（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室， 大連 116024）

隨著科學技術的發(fā)展，微小孔的應用范圍更加廣泛，同時對微孔深徑比的要求也越來越大，例如汽車行業(yè)的柴油機引擎噴嘴、電子業(yè)的噴墨打印機的噴嘴、模具業(yè)的IC模具以及生物業(yè)的細胞搭載裝置[1-2]。在航空發(fā)動機中具有高技術要求的微小孔，并且由于航空發(fā)動機零件的特殊性，使用傳統(tǒng)的機械加工技術如鉆削、鏜削、拉削、沖孔、鉸孔等技術進行制孔時，在使用效果和應用范圍上受到眾多限制[3]，而特種加工方法在這方面具有獨特的優(yōu)勢。微孔的特種加工方法有很多種，有電化學加工、電火花加工、液體噴射加工技術、超聲波加工、激光加工等。航空發(fā)動機葉片上氣膜孔的加工,采用飛秒激光與激光水射流復合加工氣膜孔，但該技術還不成熟且設備昂貴[4]。然而微細電火花加工具有加工任何導電材料、不受工件材料硬度影響、無宏觀切削力、加工設備相對便宜、易于實現(xiàn)加工過程的自動化、加工后孔的質(zhì)量較好等優(yōu)點。因此，微細電火花在微孔加工領域應用比較廣泛。葉軍等[5]研究了多軸數(shù)控單電極高速電火花小孔加工技術，并且通過實踐證明了這是一種航空發(fā)動機零件深小孔加工行之有效的方法。高速電火花穿孔技術是航空發(fā)動機中小孔加工方法之一，它是電火花成形加工制孔引申出的一種微孔加工方法，采用RC脈沖電源和空心電極內(nèi)噴液的方式，從而達到高速去除工件材料的目的，但該方法的加工精度差并且電極損耗嚴重[6]。航空發(fā)動機中氣膜孔的孔徑一般在0.2～0.8mm，空間角度復雜，利用電火花打孔工藝的優(yōu)點是重熔層厚度小，可以控制在0.02mm以下。因此，電火花加工技術在航空發(fā)動機氣膜孔的加工上較為成熟[7]。

微細電火花的加工間隙一般只有幾個微米或十幾個微米，絕緣介質(zhì)的粘性阻力很大，而且間隙的均勻分布使得氣泡不易排出，容易產(chǎn)生頻繁的短路及拉弧等非正常放電現(xiàn)象，導致電極損耗進一步增大[8]。微細電火花加工大深徑比微孔的排除氣泡和加工屑有兩種方式：微小管電極內(nèi)部沖液和外部沖液。微小管電極的尺寸限制了可加工微孔的直徑[9]。外部沖液易造成用于加工大深徑比微孔的細長電極的振動。微細電火花鉆孔的試驗過程觀察表明，當孔的深徑比較小時，氣泡的壓力大，加工屑隨之容易排出孔外，非正常放電的次數(shù)較少。當孔的深徑比較大時，由于液體粘性阻力隨著孔深度增加而增加，這使得氣泡壓力難以推動放電間隙中的液體流動，使得加工屑很難從加工間隙內(nèi)排出，從而使得新鮮加工液很難進入加工區(qū)域，非正常放電的次數(shù)增加[10]?？梢姡⒓氹娀鸹ㄣ@孔的深徑比有限，并且頻繁的非正常放電如短路及拉弧等對微孔的質(zhì)量不利。立式機床和油介質(zhì)下，在SK5碳素工具鋼上鉆100μm的孔，當孔的深度達到500μm時就出現(xiàn)非正常放電，深徑比只有5；臥式機床和去離子水介質(zhì)下，當100μm孔的深度達到1000μm時出現(xiàn)非正常放電，深徑比只有10[11]。為了增加微孔的深徑比，有學者提出改變電極的截面形狀，提高容屑能力；也有學者提出將超聲振動引入微細電火花加工中。Zhao等[12]使用削邊電極微細電火花超聲輔助在鈦合金上加工出直徑小于0.2mm，深徑比為15的微孔。錢軍等[13]采用將工件與壓電換能器連接在一起的方式，使工件獲得超聲頻率振動，通過工件的微幅激振產(chǎn)生空化作用來改善微細電火花加工工作液循環(huán)，從而提高微細孔加工的深徑比，并利用立式微細電火花加工機床在0.5mm厚的黃銅板上加工出深徑比為11.6的微孔。Hung等[14]提出利用螺旋微細電火花超聲復合振動的微孔加工技術也可以提高深徑比。有學者通過改變電極的運動軌跡來提高排屑能力，Yu等[15]采用電極搖動的方法,即電極中心線圍繞孔的中心線進行圓周運動，在臥式微細電火花加工機床上，以去離子水為工作介質(zhì)，加工出深徑比為18的微孔。此外，Yu等[10]提出電極搖動同時在工件上施加超聲振動的方法，并且在臥式微細電火花加工機床上，以去離子水為工作介質(zhì)，在304不銹鋼上加工出直徑120μm、深徑比為29的微孔。

微細電火花中加工屑主要是通過加工過程中產(chǎn)生的氣泡帶出的，電極搖動微細電火花加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的流場是一個非均勻的流場，由流體力學知識可知，非均勻流場液體的粘性阻力也是非均勻的，并且最大間隙處液體的粘性阻力最小，最小間隙處液體的粘性阻力最大[16]，在最大間隙處電極搖動打破了氣泡的動態(tài)平衡，這樣氣泡和加工屑更加容易從最大間隙處排出，從而可以獲得更大的深徑比。Li等[17]基于狹小放電間隙內(nèi)微觀流體的運動特性和表面張力的理論建立了電極不搖動微細電火花加工微孔深徑比的理論模型，描述了影響微孔深徑比的影響因素，并通過在去離子水和油中進行了大量微孔加工試驗來驗證了模型的正確性，為獲得大深徑比微孔打下了理論基礎。呂忠偉等[18]通過數(shù)值仿真得到電極搖動會使氣泡向電極與孔壁之間的最大間隙運動或破裂，并通過微孔加工試驗驗證了數(shù)值仿真結果的正確性。因此，電極搖動參數(shù)和電參數(shù)對微孔深徑比的影響值得研究。

非正常放電使得微孔的質(zhì)量下降。因此，本文采用不同加工介質(zhì)，以不銹鋼為工件材料，以鎢作為工具電極材料，通過微孔加工試驗研究了搖動半徑、搖動速度以及加工電容對常規(guī)放電狀態(tài)下微孔深徑比的影響。

試驗裝置及方法

微細電火花微孔加工設備采用的是自制臥式微細電火花和立式微細電火花加工設備。這兩臺機床的X軸和Y軸均采用德國PI公司的M-521.DD型高精度平臺，Z軸采用PI公司的M-521.DDB型平臺，該平臺具有“剎車”功能，以防意外斷電造成平臺滑塊突然下落。X、Y、Z 3個移動平臺的最小分辨率均為0.1μm，單向重復定位精度為 1μm，最大行程為204mm；旋轉主軸徑向跳動在1μm以內(nèi)，最大轉速為40000 r/min。臥式微細電火花加工試驗裝置的示意如圖1（a）所示；臥式微細電火花加工試驗裝置的實物如圖1（b）所示。立式微細電火花加工試驗裝置的示意如圖2（a）所示：立式微細電火花加工試驗裝置的實物如圖2（b）所示。

電極搖動的示意如圖3所示,電極搖動微孔電火花加工分為兩個運動：一是Z軸的進給；二是X和Y軸的圓弧插補運動。X和Y軸的圓弧插補運動是通過在圓弧上平均插補36個點得到的。電極搖動的加工程序基于LabVIEW軟件開發(fā)。該控制軟件主要包括手動模塊、探測模塊、主軸旋轉模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、電極加工模塊以及搖動鉆孔模塊。手動模塊可以實現(xiàn)手動控制機床的運動。探測模塊主要用電接觸的方法，進行電極的定位、計算工具電極的損耗長度以及設定工件坐標系等。電極搖動鉆孔模塊主要的設置參數(shù)有搖動半徑、搖動速度以及微孔的零點坐標。電極搖動鉆孔時，為了提高加工效率同時避免非正常放電現(xiàn)象的發(fā)生，電極搖動鉆孔的控制程序根據(jù)放電加工時的電流反饋信號設定了5個判斷閾值，電極的進給速度隨著電流反饋信號的變化而自動調(diào)整，電極搖動鉆孔程序的前面板如圖4所示。

試驗中通過WEDG技術制作不同直徑的工具電極[19]。鉆孔前，通過電探測技術在工件上確定微孔的零點位置和兩個加工參考點，兩個加工參考點是為了更加準確計算電極的損耗值。加工過程中，電極每進給一定長度（臥式電極不搖動鉆孔時取100μm，電極搖動鉆孔時取200μm；立式電極不搖動鉆孔時取50μm，電極搖動鉆孔時取100μm）后停止加工，并將電極退出微孔至參考點處進行電探測，探測所得的Z坐標與兩個參考點Z坐標差值的平均值即為電極的損耗長度，這樣加工完就可以通過這些數(shù)據(jù)繪制微孔加工過程曲線圖。微細電火花微孔的加工過程可以基本分成兩個階段，即常規(guī)放電狀態(tài)階段和非正常放電狀態(tài)階段。常規(guī)放電狀態(tài)下電極以一定的速度進給，加工的時間較短，非正常放電狀態(tài)下電極的進給速度緩慢甚至停止，加工時間較長。因此，從常規(guī)放電狀態(tài)到非正常放電狀態(tài)的過渡存在一個加工拐點。圖5是在表1的加工條件下的微孔加工過程曲線，可以看出，當電極進給到1200μm后，加工速度明顯變小，該點稱為加工拐點，加工拐點對應的實際加工深度就是電火花常規(guī)放電階段的孔的深度。

圖1 自制臥式微細電火花加工機床Fig.1 Horizontal micro EDM machine tool

圖2 自制立式微細電火花加工機床Fig.2 Vertical micro EDM machine tool

圖3 電極搖動示意圖Fig.3 Planetary movement path

圖4 電極搖動鉆孔程序前面板Fig.4 Interface of control system

本文中微孔的深徑比定義為加工拐點處的深度與微孔直徑的比值。圖6（a）和圖6（b）是加工后的微孔與電極。雖然微孔加工深度可以增加，但由于放電間隙的液體粘性阻力增大，導致加工區(qū)的氣泡無法排除，阻礙了加工液流入加工區(qū),使得非正常放電增加,電極損耗急劇增大，因此不在本文的討論范圍。

圖5 微細電火花加工孔的過程Fig.5 Micro hole drilling process by micro EDM

圖6 加工后的孔和電極Fig.6 Micro hole and electrode after hole drilling

表1 微孔電火花加工條件

搖動參數(shù)和電容對微孔深徑比影響

電極搖動電火花加工間隙內(nèi)的流場是非均勻場，這可以增加微孔的深徑比。因此，研究加工過程中電極搖動半徑、搖動速度以及電參數(shù)對微孔深徑比的影響非常重要。表2 是試驗加工的條件和有關參數(shù)。

（1）搖動半徑對微孔深徑比的影響。圖7是去離子水中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑分別為75μm和105μm時的微孔深徑比隨搖動半徑的變化。圖8是油中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑分別為85μm和105μm的微孔深徑比隨搖動半徑的變化?？梢钥闯觯谙嗤姌O直徑和電參數(shù)的條件下，隨著電極搖動半徑的增加，微孔的深徑比也呈現(xiàn)增加的趨勢，并且油介質(zhì)下微孔的深徑比明顯比去離子水介質(zhì)中的小。從流體力學的角度分析，較大的搖動半徑可以降低流場最大間隙處的速度梯度，從而降低了工作液介質(zhì)的粘性阻力，這有利于氣泡的排出。圖9 （a）是采用立式加工機床，在油中電極直徑為85μm、搖動半徑為 10μm、電壓 80V、電容 1000pF 條件下加工后的微孔，圖9（b）是加工后的工具電極。

表2 試驗加工條件

圖7 去離子水中搖動半徑對微孔深徑比的影響Fig.7 Effect of eccentric radius on aspect ratio of micro hole in deionized water

圖8 油中搖動半徑對微孔深徑比的影響Fig.8 Effect of eccentric radius on aspect ratio of micro hole in mineral oil

（2）搖動速度對微孔深徑比的影響。圖10（a）是去離子水中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑為65μm以及搖動半徑為10μm時的微孔深徑比隨搖動速度的變化；圖10（b）是去離子水中電壓為80V、電容為470pF、電極直徑為85μm以及搖動半徑為10μm時的微孔深徑比隨搖動速度的變化；圖10（c）是油中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑為105μm以及搖動半徑為10μm時的微孔深徑比隨搖動速度的變化；圖10（d）是油中電壓為80V、電容為1000pF、電極直徑為85μm以及搖動半徑為10μm時的微孔深徑比隨搖動速度的變化。從圖10（a）～（d）中可以看出，在電極直徑、電參數(shù)以及搖動半徑相同的情況下，電極的搖動速度對微孔的深徑比沒有太大的影響。從流體力學的角度分析，電極的搖動速度賦予整個流場的速度只是徑向速度，而在軸向的速度分量為零，這樣搖動速度對于加工屑和氣泡的軸向排出沒有影響。因此，電極的搖動速度對微孔的深徑比的影響可以忽略不計。

（3）加工電容對微孔深徑比的影響。圖11是去離子水中電容對微孔深徑比的影響，其加工條件是去離子水作為加工介質(zhì)、電壓80V、搖動半徑 10μm、搖動速度25μm/s。圖12是油中電容對微孔深徑比的影響，其加工條件是油作為加工介質(zhì)、電壓80V、搖動半徑為10μm以及搖動速度為 15μm/s。

從圖11和圖12中可以看出，隨著電容的增加，微孔深徑比總體呈現(xiàn)增加的趨勢。根據(jù)電火花加工的知識可知，當電容增加時，電火花單個脈沖放電的能量就增加了，這一方面提高了電火花微孔加工的能力，另一方面大的放電能量能夠將孔底聚集的加工屑進一步熔化、氣化乃至逐漸變小，從而更加有利于加工屑的排出。

圖9 加工后的微孔和電極（油中搖動半徑為10μ m）Fig.9 Micro hole and electrode after hole drilling (In oil, eccentric radius is 10μ m）

圖10 搖動速度對微孔深徑比的影響Fig.10 Effect of planetary movement speed on aspect ratio of micro hole

圖11 去離子水中電容對微孔深徑比的影響Fig.11 Effect of capacitor on aspect ratio of micro hole in deionized water

圖12 油中電容對微孔深徑比的影響Fig.12 Effect of capacitor on aspect ratio of micro hole in mineral oil

結束語

電極搖動微細電火花加工間隙內(nèi)的流場是一個非均勻場，有助于氣泡和加工屑的排出，從而可以提高孔的深徑比。本文通過電極搖動微孔加工試驗研究了電極搖動參數(shù)和電參數(shù)對微孔深徑比的影響，并從流體動力學和電火花加工理論對結果進行了分析，得到以下結論：去離子水和油兩種介質(zhì)中，微孔的深徑比隨著搖動半徑的增大而增大，大的搖動半徑更加有利于排屑；搖動速度對微孔深徑比的影響可以忽略不計，搖動速度使加工間隙內(nèi)的流場在軸向的速度分量為零，對加工屑和氣泡的排出沒有影響；電容的增加有助于提高微孔的深徑比。這些結果為實際生產(chǎn)中加工大深徑比微孔提供了參考依據(jù)。

參考文獻

[1]ALLEN D M, LECHEHEB A. Micro electro-discharge machining of inkjet nozzles:optimum selection of material and machining parameters[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1996, 58(1): 53-66.

[2]LI L， DIVER C，ATKINSON J，et al.Sequential laser and edm micro-drilling for next generation fuel injection nozzle manufacture[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2006,55(7):179-182.

[3]王世清. 深孔加工技術[M]. 西安:西北工業(yè)大學出版社, 2003.

WANG Shiqing. The machining technology of deep hole[M]. Xi’an: Northwestern Polytechnic University Press, 2003.

[4]楊立軍, 孔憲俊, 王揚, 等. 激光微孔加工技術及應用[J]. 航空制造技術，2016(19):32-38.

YANG Lijun, KONG Xianjun, WANG Yang,et al. Laser micro-holes machining technology and its application[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2016(19): 32-38.

[5]葉軍. 航空發(fā)動機零件小孔電火花加工技術的研究[C].蘇州:第14屆全國特種加工學術會議論文集, 2001.

YE Jun. Study of mini-hole drilled by EDM in aeroengine[C]. Suzhou: Proceedings of the 14 National Conference on Special Machining, 2011.

[6]何英, 朱紅鋼, 韓野. 航空發(fā)動機小孔特種加工技術[J]. 航空制造技術,2011(4):56-60.

HE Ying, ZHU Honggang, HAN Ye.Special machining technology of mini-hole in aeroengine[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(4): 56-60.

[7]朱海南,齊歆霞. 渦輪葉片氣膜孔加工技術及其發(fā)展[J]. 航空制造技術,2011(13):71-74.

ZHU Hainan, QI Xinxia. Development of machining technology gas holes on turbine blades[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(13): 71-74.

[8]MASUZAWA T, CUI X,TANIGUCHI N. Improved jet flushing for EDM[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1992, 41(1):239-242.

[9]FERRARIS E, CASTNLIONI V,CEYSSENS F, et al. EDM drilling of ultra-high aspect ratio micro holes with insulated tools[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2013,62(1): 191-194.

[10]YU Z Y, RAJURKAR K P, SHEN H. High aspect ratio and complex shaped blind micro holes by micro EDM[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2002, 51(1): 359-362.

[11]MASUZAWA T, TSUKAMOTO J, FUJINO M. Drilling of deep microholes by EDM[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1989, 38(1): 195-198.

[12]ZHAO W，WANG Z，DI S, et al.Ultrasonic and electric discharge machining to deep and small hole on titanium alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 120(1-3): 101-106.

[13]錢軍,高長水,劉正塤.工件激振式復合電火花微細孔加工[J]. 航空精密制造技術, 1997,33(5):18-20.

QIAN Jun, GAO Changshui, LIU Zhengxun.A compound machining of micro electrical discharge machining by the application of workpiece vibration[J]. Aeronautical Precision Manufacturing Technology, 1997, 33(5): 18-20.

[14]HUNG J C, LIN J K, YAN B H, et al. Using a helical micro-tool in micro-EDM combined with ultrasonic vibration for micro-hole machining[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006, 16: 2705-2713.

[15]YU Z Y，ZHANG Y，LI J，et al.High aspect ratio micro-hole drilling aided with ultrasonic vibration and planetary movement of electrode by micro-EDM[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2009, 58(1): 213-216.

[16]陳卓如. 工程流體力學[M]. 北京:高等教育出版社, 2004.

CHEN Zhuoru. Engineering fluid mechanics[M]. Beijing: Higher Education Press,2004.

[17]LI J，YIN G， WANG C，et al.Prediction of aspect ratio of a micro hole drilled by EDM[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2013, 27(1): 185-190.

[18]呂忠偉，王聰，郭美剛.電極搖動加工大深徑比微孔的數(shù)值仿真與實驗研究[C].蘇州:第14屆全國特種加工學術會議論文集，2011.

Lü Zhongwei, WANG Cong, GUO Meigang.Numerical simulation and experimental study of micro hole drilling aided with planetary movement of electrode by micro EDM[C]. Suzhou:Proceedings of the 14 National Conference on Special Machining, 2011.

[19]MASUZAWA T，F(xiàn)UJINO M，KOBAYASHI K，et al. Wire electrodischarge grinding for micro-machining[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1985, 34(1): 431-434.