎn)品扮演著舉足輕重的角色，同時(shí)，產(chǎn)品的微型化也是許多領(lǐng)域未來發(fā)展的方向，微孔、微槽及微型元件等都在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。微細(xì)電火花加工工藝是在工具與工件之間施加脈沖電源，當(dāng)工具與工件達(dá)到一個(gè)很小的距離（放電間隙）時(shí)，極間就會(huì)形成放電通道，產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫可將工件與工具上的材料熔化和部分汽化去除。因此，微細(xì)電火花加工可用于加工所有導(dǎo)電材料，而不受材料硬度等機(jī)械性能的影響。由于加工過程中不存在工具與工件的機(jī)械接觸，故可采用硬度較低的導(dǎo)電材料作為工具電極。這些優(yōu)點(diǎn)使微細(xì)電火花加工廣泛應(yīng)用于微孔、微小零部件和微型模具的加工[2-4]。

然而，微細(xì)電火花加工仍存在一些缺點(diǎn)限制著它的發(fā)展。?p?z等[5]在加工盲孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工到一定深度時(shí)，由于電極的徑向損耗，電極端部會(huì)變尖，加工出的孔也會(huì)變尖。Diver等[6]在加工通孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，電極進(jìn)給到預(yù)定深度時(shí)，孔的出口處直徑會(huì)變小。這是由于當(dāng)孔被加工通透時(shí)，絕緣介質(zhì)可從出口流出，使懸浮在絕緣介質(zhì)中的加工產(chǎn)物濃度減小，進(jìn)而導(dǎo)致二次放電現(xiàn)象減少。Hung等[7]利用類似鉆頭的螺旋電極和超聲振動(dòng)工件的方式加工孔，并進(jìn)行光整加工，能很好地減小孔出、入口的直徑差；但這種螺旋電極不易加工。Kim等[8]利用圓柱電極和超聲振動(dòng)，并采用后期增大電容的方式加工通孔，能將孔出、入口的直徑差減小到1 μm；但使用大電容會(huì)導(dǎo)致孔的表面質(zhì)量降低及產(chǎn)生明顯的放電痕跡。

雖然目前對上述現(xiàn)象的研究還僅限于孔，在微細(xì)電火花三維加工中還未見相關(guān)研究的報(bào)道，但本課題組在微沖裁模具的加工過程中已發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象同樣存在于三維微模具的加工中，即凹模型腔的入口處尺寸會(huì)大于出口處尺寸，這將導(dǎo)致落料困難。本文通過立式微細(xì)電火花加工設(shè)備對該問題進(jìn)行研究，并通過增大電極進(jìn)給深度的方法使問題得到了較好的解決。

1 實(shí)驗(yàn)方法及加工條件

在加工三維型腔時(shí)，由于電極損耗、電極與工件之間二次放電等原因，導(dǎo)致型腔入口尺寸大于出口尺寸，在此將其差值稱為“錐度”。為簡化加工過程，且使型腔具有一定代表性，本文選用加工深度為500 μm的正方形通透型腔對錐度問題進(jìn)行研究。電極材料為鎢，工件材料為黃銅，方腔設(shè)計(jì)尺寸為 500 μm×500 μm。

為減少加工時(shí)間，提高加工效率，先采用直徑300 μm的鎢電極和較大的放電能量，在方腔中心位置鉆孔，去除大部分材料，加工參數(shù)見表1；再通過線電極電火花磨削工藝[9]加工出尺寸適當(dāng)?shù)碾姌O，并利用層層銑削的加工方法[10]和較小的放電能量，按方腔輪廓的軌跡加工出通透的方腔，加工參數(shù)見表2。表中所示的層厚為每層進(jìn)給量，進(jìn)給深度為工具電極的總進(jìn)給深度。

表1 鉆孔參數(shù)

表2 銑輪廓參數(shù)

2 超聲輔助振動(dòng)工作液加工方腔

在微細(xì)電火花加工中，隨著加工的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物逐漸增多且堆積在加工區(qū)，這會(huì)引起電極與工件之間的二次放電，使工件入口處尺寸增大。采用超聲波輔助振動(dòng)工作液的方法，在加工區(qū)下方放置超聲波振動(dòng)器（圖1），通過振動(dòng)工作液的方式，將加工區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物加速?zèng)_出，能減少電極與工件之間發(fā)生二次放電的機(jī)會(huì)。超聲波振動(dòng)器的振動(dòng)頻率為1700 kHz，功率為19 W，額定工作電壓為24 V。

圖1 超聲波振動(dòng)器

為研究超聲波振動(dòng)對加工的影響，在僅改變超聲波振動(dòng)電壓、其余加工參數(shù)不變的條件下進(jìn)行了6組實(shí)驗(yàn)。電壓值從12 V逐漸增加至17 V，每次增加1 V。在不同的振動(dòng)電壓下得到的錐度值見圖2?？煽闯觯?dāng)振動(dòng)電壓為13 V時(shí)，錐度值最小。

圖2 不同振動(dòng)電壓下的錐度

加工時(shí)間與振動(dòng)電壓之間的關(guān)系見圖3?？煽闯觯瑹o論振動(dòng)電壓值如何變化，甚至不施加超聲振動(dòng)，加工時(shí)間都在50 min以上，且變化不大。這是因?yàn)樵诩庸とS型腔時(shí)，加工區(qū)的狀態(tài)并不像加工孔時(shí)那么惡劣，且為了加工的型腔邊緣鋒利，放電能量和每層的層厚并不是很大，加工產(chǎn)物沒有加工孔時(shí)那么多，所以加工過程中短路信號(hào)很少。因此，振動(dòng)對加工時(shí)間的影響不明顯。

圖3 加工時(shí)間與振動(dòng)電壓的關(guān)系

電極軸向損耗與振動(dòng)電壓的關(guān)系見圖4?？煽闯?，施加超聲振動(dòng)后的電極軸向損耗明顯小于未施加超聲振動(dòng)的電極軸向損耗，且隨著振動(dòng)電壓的增加，電極軸向損耗有所減小。這是因?yàn)槌曊駝?dòng)有助于加工產(chǎn)物的排出，但振動(dòng)電壓不能太大，否則加工出的型腔錐度也會(huì)變大。

圖4 電極軸向損耗與振動(dòng)電壓的關(guān)系

綜合以上3個(gè)參數(shù)的變化，超聲振動(dòng)電壓宜選擇13 V。

3 電極變形對錐度的影響

在微細(xì)電火花加工中，加工時(shí)產(chǎn)生的爆炸力可能會(huì)使電極發(fā)生變形，電極的長短不同，發(fā)生變形的程度也不同。前述實(shí)驗(yàn)都是在電極長度為1.5 mm時(shí)進(jìn)行的，在此使用長度為1 mm的電極做對比實(shí)驗(yàn)。加工條件見表1、表2，振動(dòng)電壓為13 V。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電極長度為1 mm時(shí)加工出的方腔錐度為3.7956 μm，電極長度為1.5 mm時(shí)加工出的方腔錐度為3.0563 μm?？梢妰煞N電極加工出的方腔錐度相差很小，差值可能是由于測量誤差引起的。因此，電極長度在此范圍內(nèi)，電極的變形對方腔的錐度基本無影響。

4 進(jìn)給深度對錐度的影響

為研究進(jìn)給深度對錐度的影響，在此分別選用厚度為0.1、0.5 mm的銅片，進(jìn)行鉆孔和加工方腔的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)施加超聲振動(dòng)，振動(dòng)電壓為13 V。為了對鉆孔和加工方腔進(jìn)行對比，鉆孔的加工參數(shù)與加工方腔輪廓的參數(shù)一樣。由于二次放電的發(fā)生與加工時(shí)間有關(guān)，加工時(shí)間越長，發(fā)生二次放電的機(jī)會(huì)越多，所以調(diào)整鉆孔的加工時(shí)間，使其盡量與銑方腔的加工時(shí)間相近。

圖5和圖6分別是在0.1、0.5mm厚的銅片上鉆孔得到的孔的錐度與進(jìn)給深度之間的關(guān)系。可看出，隨著進(jìn)給深度的增加，能在一定程度上減小孔的錐度，但減小趨勢逐漸變緩。如圖5所示，當(dāng)進(jìn)給深度從200 μm增加至600 μm時(shí)，錐度減小1.0811 μm；當(dāng)進(jìn)給深度從600 μm增加至1200 μm時(shí)，錐度減小0.2704 μm。這是因?yàn)榭妆患庸ねㄍ笗r(shí)，加工產(chǎn)物從出口排出，懸浮在加工區(qū)域絕緣介質(zhì)中的加工產(chǎn)物濃度減小，使出口處的材料去除量減少。此外，由于電極與工件之間的加工間隙逐漸增大，二次放電的能力逐漸減弱，導(dǎo)致加工速率變慢。

圖5 在0.1mm厚的銅片上加工孔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

圖6 在0.5mm厚的銅片上加工孔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

圖7 是在0.1mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度之間的關(guān)系?？煽闯觯S著進(jìn)給深度的增加，錐度明顯降低。這是由于加工過程中電極會(huì)有損耗，且電極端部的損耗比電極根部多，導(dǎo)致加工出的方腔入口處尺寸大于出口處尺寸。同時(shí)，在電極與工件之間還會(huì)出現(xiàn)二次放電現(xiàn)象，加工時(shí)間越長，二次放電越嚴(yán)重，這進(jìn)一步使加工出的方腔入口處尺寸大于出口處尺寸，且在銅片剛剛被加工透時(shí)差值最大，即錐度最大。當(dāng)銅片加工透后，電極繼續(xù)進(jìn)給，電極未使用的部分會(huì)對方腔出口處未加工掉的材料繼續(xù)進(jìn)行加工，使錐度繼續(xù)減小。此外，隨著加工的進(jìn)行，方腔入口處的電極與工件之間的加工間隙逐漸增大，二次放電的能力減弱，加工的速率會(huì)減慢；而方腔出口處剛剛被加工透，電極與工件之間的加工間隙還很小，二次放電的能力較強(qiáng)，加工的速率也會(huì)比入口處快，從而進(jìn)一步減小方腔錐度。因此，當(dāng)電極進(jìn)給到600 μm時(shí)，方腔的錐度已減小至0.3705 μm。

圖7 在0.1mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

圖8是在0.5mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系。可見，當(dāng)進(jìn)給深度由600 μm增至 1200 μm時(shí)， 方腔的錐度由 3.0563 μm降至0.6935 μm。因此，通過增大進(jìn)給深度，能有效地減小型腔的錐度。

圖8 在0.5mm厚的銅片上加工方腔的錐度與進(jìn)給深度的關(guān)系

5 結(jié)語

在電火花加工過程中，電極端部損耗會(huì)使其形成端部細(xì)、根部粗的錐形，反映到工件上，就會(huì)出現(xiàn)工件入口處尺寸大于出口處尺寸的情況。同時(shí)，加工產(chǎn)物逐漸增多且堆積在加工區(qū)，將引起電極與工件之間的二次放電，也會(huì)使工件入口處尺寸增大。雖然在加工過程中施加超聲振動(dòng)有助于排出加工產(chǎn)物，但不可能完全消除二次放電，只能在一定程度上減少二次放電的幾率，使錐度減小。

本文用不同長度的電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出電極長度在一定范圍內(nèi)、電極變形對方腔的錐度基本無影響的結(jié)論。通過研究進(jìn)給深度與錐度的關(guān)系可知，采用增大進(jìn)給深度的方法，能有效地減小型腔的錐度。該方法不僅適用于加工通透的型腔，對非通透的型腔加工，可在電極加工至預(yù)定深度后，將電極的端部適當(dāng)截?cái)?，再進(jìn)行型腔加工即可。

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