北京易通電加工技術(shù)研究所 （102629） 馬名峻

深小孔主要是指直徑＜1mm、深徑比≤200的小孔；而超深小孔主要是指直徑＜1mm，深徑比＞200乃至＞1 000的深小孔。在常用金屬上加工一般直徑＜1mm、深徑比＞300的深小孔，須用電火花加工的方法才可實(shí)現(xiàn)。

超深小孔的電火花加工一般選用常見的電火花高速小孔機(jī)。其設(shè)備加工原理主要是采用旋轉(zhuǎn)的細(xì)長空心電極管（單孔或多孔），中間通以高壓水基工作液，電極管通過紅寶石或金剛石導(dǎo)向器限幅導(dǎo)向，保障細(xì)長電極管在旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中不抖動(dòng)，穩(wěn)定進(jìn)行放電加工。在工件與電極之間加有大功率的脈沖電壓，利用電極與工件間的連續(xù)放電腐蝕，蝕除金屬，進(jìn)行尺寸加工。一般電火花高速小孔機(jī)電極損耗都很大，電極的長度損耗一般在100%，甚至幾倍以上，以犧牲電極而換取加工的速度。

但對(duì)于鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料，使用普通水、純凈水或普通水基工作液，電極損耗都極大。譬如加工一件厚度28mm、孔徑1mm的純鎢小孔零件，加工一個(gè)孔需要400mm長度電極2支（有效利用長度約250mm/支），不含更換電極等輔助時(shí)間，純加工時(shí)間約需30min，而此件上面有80余個(gè)孔，純加工時(shí)間需要40h，加上更換電極的輔助時(shí)間就更長了。而對(duì)于加工厚度110mm、孔徑0.35mm的純鎢小孔零件來說，采用普通電火花高速小孔機(jī)幾乎是不可能的。

1. 傳統(tǒng)加工工藝

傳統(tǒng)的電化學(xué)深小孔加工工藝是基于“陽極溶解”的原理，一般采用中性或酸性電解液，如氯化鈉、硫酸及鹽酸的水溶液，由于對(duì)電極的絕緣要求高，以致加工工藝復(fù)雜、加工成本高，對(duì)機(jī)床工件電極的腐蝕大，且易造成環(huán)境污染，后處理難度較大。

應(yīng)用電火花高速小孔機(jī)加工深小孔、超深小孔的試驗(yàn)中，存在一些工藝問題：

（1）對(duì)于深小孔、超深小孔的加工，電極呈尖端損耗，隨著電極損耗增大，加工面積增大，電流密度減小，加工穩(wěn)定性差，達(dá)到一定深度后，加工效率大幅降低，甚至無法加工（見圖1）。

（2）加工精度低，多孔加工一致性差，入口質(zhì)量差。

（3）孔壁表面粗糙度值高、表面質(zhì)量差，無法規(guī)范對(duì)孔形的精度要求。

（4）電極端頭呈不對(duì)稱尖端損耗，加工直線度差，深小孔、超深小孔加工難于實(shí)現(xiàn)。

通過研究分析上述電火花高速小孔機(jī)實(shí)踐中存在的諸多問題，發(fā)現(xiàn)這些問題的多數(shù)癥結(jié)集中于電極管的側(cè)壁放電，為此也曾考慮過仿照電化學(xué)深小孔加工工藝，對(duì)電極管增加表面絕緣層，并對(duì)此進(jìn)行了研究。我們發(fā)現(xiàn)，在電極側(cè)壁增加絕緣層，阻斷電極側(cè)面電流通路的思路是對(duì)的，但用物理方法實(shí)現(xiàn)起來難度頗大。尤其是對(duì)電極管試驗(yàn)環(huán)氧樹脂及絕緣漆膜涂覆、熱鍍鋁后氧化處理等的表面處理工藝，涂覆的絕緣膜厚度雖然很薄，但都存在增加排屑量，甚至堵塞電極管壁與孔壁之間排屑通道的問題，導(dǎo)致加工失敗。

在后來的深小孔工藝研究過程中，嘗試了一種新的電化學(xué)-電火花復(fù)合加工方法，解決了上面列舉的諸多工藝問題。

這種工藝方法的關(guān)鍵是研制了一種可以將上述兩種工藝方法融為一體的、基于電化學(xué)極化現(xiàn)象構(gòu)造的液體成膜電火花小孔機(jī)專用工作液。

圖1 φ2mm電極端面積與不同長度圓錐損耗電極側(cè)面積電流密度的比較

2. 方案設(shè)計(jì)的基本思路

（1）構(gòu)造一種鈍化作用強(qiáng)的低濃度電解質(zhì)環(huán)保水溶液，使之能夠在脈沖電源的電場作用下，利用電極的鈍化極化現(xiàn)象形成在工件電極（陽極）孔壁表面的致密鈍化膜，阻斷電流在孔壁的陽極溶解過程和可能的二次火花放電通道，實(shí)質(zhì)上消除孔壁的電化學(xué)-電火花加工過程，實(shí)現(xiàn)加工對(duì)于側(cè)壁間隙絕緣作用的液體成膜要求。

（2）利用電極管的軸向進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)功能的機(jī)械和放電間隙壓縮的綜合作用，形成電極端面的高電流密度的電火花放電，擊穿并清除電極進(jìn)給方向上（端面區(qū)域）可能存在的氧化膜（鈍化膜），進(jìn)而完成端面區(qū)域的放電加工任務(wù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)持續(xù)的電火花放電加工過程。

圖2所示為電火花打孔時(shí)鈍化膜形成。其中，（a）上面為多孔電極管，下為工件，孔壁上有鈍化膜，只在電極端面有放電現(xiàn)象；（b）為電極管端面放電過程，除去了端面方向上的鈍化膜并蝕除金屬，實(shí)現(xiàn)放電；（c）為電極管端面重新生成鈍化膜，重新開始新的加工過程；（d）為電極管端部局部放大圖。

圖2 電火花打孔時(shí)鈍化膜的形成

（3）在不增加脈沖電源功率的情況下，實(shí)現(xiàn)液體成膜，保護(hù)電極管側(cè)壁，使之最有效地將能量集中作用于電極管端平面，使?jié)崈艄ぷ饕毫魇冀K最先作用于電極端部放電區(qū)域，形成電極管的平頭均勻低損耗，同時(shí)構(gòu)造合理的最大電流密度，以期提高綜合加工效率。

（4）利用工作液中金屬陰離子的極性作用，使放電產(chǎn)物膠體分子同帶負(fù)電荷，相互之間產(chǎn)生斥力，以阻止產(chǎn)物膠體分子之間的結(jié)合，形成膠團(tuán)，以減小工作液中放電產(chǎn)物顆粒的個(gè)體體積和流體阻力，利于電蝕產(chǎn)物在加工區(qū)域的快速排出，減少放電區(qū)域附近的二次放電過程（見圖3）。

圖3 膠體分子之間的排斥避免形成膠團(tuán)

（5）利用弱堿性工作液的電化學(xué)加工特性，在鎢鉬類金屬材料的孔壁之間產(chǎn)生密集的微氣泡，進(jìn)一步增加間隙絕緣電阻。

3. 液體成膜電火花小孔機(jī)專用工作液的構(gòu)成和基本原理

這種電火花小孔機(jī)專用工作液是以弱堿性多元有機(jī)聚合物為主要成膜物質(zhì)，添加必要溶劑和少量添加劑配制而成。這種液體成膜的水基工作液，是基于電化學(xué)技術(shù)的鈍化極化原理，在電場的作用下，由多元有機(jī)聚合物與金屬離子生成的穩(wěn)定環(huán)狀化合物吸附于工件的孔內(nèi)壁金屬表面上，沿孔壁表面形成一層極薄而致密的鈍化膜，從而起到對(duì)電極管側(cè)壁的直接電蝕和二次放電的保護(hù)作用，類似快速走絲線切割乳化液工作方式的“疏松接觸”現(xiàn)象。同時(shí)在極間放電爆炸力的沖擊和機(jī)械摩擦等綜合作用下，孔底面未牢固的鈍化膜又極易被粉碎清除，不能對(duì)放電過程構(gòu)成阻礙作用。

根據(jù)電化學(xué)的原理來詮釋這種液體成膜過程的工作原理是：在電化學(xué)加工過程中，電極反應(yīng)速度的一般規(guī)律，除了法拉第電解定律所規(guī)定的理論速度，還有一個(gè)使理論速度發(fā)生偏差的極化問題。這種在陽極溶解過程中存在的一種阻礙電極反應(yīng)正常進(jìn)行的現(xiàn)象稱為電極的極化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象是陽極溶解過程本身具有的一種自適應(yīng)能力，其后果是使電極反應(yīng)速度放慢。極化現(xiàn)象分為：濃差極化、電化學(xué)極化或活化極化和鈍化極化。

這里重點(diǎn)討論相關(guān)的鈍化極化現(xiàn)象。這種鈍化現(xiàn)象實(shí)際是一種與電化學(xué)步驟和離子遷移擴(kuò)散無關(guān)的極化現(xiàn)象，這種極化是由于陽極表面生成一種氧化物或其他物質(zhì)的薄膜，增大了表面電阻，因而對(duì)電流通過產(chǎn)生阻力，使電極電位發(fā)生改變的極化現(xiàn)象。這種極化現(xiàn)象正是可以被利用、藉以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康牡囊环N有益效應(yīng)。

關(guān)于氧化膜的產(chǎn)生有多種解釋和說法，如利用強(qiáng)氧化劑可以在陽極金屬表面產(chǎn)生一層致密的氧化膜，再有一種是在電流密度高、電解液流速低的情況下，陽極上先形成鹽的沉積，然后逐步轉(zhuǎn)化為氧化膜。還有研究者認(rèn)為“鈍化膜可能是電解液中鈍化性能強(qiáng)的一些陰離子直接形成的”。我們認(rèn)同這種說法，在電解質(zhì)水溶液的設(shè)計(jì)構(gòu)造上，因此更加強(qiáng)化了鈍化性能強(qiáng)的陰離子的構(gòu)成。

4. 鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料超深小孔復(fù)合加工方案的實(shí)現(xiàn)

使用這種液體成膜的工作液，適于鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料直徑＜3mm的深小孔，尤其是超大深徑比的深小孔加工過程?？妆诮^緣膜在某種程度上構(gòu)成了深孔內(nèi)部導(dǎo)向器，在鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬材料的超大深徑比的深小孔加工中，排屑良好，加工穩(wěn)定性極高，加工效率是普通純凈水的一倍以上。

（1）試驗(yàn)一為高熔點(diǎn)金屬純鎢加工φ0.35mm×108mm、深徑比309的深小孔?；驹囼?yàn)條件：設(shè)備是北京易通生產(chǎn)的ET—DX703GR高熔點(diǎn)金屬電火花高速小孔加工機(jī)；測試設(shè)備為電導(dǎo)率測試儀、折光濃度計(jì)及酸堿度測試儀等；長度測量量具包括萬能工具顯微鏡、數(shù)碼工具顯微鏡、數(shù)顯千分尺及卡尺等；工作液為北京易通生產(chǎn)的ET—YK1型電火花高速小孔機(jī)專用工作液，使用純凈水兌制，電導(dǎo)率3 280 μs/cm，濃縮液濃度配比1∶100；工件材料是純鎢（密度為19.35 g/cm3、熔點(diǎn)為3 410℃±20℃）；電參數(shù)是脈寬4μs、脈間16μs、空載電壓150V，平均加工電流0.5A；加工時(shí)間為70min。

應(yīng)用這種鈍化作用強(qiáng)的低濃度電解質(zhì)環(huán)保水溶液，在對(duì)純鎢材料超深小孔加工中顯示出其優(yōu)越的性能，原來加工一個(gè)純鎢材料φ0.5mm×100mm、深徑比200的深小孔，不談加工時(shí)間，僅電極損耗就很驚人，400mm長度的純銅電極，一次就要使用幾十支。使用現(xiàn)在的工作液，加工純鎢φ0.35mm×108mm深小孔，電極長度損耗不到5mm，相對(duì)電極長度損耗約4%，一支電極即可完成加工任務(wù)。

（2）試驗(yàn)二的基本試驗(yàn)條件：設(shè)備為北京易通生產(chǎn)的ET—DS200KG高熔點(diǎn)金屬電火花臺(tái)式小孔加工機(jī)；測試設(shè)備是電導(dǎo)率測試儀、折光濃度計(jì)及酸堿度測試儀等，長度測量量具包括萬能工具顯微鏡、數(shù)碼工具顯微鏡、數(shù)顯千分尺及卡尺等；工作液是北京易通生產(chǎn)的ET—YK1型電火花高速小孔機(jī)專用工作液，使用純凈水兌制，電導(dǎo)率3 280 μs/cm，濃縮液濃度配比1∶100；工件材料為純鎢（密度為19.35 g/cm3、熔點(diǎn)為3 410℃±20℃），通孔深度28mm，孔徑0.8mm；電參數(shù)是脈寬8μs、脈間20μs、空載電壓80V，平均加工電流3.5A；平均加工時(shí)間為6min。

電極損耗結(jié)果是400mm長度純銅電極一支，可以加工約40個(gè)孔，電極損耗長度約4mm/孔。電極端部照片如圖4所示，可見端部只有很小的圓角，電極側(cè)壁只有在前端約10mm部位有放電痕跡，電極端部呈平頭低損耗。

圖4 電極呈平頭低損耗（采用本工作液）