殷 振，張 鵬，于大國，沈興全，苗 情，戴晨偉，張 坤，李 華

（1. 蘇州科技大學(xué)，蘇州 215009；2. 蘇州科技大學(xué)蘇州市精密與高效加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州 215009；3.中北大學(xué)，太原 030051）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天、汽車及化工等行業(yè)對微孔的加工需求日益增加，如航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、發(fā)動機(jī)燃油噴嘴以及化纖噴絲板等，此類零件多為硬質(zhì)合金、耐熱鋼和高溫合金等高強(qiáng)度、高硬度難加工材料，使用傳統(tǒng)機(jī)械鉆削方式難以在此類零件上進(jìn)行高效高質(zhì)量微孔加工[1–2]。電火花微孔加工是一種非接觸加工技術(shù)，加工時(shí)通過在工作液（去離子水、煤油等）中進(jìn)行脈沖放電，從而實(shí)現(xiàn)工件材料的去除，理論上可以加工任意導(dǎo)電材料且不受材料屬性的影響，此外還可減少傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔中存在的顫振等問題[3–5]。電火花微孔材料去除率較低，而且成品孔的內(nèi)壁存在熔化凝固層和微裂紋等現(xiàn)象。隨著制孔深度增加，排屑以及消電離條件逐漸變差，二次放電、拉弧及短路等非正常放電現(xiàn)象趨于嚴(yán)重，難以保證微孔加工的穩(wěn)定性[6–7]。

超聲振動輔助電火花 （Ultrasonic vibration assisted electrical discharge，UVE）微孔加工是將超聲振動技術(shù)與電火花微孔加工技術(shù)相結(jié)合形成的一種特種復(fù)合加工技術(shù)。在UVE 微孔加工中，根據(jù)超聲振動作用形式不同，可分為電極振動、工件振動和工作液振動3 種振動類型（圖1），另外通過改變工具電極形狀[8]、電極進(jìn)給方向[9]和工作液類型[10]等，又演化出多種UVE 微孔加工的工藝方法。超聲振動可在工作液中產(chǎn)生空化效應(yīng)，高壓空化氣泡破裂時(shí)有助于推動碎屑從加工區(qū)域排出，有效改善電火花微孔加工中的排屑和消電離問題，非正常放電現(xiàn)象也有所減少，從而實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的電火花微孔加工[11]。

圖1 UVE 微孔加工中3 種振動方式Fig.1 Three vibration modes in UVE micro-holes processing

針對UVE 微孔加工技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，對其加工機(jī)理和工藝方法進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩的科研成果。下文分別對電極振動、工件振動和工作液振動3 種振動形式的UVE 微孔加工的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)與分析。

1 超聲振動對電火花微孔加工的影響

在傳統(tǒng)電火花加工時(shí)，兩極間距離達(dá)到一定值時(shí)會在工作液中形成脈沖擊穿放電，放電瞬間會產(chǎn)生大量的熱能，達(dá)到蝕除工件材料的目的，并且被蝕除的工件材料 （碎屑）會以類球體 （碎屑直徑φ=100nm 左右）的形式存在于加工區(qū)域[8]。電火花放電過程中存在電場力、磁場力、熱應(yīng)力和爆炸力，使碎屑和部分工作液從加工區(qū)域排出，脈沖放電結(jié)束后，外部工作液重新進(jìn)入加工區(qū)域并完成消電離，等待下次脈沖擊穿放電[12–13]。隨著孔徑減小和制孔深度增加，傳統(tǒng)電火花微孔加工技術(shù)已經(jīng)不能滿足排屑以及消電離條件，同時(shí)非正常放電現(xiàn)象也趨于嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的微孔加工。

在UVE 微孔加工中，超聲振動對電火花微孔加工的影響主要有以下4 點(diǎn)：

（1）當(dāng)超聲振動作用于電極或工件，并且超聲振幅處于合適范圍值之間時(shí)，電極端面或微孔底面將以兩倍超聲頻率往復(fù)穿越放電概率分布區(qū)，極大地提高了電火花的有效放電概率，從而提高了材料去除率；

（2）在UVE 微孔加工中，超聲振動在工作液中產(chǎn)生的高頻壓力波增加了碎屑的碰撞概率，會使放電通道出現(xiàn)振蕩，引起放電通道發(fā)生偏移，有效避免了集中放電現(xiàn)象，有助于提高制孔質(zhì)量[14]；

（3）超聲振動的作用可以使工作液中形成高頻交變的壓力波，有助于碎屑從加工區(qū)域拋出并把外部工作液重新充入加工區(qū)域，減少非正常放電現(xiàn)象，提高加工過程穩(wěn)定性，此外高頻壓力波還可以迫使碎屑對內(nèi)孔孔壁進(jìn)行沖擊，提高孔壁的表面質(zhì)量[15]；

（4）超聲振動可在工作液中產(chǎn)生空化氣泡，空化氣泡破裂時(shí)會產(chǎn)生高溫高壓，高溫作用使已凝固的碎屑重新熔融，可以改善碎屑黏附在電極表面或微孔孔壁的現(xiàn)象，高壓作用把部分碎屑以及工作液拋出氣泡爆炸區(qū)，有利于排屑和消電離[16–17]。

傳統(tǒng)電火花微孔加工面臨的主要問題是材料去除率較低、電極損耗較大以及孔壁質(zhì)量較差，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。在UVE 微孔加工中，超聲振動在工作液中產(chǎn)生的空化氣泡和高頻交變的壓力波有助于排屑和消電離，減少非正常放電現(xiàn)象，提高材料去除率和孔壁質(zhì)量，以及降低電極損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的電火花微孔加工[18]。

2 UVE 微孔加工的研究進(jìn)展

2.1 電極振動

在電極振動的UVE 微孔加工中，電極通常通過夾頭裝夾在變幅桿的前端，其振動形式有多種，常見的振動形式有平行于電極進(jìn)給方向的軸向振動、縱扭振動以及垂直于電極進(jìn)給方向的橢圓振動。

Xing 等[19]認(rèn)為超聲振幅越大振蕩作用越強(qiáng)烈，不僅可以提高帶電粒子的碰撞概率，而且能增加放電點(diǎn)的分散程度，有效避免了放電集中問題，試驗(yàn)表明，超聲振幅增加可減少孔內(nèi)壁熔化凝固層厚度并提高孔的圓度，超聲振幅從0 增加至6μm，材料去除率提高了2.4 倍，電極損耗率降低了65.8%，錐度和過切角分別降低了73%和32%。

為提高UVE 微孔加工的排屑能力，一些學(xué)者采用電極倒置或電極水平的方式進(jìn)行微孔加工。房長興[20]和賈寶賢[21]采用倒置式UVE 微孔加工的方式（圖2），碎屑可依靠超聲振動和自重的雙重作用從加工區(qū)域排出，采用上述方法，成功在304 不銹鋼工件上實(shí)現(xiàn)直徑φ0.1mm、深徑比約30 的微孔加工。

圖2 倒置式UVE 微孔加工[21–22]Fig.2 Inverted UVE micro-holes processing[21–22]

隨著孔深增加，放電間隙內(nèi)工作液的黏性阻力增加，導(dǎo)致碎屑和氣泡聚集在孔底部難以排出，降低了材料去除率。為了改善這一現(xiàn)象，Yu 等[9]在采用電極水平進(jìn)給方式的基礎(chǔ)上，對電極施加軸向超聲振動并且使其進(jìn)行15μm 的偏心轉(zhuǎn)動。電極偏心轉(zhuǎn)動可以提供一種非均勻側(cè)面間隙，有效減低了工作液的黏性阻力，促進(jìn)碎屑排出，采用上述方法實(shí)現(xiàn)了直徑φ102μm、深徑比達(dá)29 的微孔加工。電極水平進(jìn)給加工時(shí)，由于重力作用其端部會向下彎曲，導(dǎo)致孔的同軸度較差[22]。

天津大學(xué)的倪浩[23–24]等為提高電火花微孔加工的排屑能力，采用內(nèi)沖液的微孔加工方式，在中空電極旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對其施加26kHz 的軸向超聲振動。對比了4 種微孔加工方式（圖3），發(fā)現(xiàn)采用小電流（1A）加工時(shí)，相比僅使用內(nèi)沖液方式的微孔加工方式，電極振動和內(nèi)沖液相結(jié)合的加工方式下材料去除率提高了近30%；采用大電流（12A）加工時(shí)，電極振動對電火花微孔加工性能的影響不大。中空電極的內(nèi)孔直徑通常只有電極外徑1/10，當(dāng)電極直徑過小時(shí)，中空電極的制作工藝難度將極大地提高，因此這種工藝方法很難適用直徑<φ0.05mm 以下微孔加工。

圖3 4 種微孔加工方式[23–24]Fig.3 Four micro-holes processing methods[23–24]

一些學(xué)者對其他類型的電極振動方式進(jìn)行了嘗試，Li 等[25]將兩臺縱向振動的超聲波換能器呈90°夾角安裝，通過控制兩臺超聲波換能器的振幅和相位角，可使電極沿著半徑為3μm 的圓形軌跡進(jìn)行周期性振動（圖4）。相較于電極定軸轉(zhuǎn)動的方式，電極橢圓振動可以提高Z方向（電極軸向）流場的速度分量，排屑量也提高近1 倍[25]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用電極橢圓振動的方式其材料去除率提高了45%，微孔入口和出口一致性分別提高了22%和28%，微孔入口和出口毛刺和邊緣破損現(xiàn)象也均有所降低。

圖4 電極橢圓振動微孔加工[25]Fig.4 Electrode elliptical vibration in microholes processing[25]

唐祥龍等[26]將縱扭超聲振動技術(shù)與電火花微孔加工技術(shù)結(jié)合，通過在超聲變幅桿上開設(shè)斜槽結(jié)構(gòu)，將縱向超聲振動轉(zhuǎn)化為縱扭超聲振動（圖5），試驗(yàn)結(jié)果表明，電極縱扭振動可以有效減少微孔出入口周圍的毛刺和堆疊物。

圖5 縱扭振動換能器[26]Fig.5 Vertical-twist vibration transducer[26]

一些學(xué)者建立了UVE 微孔加工的數(shù)學(xué)模型，用于分析電極振動對微孔加工的影響。碎屑在側(cè)面間隙積累過多會導(dǎo)致側(cè)面間隙寬度δ增加，電極振幅Z會影響側(cè)面間隙寬度δ的變化規(guī)律 （圖6[27]），為此Huang 等[27]對電極施加40kHz 軸向超聲振動，建立了電極振動時(shí)工作液和碎屑運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型。隨著超聲振幅Z的增加，工作液中的“沖洗作用”明顯提高，有效改善了排屑條件。增加超聲振幅會加劇電極端部水平擺動的幅度，導(dǎo)致側(cè)面放電現(xiàn)象和側(cè)面間隙增加，以致孔的形狀精度降低，因此需要合理選取超聲振幅數(shù)值。

圖6 側(cè)面間隙變化過程[27]Fig.6 Lateral gap change process[27]

Zhao 等[28]為了實(shí)現(xiàn)大深徑比小錐度的微孔加工，對電極施加軸向超聲振動并對其進(jìn)行“削邊”處理（圖7），并建立了UVE 微孔加工中工作液壓力分布數(shù)學(xué)模型。相較于普通圓柱電極，“削邊”電極可增加50%的容屑空間。雖然“削邊”電極可提高排屑能力，但是會降低電極剛度，此外“削邊”電極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)其棱角處會受到強(qiáng)烈的流體沖擊，使電極產(chǎn)生不必要的擺動。

圖7 削邊電極截面[28]Fig.7 Section view of single-notch electrode[28]

直接觀測微孔加工過程中碎屑排出的過程是較困難的，因此一些學(xué)者使用數(shù)值仿真的手段對UVE 微孔加工過程進(jìn)行模擬仿真。Liu 等[29]建立了UVE 微孔加工時(shí)其間隙流場分布的數(shù)學(xué)模型（圖8），電極運(yùn)動速度VT增加可提高流體流度VC，即增加超聲振幅可提高排屑效率，利用Fluent 軟件模擬了UVE 微孔加工的流場速度分布、壓力分布以及在不同超聲振動頻率和振幅下的碎屑排出過程。馬靖[30]在UVE 微孔加工中也進(jìn)行了間隙流場的有限元仿真，在不同超聲振幅下分析了間隙流場的速度以及壓力分布規(guī)律，仿真結(jié)果顯示，隨著超聲振幅的增加，微孔底部區(qū)域的流速和壓力均相應(yīng)增加，有利于碎屑從加工區(qū)域排出。

圖8 極間間隙的流場分布模型[29]Fig.8 Flow field model of inter-electrode gap[29]

在超聲振動輔助陣列電極微孔加工中，陣列中心孔的直徑通常略大于外圍孔的直徑，導(dǎo)致陣列孔的一致性較差。為解釋該現(xiàn)象，Zhang[31]和解寶成[32]等利用Fluent 軟件分別對3×3、5×5、10×10 的陣列微孔加工進(jìn)行了流場仿真（圖9），位于陣列電極中心部位的電極在向下振動時(shí)擠壓該工作區(qū)域的工作液，迫使其向外圍孔的方向運(yùn)動，導(dǎo)致陣列中心孔的流體速度小于陣列外圍孔的流體速度，陣列孔數(shù)量越多，這種差異化越明顯，因此陣列中心孔的碎屑更容易產(chǎn)生堆積，放電可能性被極大地提高，進(jìn)而導(dǎo)致陣列中心孔的孔徑過大。

圖9 陣列微孔流場矢量圖[31–32]Fig.9 Vector diagram of array micro-holes flow field vector[31–32]

電火花加工微小異形孔，例如三角形異形孔或T 形異形孔 （圖10）時(shí)，工具電極難以在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行放電加工，進(jìn)一步提高了微小異形孔的加工難度。于濱等[33]針對上述問題開展了UVE 異形孔加工技術(shù)研究。狄士春等[34]首次提出了異形孔的“等效放電面積”這一概念，試驗(yàn)表明電極振動可使微小異形孔的材料去除率和加工精度大幅度提高。

圖10 典型異形孔Fig.10 Typical shaped holes

采用電極振動的UVE 微孔加工方式，針對如何提高材料去除率和孔形狀精度、降低電極損耗等問題，研究人員通過改變電極形狀、電極運(yùn)動狀態(tài)和數(shù)值仿真等手段進(jìn)行了大量工作，獲得了豐碩的研究成果。電極振動時(shí)可提高電火花的有效放電概率，此外電極振動在加工區(qū)域產(chǎn)生的空化效應(yīng)有利于排屑以及消電離，從而改善電火花微孔的加工條件，其主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）在普通電火花微孔加工時(shí)，當(dāng)電極端面進(jìn)入放電概率分布區(qū)內(nèi)才有可能形成有效擊穿放電，由于放電概率分布區(qū)很窄 （通常只有10～15μm），因此經(jīng)短暫的擊穿放電后電極端面繼續(xù)進(jìn)給進(jìn)入短路概率分布區(qū)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，主軸急速上升，電極端面極易退回空載概率區(qū)，伺服系統(tǒng)又將控制主軸重新向下進(jìn)給以保證電極端面重新進(jìn)入放電概率間隙區(qū)，如此往復(fù)。在電極振動的UVE 微孔加工中，若電極振幅大于放電概率分布區(qū)的寬度，則電極端面將以兩倍超聲頻率往復(fù)穿越放電概率分布區(qū)，這極大地提高了有效擊穿放電概率，從而提高了材料去除率[19，35–36]。

（2）在超聲振動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，使用細(xì)長桿作為超聲換能器負(fù)載，且當(dāng)細(xì)長桿截面積與變幅桿前端面積比值小于0.1 時(shí)，細(xì)長桿會獨(dú)立于超聲換能器進(jìn)行單獨(dú)共振，呈現(xiàn)出一端固定一端自由的細(xì)桿振動狀態(tài)，即局部共振現(xiàn)象[23–24，37]。在電極振動的UVE 微孔加工系統(tǒng)中，電極的直徑較小，長度較長，滿足局部共振條件，當(dāng)電極發(fā)生損耗且其長度發(fā)生變化時(shí)，由于局部共振現(xiàn)象的存在，其共振頻率和振動模態(tài)變化很小，另外由于超聲波發(fā)生器具有自動頻率跟蹤功能，可以保證電極振動的UVE 微孔加工系統(tǒng)穩(wěn)定工作在諧振狀態(tài)，進(jìn)而在保證孔加工質(zhì)量的同時(shí)提高孔材料去除率。

（3）電極材料通常為銅、鎢等金屬材料，相較于液體而言，固體作為傳遞超聲振動能量的介質(zhì)其效果更優(yōu)異，因此在電極振動的UVE 微孔加工中，超聲振動能量可以更有效地傳遞到加工區(qū)域[38]。由于電極端部始終位于加工區(qū)域，因此隨著孔深增加，由電極傳遞到加工區(qū)域的超聲振動能量損失也較小。此外，電極振動時(shí)，在微孔底部會形成泵吸現(xiàn)象，對加工區(qū)域的介質(zhì)進(jìn)行抽吸和壓縮，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的湍流和空化作用，泵吸現(xiàn)象有利于碎屑排出以及吸入外部工作液，從而改善放電條件，提高加工穩(wěn)定性[29–32]。

但是，電極振動的UVE 微孔加工也存在一定的不足。

（1）電極的長度通常遠(yuǎn)大于其直徑，當(dāng)電極承受過大的軸向振動時(shí)會引起電極發(fā)生撓曲變形，電極端部出現(xiàn)水平擺動現(xiàn)象[19]。當(dāng)擺動過大時(shí)易導(dǎo)致側(cè)面放電現(xiàn)象增加，難以保證微孔的徑向加工精度，因此電極振動時(shí)電極端部的振幅不易過大[27，39]。

（2）在電極振動的UVE 微孔加工中，電極通過夾頭裝夾在變幅桿前段，變幅桿和超聲換能器連接，整個(gè)超聲換能器安裝在旋轉(zhuǎn)主軸內(nèi)，從旋轉(zhuǎn)主軸到電極之間的尺寸鏈較長，增加了電極與旋轉(zhuǎn)主軸之間的累積誤差，影響了電極軸線和旋轉(zhuǎn)主軸的同軸度，從而會影響制孔精度。

2.2 工件振動

在電極振動的UVE 微孔加工研究中，超聲振幅過大時(shí)易導(dǎo)致電極出現(xiàn)“失穩(wěn)”，但是選用過小的超聲振幅在一定能程度上會降低材料去除率[14]，因此一些研究人員進(jìn)行了工件振動的UVE 微孔加工研究。工件通常通過連接板、螺釘或金屬膠固定或黏附在變幅桿的前端，工件振動方向大多與電極的軸向平行。

針對傳統(tǒng)電火花加工微孔中存在孔的形狀精度以及孔壁質(zhì)量較差等問題，董樹亮等[40]對工件施加振幅2μm 的超聲振動，振動方向平行于電極軸向，試驗(yàn)結(jié)果表明，工件振動可以減少放電過程中的電弧放電現(xiàn)象，有效降低了電弧放電對內(nèi)孔孔壁的損傷。

為了提高微孔的形狀精度，Egashira等[41]輔以工件頻率40kHz、振幅0.4μm 的軸向超聲振動，并采用超小放電能量進(jìn)行UVE 微孔加工，所得成品孔的內(nèi)壁沒有觀察到放電凹坑以及電火花加工的典型特征；隨后又在其研究中完成了直徑φ1μm 電極的制備，相同條件下，成功在黃銅材料上實(shí)現(xiàn)直徑φ2μm，深5μm 的微孔加工[42]。

Das 等[43]對304 不銹鋼工件施加平行于電極軸向的超聲振動，分析了電火花電源的脈沖寬度和間隙電壓對微孔的熔化凝固層和顯微硬度等表面質(zhì)量的影響，并對微孔的表面完整性進(jìn)行了評估。試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖寬度和間隙電壓增加均導(dǎo)致熔化凝固層和顯微硬度增加，采用UVE 加工方式的微孔熔化凝固層厚度約為6～20μm，顯微硬度約為146HV～188HV。

Hung 等[10]設(shè)計(jì)了一種階梯螺旋槽電極，對高鎳合金工件施加30kHz 的軸向超聲振動，并在工作液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的SiC 磨料 （圖11），其中階梯螺旋槽電極的A段用于微孔加工，B段用于微孔內(nèi)壁的磨削精加工，采用直徑變化20μm 的階梯螺旋槽電極（A段電極直徑φ100μm，B段電極直徑φ120μm）進(jìn)行UVE 微孔加工，孔壁粗糙度Rmax從精加工前的1.345μm 降低至0.58μm。

圖11 微孔加工示意圖[10]Fig.11 Schematic diagram of micro-holes processing[10]

Singh 等[44–45]對TC4 工件和高溫合金施加25kHz 的軸向超聲振動，試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)電火花微孔加工，采用UVE 微孔加工時(shí)其材料去除率提高了35%～40%，電極損耗率和錐度均降低了30%左右，微孔出入口也沒有出現(xiàn)明顯的火山口現(xiàn)象。

針對加工大深徑比微孔時(shí)其排屑條件較差等問題，任麗娟[46]采用一種變參數(shù)螺旋槽電極進(jìn)行UVE 微孔加工的研究，相比圓柱電極，采用變參數(shù)螺旋槽電極進(jìn)行UVE 微孔加工時(shí)，孔底部流體的壓力和速度值更高，且壓差更明顯，可以更有效地促進(jìn)碎屑從加工區(qū)域排出，因此采用變參數(shù)螺旋槽電極加工微孔的效率更高，但是電極損耗增大。

為提高微孔加工中的排屑效率，張余升等[47]采用電極偏心轉(zhuǎn)動（偏心半徑15μm）和工件振動相結(jié)合的工藝方法，電極偏心轉(zhuǎn)動可使碎屑和氣泡更容易從加工區(qū)域排出，采用上述方法在臥式電火花穿孔機(jī)上對3.5mm 厚的不銹鋼板進(jìn)行微孔加工，實(shí)現(xiàn)了直徑φ120μm、深徑比達(dá)29 的通孔加工。

張振宇[48]為實(shí)現(xiàn)大深徑比的微孔加工，利用反拷技術(shù)（圖12）成功研制了直徑φ27μm、長度590μm 的微電極，對工件施加頻率32983Hz 的超聲振動，實(shí)現(xiàn)了直徑φ32μm 深徑比達(dá)16.6 的微孔加工，電極損耗率為10.3%。

圖12 反拷法加工微電極[48]Fig.12 Fabricating micro electrode by reverse copy method[48]

合適的加工參數(shù)在微孔加工過程中起著至關(guān)重要的作用。Gao 等[49]選擇對304 不銹鋼和黃銅材料施加頻率為20kHz 的超聲振動，振動方向平行于電極軸向，試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲激勵(lì)電壓越高，材料去除率越高。Sundaram 等[16]采用田口法對材料去除率和電極損耗進(jìn)行優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)超聲電源功率和加工電容對材料去除率影響最大，加工時(shí)間對電極損耗影響最大。

汪紅兵等[50–51]采用UVE 微孔加工技術(shù)對模具鋼材料進(jìn)行微孔加工，將工件固定在變幅桿前端（圖13），試驗(yàn)表明，脈沖電流對材料去除率的影響最顯著，其次是脈沖間隔、脈沖寬度和激勵(lì)電壓，并成功加工出直徑φ0.5mm、深徑比達(dá)67 的微孔。

圖13 工件振動的換能器模型[50–51]Fig.13 Transducer model of workpiece vibration[50–51]

朱波等[52]分析了UVE 微孔加工中超聲振幅、加工孔徑以及電火花脈沖頻率等因素對微孔加工的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，加工不同孔徑的微孔，超聲功率和超聲頻率都存在一個(gè)最佳值，并且電火花電源頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于工件振動的頻率。

在工件振動的UVE 微孔加工中，為進(jìn)一步改善材料去除率、電極損耗、孔形狀精度以及表面質(zhì)量等方面的問題，研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，并采取了一些新型工藝方法，如改變電極形狀、在工作液中添加磨料等，用于改善工作液流動特性，增加排屑空間和放電間隙。相比傳統(tǒng)電火花微孔加工，工件振動時(shí)可提高放電間隙內(nèi)工作液的流動特性，保證碎屑可有效排出加工區(qū)域，外部工作液進(jìn)入加工區(qū)域，從而提高電火花微孔的加工性能。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）工件振動時(shí)超聲振動系統(tǒng)通常安裝在加工平臺上，且超聲振動系統(tǒng)不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此只需保證工件的待加工平面和加工平臺平行即可，可有效減少微孔加工過程中的加工誤差，有利于保證孔的同軸度以及減少孔的錐度[10]；

（2）在工件振動的UVE 微孔加工中，超聲振動裝置可以以較大功率輸出且不必考慮電極結(jié)構(gòu)破壞等問題，增強(qiáng)了工作液中的空化效應(yīng)和流體的湍流強(qiáng)度，改善了電解液循環(huán)以及碎屑運(yùn)動條件，從而提高材料去除率以及孔壁質(zhì)量[38，42–44，53]。

但是工件振動的UVE 微孔加工方式，也存在一定的缺點(diǎn)：

（1）工件通常作為負(fù)載安裝在超聲振動系統(tǒng)的變幅桿上，工件與超聲振動系統(tǒng)作為整體進(jìn)行諧振，若批量工件的質(zhì)量或尺寸變化較大，或單個(gè)工件尺寸較大時(shí)，整個(gè)超聲振動系統(tǒng)的諧振條件容易會被破壞，導(dǎo)致超聲換能器無法諧振工作，因此工件振動的UVE 微孔加工方式不適用于批量工件中質(zhì)量或尺寸變化較大，或單個(gè)工件尺寸較大的情況[54]；

（2）為了保證整個(gè)系統(tǒng)的諧振，需要將工件和變幅桿可靠連接，否則會影響超聲振動系統(tǒng)的諧振工作，并且連接處會因超聲振動能量損失而產(chǎn)生熱能，容易對超聲換能器造成損傷[55]。因此通常將工件通過螺釘、連接板、金屬膠或?qū)Ｓ脢A具固定在變幅桿前端，上述幾種裝夾方式都較為煩瑣，增加制孔的輔助時(shí)間，影響制孔的效率。

2.3 工作液振動

UVE 微孔加工的放電間隙很?。s10μm 左右）且不斷變化，電極和工件振動時(shí)若振幅大于放電間隙的寬度，易發(fā)生短路現(xiàn)象，不但會降低孔壁質(zhì)量，而且會急劇增加電極損耗率[56]，采用工作液振動的UVE 微孔加工方式可有效避免上述問題。超聲振動通過特殊形狀的超聲振動裝置施加在工作液中，工作液振動的UVE 微孔加工方式更容易在極間間隙的工作液中形成空化效應(yīng)和泵吸效應(yīng)，有助于排屑和消電離，進(jìn)而提高微孔的加工性能[57]。

Schubert 等[57]在其研究中對電極振動、工件振動和工作液振動3 種類型的UVE 微孔加工方式進(jìn)行對比。電極或工件振動時(shí)，對微孔加工過程的影響可歸結(jié)為兩點(diǎn)： （1）改變放電間隙的變化規(guī)律，提高電火花的有效放電概率； （2）改善工作液的運(yùn)動條件，促進(jìn)排屑和消電離。工作液振動時(shí)，雖然無法提高有效放電概率，但是在距離超聲振動裝置較近的區(qū)域內(nèi)可以形成高密度、高強(qiáng)度的空化氣泡，有利于提高工作液的流動條件，進(jìn)一步提高排屑條件。

加工碎屑堆積導(dǎo)致電極與孔內(nèi)壁之間發(fā)生二次放電（圖14）是微孔存在錐度的主要原因，加工時(shí)間越長錐度現(xiàn)象越明顯。Kim 等[58]為了改善微孔錐度問題，對工作液施加40kHz 的超聲振動，采用一種變電容式的UVE 微孔加工方式，在接近孔出口處增大電容可以增加材料去除率，對工件施加超聲振動可以促進(jìn)碎屑從加工區(qū)域排出，二者同時(shí)作用可減小微孔錐度。微孔加工時(shí)增大加工電容將導(dǎo)致放電間隙變大，因此上述微孔加工的工藝方法會導(dǎo)致加工孔徑偏大[59]。

圖14 孔錐度形成示意圖Fig.14 Schematic diagram of holes taper formation

Ichikawa 等[60]為提高微孔加工的材料去除率和制孔深度，對工作液施加頻率43kHz 的超聲振動 （圖15），試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于僅電極旋轉(zhuǎn)的加工方式，采用工作液振動和電極旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的加工方式的材料去除率提高了33 倍，但是對工作液施加超聲振動時(shí)，超聲振幅增加對電火花微孔加工性能的影響不大；之后，又進(jìn)行了超小放電能量 （開路電壓16V）的UVE 微孔加工，在開路電壓16V 的條件下成功制備了直徑φ40μm、孔深接近50μm 的微孔。該形狀變幅桿在實(shí)際應(yīng)用中其前端會形成橢圓振動軌跡，造成流體的切向（圖15 中的X軸方向）往復(fù)流動，導(dǎo)致電極出現(xiàn)水平擺動，影響加工穩(wěn)定性[61]。

圖15 工作液振動裝置示意圖[60]Fig.15 Schematic diagram of dielectric vibration device[60]

Park 等[62]對工作液施加超聲振動，并采用側(cè)面涂有搪瓷材料絕緣膜的電極對304 不銹鋼進(jìn)行電火花微孔加工，對電極進(jìn)行側(cè)面絕緣處理，可以抑制側(cè)面二次放電的產(chǎn)生，提高加工穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)電火花微孔加工方式，采用上述方法進(jìn)行微孔加工時(shí)，其放電間隙和加工時(shí)間分別減小了62%和82%。

Liew 等[63]采用一種探針式超聲振動裝置對工作液施加頻率20kHz 的超聲振動，同時(shí)在工作液中添加碳納米纖維顆粒用以減少工作液的絕緣強(qiáng)度（圖16），增大電火花放電間隙，提高RB–SiC 材料的電火花加工性能[64]。當(dāng)工作液中碳納米纖維顆粒濃度為0.06g/L 時(shí)，相較于普通電火花微孔加工，采用上述工藝方法，其材料去除率和制孔深度提高了5～7 倍，微孔的表面粗糙度可達(dá)Ra0.2μm。

圖16 工作液振動微孔加工模型[63]Fig.16 Micro-holes machining model for dielectric vibration[63]

為改善電火花微孔的加工性能，一些學(xué)者對工作液振動的UVE微孔加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上通過改變振動方向、添加磨料和增加電極涂層等方法，進(jìn)一步提高制孔時(shí)的材料去除率、孔壁質(zhì)量，以及降低電極損耗。相比傳統(tǒng)電火花微孔加工，采用工作液振動的UVE 微孔加工方式，可改善放電間隙內(nèi)工作液的流動條件，促進(jìn)排屑和消電離，從而實(shí)現(xiàn)高效高精度的UVE 微孔加工。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用工作液振動形式時(shí)其超聲振動裝置大多套設(shè)在導(dǎo)向器或電極外圍，或直接對加工區(qū)域進(jìn)行超聲振動沖擊，不需要改變機(jī)床的結(jié)構(gòu)，超聲振動裝置的安裝比較靈活。此外，電極或工件與超聲振動裝置之間不存在直接物理接觸，因此，采用工作液振動形式時(shí)，不需要考慮電極或工件與超聲振動裝置之間的相對安裝精度，有利于提高制孔精度。

（2）在混粉電火花微孔加工中，粉末顆粒可以增大放電間隙，有利于碎屑排出，但是粉末顆粒容易產(chǎn)生堆積從而造成粉末分布不均勻，導(dǎo)致加工穩(wěn)定性變差。工作液振動的加工方式更適用于混粉電火花微孔加工，工作液振動時(shí)可保證粉末顆粒在工作液中保持懸浮狀態(tài)且分布均勻，有效防止粉末堆積，改善放電條件，避免非正常放電現(xiàn)象問題，從而提高UVE 微孔的加工性能[63，65–66]。

但是，在UVE 微孔加工中采用工作液振動形式也存在一定的不足：

（1）工作液振動時(shí)超聲振動裝置通常設(shè)置在孔入口上方2～3mm處，相比固體介質(zhì)，液體作為傳播介質(zhì)對超聲振動能量的傳遞能力較弱，因此在加工大深徑比微孔時(shí)，難以將超聲振動能量有效傳遞到微孔深處的放電加工區(qū)域，達(dá)不到良好的輔助效果。隨著孔深增加，工作液振動方式對于改善工作液流動的條件，以及提高排屑和消電離效率的能力有限，難以提高大深徑比微孔的材料去除率和制孔質(zhì)量。

（2）工作液振動的UVE 微孔加工中，由于超聲振動裝置結(jié)構(gòu)的限制，電極通常需要穿過振動片 （厚度約1～2mm），增加了電極的自由懸伸長度，從而降低電極剛性，易引起電極出現(xiàn)顫動，導(dǎo)致非正常放電現(xiàn)象發(fā)生，這種情況不僅會影響微孔加工的穩(wěn)定性，還會降低孔壁質(zhì)量[19，67]。

（3）對工作液施加超聲振動時(shí)，若超聲振動方向與電極進(jìn)給方向不同軸，電極側(cè)面會受到工作液的周期性激勵(lì)，當(dāng)此周期性激勵(lì)的頻率接近電極的固有頻率時(shí)，易導(dǎo)致電極發(fā)生共振運(yùn)動，此時(shí)電極的水平擺動幅度達(dá)到最大值，電極共振會影響微孔加工的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致加工停止[57]。在工作液振動的UVE 微孔加工中，超聲波換能器的工作頻率應(yīng)盡量避開電極的共振頻率范圍。

3 結(jié)論

相比傳統(tǒng)電火花加工技術(shù)，UVE加工技術(shù)在微孔加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可有效提高成品孔的材料去除率及制孔質(zhì)量。對電極振動、工件振動和工作液振動3 種振動類型的UVE 微孔加工技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納與總結(jié)，并分析了3 種振動類型的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍。在航空航天領(lǐng)域，隨著微孔加工向著高效高精密的方向發(fā)展，UVE 微孔加工技術(shù)仍存在一些問題值得研究和探討。

（1）UVE 微孔加工的研究中，超聲振動對電火花微孔加工的優(yōu)勢往往是通過加工效率或孔壁質(zhì)量的變化來體現(xiàn)的，超聲振動對電火花微孔加工作用機(jī)理的研究還不夠深入，并且根據(jù)超聲振動作用形式不同，其作用機(jī)理也不盡相同，因此深化超聲振動對電火花微孔加工的作用機(jī)理研究具有重要的研究意義。

（2）在UVE 微孔加工中，微孔內(nèi)壁受交變溫度影響會形成表面和亞表面損傷以及微裂紋，這些表面缺陷在交變應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)張或是疲勞斷裂源。因此，如何改變或降低這種表面缺陷的產(chǎn)生，降低熔化凝固層厚度，使微孔內(nèi)壁表面接近金屬原相，提高孔壁的抗疲勞強(qiáng)度和表面質(zhì)量是應(yīng)關(guān)注的問題之一。

（3）UVE 微孔加工中超聲振動主要起到促進(jìn)排屑和消電離的輔助作用，幾乎沒有提供實(shí)質(zhì)性的材料去除作用，因此如何提高UVE 微孔加工中超聲振動能量，實(shí)現(xiàn)超聲振動“輔助”電火花加工向超聲振動“復(fù)合”電火花加工的轉(zhuǎn)換，應(yīng)是未來需要關(guān)注的問題之一。

（4）目前UVE 微孔加工系統(tǒng)還停留在附件化階段，不利于超聲振動系統(tǒng)與電火花系統(tǒng)的集成優(yōu)化，因此研制超聲振動系統(tǒng)與電火花系統(tǒng)復(fù)合集成控制的微孔加工平臺，對實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的微孔加工具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。