羅學(xué)科，李若冰，劉建勇，李殿新，楊曉宇，寇鵬遠(yuǎn)，劉家豪，葉志杰

（北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

隨著航空、航天、軍工、汽車、芯片封裝、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，精密微小孔零部件大量涌現(xiàn)，如航天軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴面板、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)噴嘴、高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)噴孔、醫(yī)學(xué)用針和細(xì)胞過(guò)濾器、電子掩模、電子計(jì)算機(jī)打印頭等[1–2]。

目前微小孔的加工方法主要有微孔鉆削加工、電火花微孔加工、激光微孔加工、電子束微孔加工、電解微孔加工等[3–5]。飛秒激光雖然解決了傳統(tǒng)激光打孔再鑄層和微裂紋的問(wèn)題，但成孔圓度差、錐度大[6–7]。電子束微孔加工借用聚焦高速電子流在沖擊點(diǎn)上直接熔融和汽化材料，加工孔壁表面光滑細(xì)致，加工效率高、精度好，但需要真空加工環(huán)境，設(shè)備成本昂貴，不適合加工大批量微孔零件[8]。電解微小孔加工與電火花加工相似，理論上電極無(wú)損耗、加工表面質(zhì)量好、無(wú)殘留應(yīng)力與熱影響區(qū)，但在加工過(guò)程中存在雜散腐蝕、電解液不穩(wěn)定、分布不均等缺點(diǎn)[9]。當(dāng)孔的直徑在0.04 mm以上且工件材料的硬度允許，采用微型鉆頭加工是精密微小孔的理想加工方式，且成孔錐度小，表面質(zhì)量好。但是鉆削加工所使用的鉆頭直徑細(xì)小，刀具的剛度、強(qiáng)度差，再加上鉆削過(guò)程的密閉性，使得刀具極易在切削力或外力振動(dòng)的突變下折斷[10–11]，微小孔刀具的制備難度極大，加工大深徑比微小孔時(shí)可靠性低。

電火花微小孔加工技術(shù)具有非接觸式、無(wú)明顯宏觀作用力和“以柔克剛”等特點(diǎn)，是解決機(jī)械加工無(wú)法完成的精密微小孔加工的最佳方案之一[12]，但是電火花加工成孔的孔壁存在幾μm到幾十μm不等的變質(zhì)層，與基體材料相連的變質(zhì)層從內(nèi)到外分別為熱影響層和重熔層?；w材料在電火花加工的瞬間高溫和工作液冷卻雙重作用下，工件表面會(huì)發(fā)生重熔、冷凝，從而改變零件表面材料微觀結(jié)構(gòu)形成變質(zhì)層，導(dǎo)致孔壁表面凹凸不平，硬度增大，對(duì)零件的使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生不良影響。

在微小孔加工中，鉆削加工、電火花加工、激光加工和電液束加工等加工技術(shù)都存在一定的局限性[13]。使用兩種或以上的復(fù)合加工技術(shù)可以有效提高微小孔加工表面的加工質(zhì)量和效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題，開展了許多復(fù)合加工研究工作。比如Xing[14]、Sabyrov[15]和Jia[16]等將超聲振動(dòng)與電火花加工進(jìn)行復(fù)合應(yīng)用，可以在304不銹鋼上加工出深徑比約30∶1的微小孔，加工深度和加工效率都有大幅提高；在電火花加工與電解加工相結(jié)合方面，Nguyen等[17–18]利用微細(xì)電火花–電解復(fù)合加工技術(shù)在SUS304不銹鋼上加工出的微小孔比微細(xì)電火花加工表面品質(zhì)更好，但加工效率較低，難以應(yīng)用在大型實(shí)際生產(chǎn)中；杭雨森[19]提出電化學(xué)–電火花復(fù)合加工，并在原有復(fù)合加工的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了內(nèi)外雙重沖液和先正極性加工后負(fù)極性加工的工藝方法，單孔的加工效率提高了73%，未出現(xiàn)明顯裂紋，但小孔孔壁仍存在厚度7 μm的重鑄層；Xu等[20]使用電火花–電化學(xué)復(fù)合加工方法實(shí)現(xiàn)了45°斜孔的加工且表面幾乎無(wú)變質(zhì)層，錐角不明顯，但孔壁表面質(zhì)量較差。Wang等[21]研制了微銑削與電火花復(fù)合精密加工系統(tǒng)，成功制作的微細(xì)軸直徑可達(dá)30 μm，電極錐度誤差可控制在幾μm之內(nèi)，這表明傳統(tǒng)機(jī)械加工與電火花加工復(fù)合的方法可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的微小孔加工。在這方面，本團(tuán)隊(duì)開展了鉆削加工與電火花復(fù)合工藝技術(shù)的研究。

本研究在團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的電火花高速穿孔加工工藝與裝備基礎(chǔ)上，以高溫合金為主要研究材料，結(jié)合電火花加工效率高、不受材料硬度限制的特點(diǎn)和微小孔鉆削加工表面質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，以無(wú)變質(zhì)層微小孔加工為目標(biāo)，提出一種電火花–鉆削復(fù)合加工工藝。根據(jù)復(fù)合加工需求，開發(fā)出專用于微小孔加工的電火花–鉆削復(fù)合加工裝備，并在復(fù)合加工系統(tǒng)中進(jìn)行可行性試驗(yàn)，驗(yàn)證了變質(zhì)層的去除效果。

1 電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于微小孔復(fù)合加工需求開發(fā)的加工系統(tǒng)由工作臺(tái)、導(dǎo)向裝置、沖液管道、傳動(dòng)裝置、電火花加工主軸、鉆削電主軸、去離子水循環(huán)系統(tǒng)等組成。圖1所示為電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，包括電火花加工中心和鉆削加工中心；機(jī)床包含X、Y、Z、W軸4個(gè)直線軸，行程分別為600 mm、300 mm、300 mm、500 mm； 1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸R軸，轉(zhuǎn)速為90 r/min。

圖1 電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of EDM–drilling composite processing system

基于復(fù)合加工需求，將電火花主軸和鉆削加工電主軸集成到同一臺(tái)設(shè)備中，在電火花放電主軸左側(cè)固定鉆削電主軸，兩主軸共用X、Y、Z3個(gè)直線軸進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)指令和位置信息，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)對(duì)各直線軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，并向數(shù)控系統(tǒng)反饋?zhàn)鴺?biāo)位置信息。

W軸 （電極絲進(jìn)給軸）是極間狀態(tài)檢測(cè)回路的一部分，檢測(cè)信息實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和判斷，根據(jù)極間電壓、電流信號(hào)的變化，將運(yùn)動(dòng)指令傳送至各個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器傳輸運(yùn)動(dòng)指令至伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)放電過(guò)程中電極絲的進(jìn)給或回退。

1.2 電火花鉆削復(fù)合主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 所示為電火花–鉆削復(fù)合加工主軸的具體結(jié)構(gòu)，其中左側(cè)微電火花加工主軸采用三相電機(jī)和氣動(dòng)增壓泵向中心沖液出水管施加10 MPa的水壓，加工液通過(guò)中空電極絲向外噴射，實(shí)現(xiàn)快速排屑，保持極間相對(duì)絕緣的放電環(huán)境。為使放電加工過(guò)程中的排屑更加充分，沖液條件設(shè)置為中心沖液和兩側(cè)沖液相結(jié)合；電極旋轉(zhuǎn)軸R軸配合同步傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)電極絲勻速旋轉(zhuǎn)，提高小孔孔型圓度和接觸感知靈敏性；在保證進(jìn)電端接觸良好的情況下，將電極絲的另一端伸入陶瓷導(dǎo)向器中，以保證放電加工中電極的穩(wěn)定性。

圖2 電火花–鉆削復(fù)合加工主軸結(jié)構(gòu)Fig.2 Spindle structure of EDM–drilling composite machining

圖2中右側(cè)為鉆削電主軸，由伺服電機(jī)帶動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)24000 r/min；使用筒夾頭將鉆削刀具固定至旋轉(zhuǎn)電機(jī)，結(jié)合變頻器和轉(zhuǎn)速控制回路可靈活設(shè)置鉆削主軸轉(zhuǎn)速。由于電火花加工主軸和鉆削加工電主軸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，兩主軸都存在與工件干涉的風(fēng)險(xiǎn)，因此將兩主軸分別與主回路電源的同一極 （視實(shí)際加工情況而定）相連接，在協(xié)同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中若兩主軸中的任意一方與工件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，各軸立即停止運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)報(bào)警，從而避免電極和刀具的損壞。

2 電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)

2.1 電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

具有復(fù)合加工控制特點(diǎn)的數(shù)控系統(tǒng)采用全軟件控制的模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng)，具有操作便捷、兼容性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)?；?85總線的I/O擴(kuò)展模塊，極大地豐富了數(shù)控系統(tǒng)的外圍功能；隨著處理器的升級(jí)換代，CPU的數(shù)據(jù)處理能力和計(jì)算速度也得到了大幅提升，為全軟件控制的數(shù)控系統(tǒng)奠定了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，也為增加自定義功能模塊提供了實(shí)現(xiàn)條件。

課題組自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)基于Windows平臺(tái)，底層采用RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)插件實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號(hào)的實(shí)時(shí)控制。應(yīng)用層采用具有跨平臺(tái)應(yīng)用特點(diǎn)的QT編寫，使系統(tǒng)代碼具有良好可移植性。根據(jù)系統(tǒng)功能不同，軟件系統(tǒng)通過(guò)PCIE總線協(xié)議、RS485總線協(xié)議、RS422總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)與具體硬件的銜接。

復(fù)合加工裝備的軟件系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別接觸感知信號(hào)檢測(cè)電極與工件的相對(duì)位置。在復(fù)合系統(tǒng)中，接觸感知功能可以及時(shí)檢測(cè)到電極和工件之間是否發(fā)生干涉，還可以對(duì)工件位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并可以根據(jù)接觸感知信號(hào)計(jì)算糾正系統(tǒng)坐標(biāo)系誤差。在本試驗(yàn)系統(tǒng)的雙主軸結(jié)構(gòu)中，接觸感知功能是電極絲與鉆削刀具在同一位置進(jìn)行加工的基礎(chǔ)。

要實(shí)現(xiàn)無(wú)變質(zhì)層的微小孔加工，在電火花加工中需要用鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，由主切削刃將附著在孔壁上的變質(zhì)層去除。刀具的進(jìn)給速度是擴(kuò)孔的重要參數(shù)，是影響加工效率和工件表面質(zhì)量的主要因素之一，而在電火花加工過(guò)程中，機(jī)床各軸只能按照預(yù)設(shè)的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，無(wú)法滿足鉆削加工需要。本文的電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)的鉆削主軸與電火花加工主軸共用同一直線軸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，為適配鉆削加工特性，在數(shù)控系統(tǒng)中配置了專用NC指令，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的適配性調(diào)節(jié)，使這一參數(shù)更加靈活可控，為精準(zhǔn)控制鉆削加工效果提供了可行條件。圖3 所示為復(fù)合加工數(shù)控系統(tǒng)界面。

圖3 復(fù)合加工數(shù)控系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of compound machining CNC system

2.2 電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

復(fù)合加工系統(tǒng)以工業(yè)PC機(jī)為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)終端和數(shù)控功能相結(jié)合的技術(shù)路線，以終端軟件完成全部的數(shù)控功能。硬件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信息的高速存取功能、電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和放電加工控制。通過(guò)PCIE總線控制高實(shí)時(shí)性的伺服電機(jī)、電流檢測(cè)信號(hào)、電壓檢測(cè)信號(hào)。通過(guò)RS485總線控制鉆削主軸轉(zhuǎn)速和電氣系統(tǒng)的邏輯控制單元。具體硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 復(fù)合加工系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.4 Hardware system design of composite machining system

電火花加工的放電間隙極小，放電柱長(zhǎng)度在10–4～10–2cm，在電極與工件之間施加脈沖電壓后擊穿介質(zhì)，熔融甚至汽化基體材料，材料表面形成凹坑，從而去除工件表面材料。而鉆削加工過(guò)程中刀具與工件始終保持接觸，通過(guò)二者之間的宏觀切削力和位置差實(shí)現(xiàn)工件材料的去除。又因?yàn)殡娀鸹庸ぶ鬏S與工件分別為回路的正負(fù)兩極，接觸即觸發(fā)警報(bào)，所以本文基于電火花加工和鉆削加工既能同時(shí)進(jìn)行又互不干擾的需求，對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)：設(shè)計(jì)專用互斥電路，與軟件專用NC指令的配合，可以實(shí)現(xiàn)電火花加工主軸和鉆削主軸功能的自動(dòng)控制和無(wú)縫轉(zhuǎn)換。

3 微小孔復(fù)合加工工藝系列試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合電火花穿孔效率高、精度高和鉆削加工表面無(wú)變質(zhì)層的特點(diǎn)，集成1.2節(jié)中介紹的數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和復(fù)合加工主軸開發(fā)的復(fù)合加工裝備，如圖5 所示。復(fù)合加工工藝分為兩道工序：（1）在工件上精準(zhǔn)定位小孔加工位置，在該位置進(jìn)行電火花加工得到一個(gè)孔壁尚有變質(zhì)層的通孔； （2）用鉆削刀具進(jìn)行擴(kuò)孔加工，利用刀具主切削刃去除孔壁變質(zhì)層，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)變質(zhì)層小孔的加工。

圖5 微小孔復(fù)合加工裝備Fig.5 Micro-hole composite processing equipment

根據(jù)復(fù)合加工工藝，在系統(tǒng)中進(jìn)行直孔加工和斜孔加工 （圖6），兩種加工均使用中空黃銅電極絲作為電極 （電極絲內(nèi)徑0.09 mm、外徑0.22 mm），采用負(fù)極性加工，工作介質(zhì)為去離子水 （電導(dǎo)率60 μs/cm），沖液壓力為10 MPa，沖液方式采用中心沖液和側(cè)沖液相結(jié)合，鉆頭材料為硬質(zhì)合金，鉆頭直徑0.3 mm。單晶高溫合金DD90具有優(yōu)異組織穩(wěn)定性與超高溫性能的拓?fù)浞崔D(zhuǎn)組織，是航空渦輪葉片的首選加工材料[22]，本研究選擇10 cm×5 cm×2 mm的單晶高溫合金板作為直孔加工的試驗(yàn)材料，圖6（a）所示為直孔加工過(guò)程；GH4169是一種沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金，因其在高溫環(huán)境下的綜合性能良好被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的制造中[23]，本研究選擇10 cm×5 cm×1 mm的GH4169高溫合金板作為斜孔加工的試驗(yàn)材料，圖6（b）所示為斜孔加工過(guò)程，其中工件傾斜20°；表1中列出了具體加工參數(shù)。

表1 兩種加工方式參數(shù)的對(duì)比Table 1 Comparison of parameters between two processing methods

圖6 電火花加工直孔和斜孔的加工示意圖Fig.6 Processing diagram of EDM straight and oblique holes

在復(fù)合加工系統(tǒng)中進(jìn)行工藝試驗(yàn)，首先以單晶高溫合金為材料用電火花加工3個(gè)直孔，再用復(fù)合加工方法加工3個(gè)小孔進(jìn)行對(duì)比；然后以GH4169高溫合金為材料用電火花加工出一個(gè)斜孔，并復(fù)合加工一個(gè)斜孔進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。記錄加工時(shí)間、電極損耗量和孔徑作為衡量加工效果的質(zhì)量指標(biāo)，并使用顯微鏡觀察成孔表面質(zhì)量；綜合進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和表面質(zhì)量3個(gè)因素后，確定設(shè)置直孔的鉆削擴(kuò)孔時(shí)間為15 s，斜孔擴(kuò)孔時(shí)間為30 s。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2和3分別為電火花直孔加工和復(fù)合加工的具體數(shù)據(jù)。

表2 電火花直孔加工數(shù)據(jù)Table 2 Data of EDM straight hole

表3 電火花–鉆削復(fù)合直孔加工數(shù)據(jù)Table 3 Data of EDM–drilling composite straight hole

圖7（a）所示為電火花直接加工得到的成孔表面，加工表面的孔壁外圍存在二次放電所形成的凹坑和重熔物，且孔壁表面存在加工過(guò)程中熔融后又重新冷凝的重熔物質(zhì)，附著在孔壁表面形成變質(zhì)層，導(dǎo)致孔口有些許毛刺。圖7（b）為復(fù)合加工得到的成孔表面形貌，鉆削去除量將電火花加工小孔表面原有的變質(zhì)層和毛刺去除，使得孔口幾乎沒有毛刺且孔型更圓。復(fù)合加工時(shí)間可以控制在 60 s左右。

圖7 直孔復(fù)合加工小孔Fig.7 Micro-holes for straight hole composite machining

圖8 所示為電火花斜孔加工與復(fù)合加工的表面形貌對(duì)比?？梢钥闯鲭娀鸹庸さ男笨卓妆谳^為粗糙，基體材料在加工過(guò)程中重新冷凝并附著在孔壁表面，導(dǎo)致表面凹凸不平（圖8（a））；復(fù)合加工斜孔孔壁明顯光滑光亮，且表面呈現(xiàn)鉆削加工橫紋的特征（圖8（b）），說(shuō)明孔內(nèi)壁表面材料有一定的去除量，復(fù)合加工工藝具備無(wú)變質(zhì)層加工的可行性。

圖8 斜孔電火花加工與電火花–鉆削復(fù)合加工對(duì)比Fig.8 Comparison of EDM and EDM–drilling for oblique holes

將斜孔縱向剖開，對(duì)電火花加工和復(fù)合加工斜孔孔壁表面進(jìn)行金相檢測(cè)，觀察表面金屬結(jié)構(gòu)分布情況，檢測(cè)結(jié)果如圖9 所示。圖 9（a）為電火花加工斜孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，變質(zhì)層厚度為 5 μm；圖 9 （b）為復(fù)合加工斜孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，可以看出孔壁表面不存在變質(zhì)層，進(jìn)一步說(shuō)明復(fù)合加工可以有效去除電火花加工后孔內(nèi)壁的變質(zhì)層，提高被加工工件表面質(zhì)量。

圖9 電火花加工與復(fù)合加工斜孔內(nèi)壁的變質(zhì)層金相圖Fig.9 Metallographic diagram of metamorphic layer on the inner wall of EDM and composite machining oblique holes

4 結(jié)論

針對(duì)電火花加工微小孔孔壁存在變質(zhì)層的問(wèn)題，在電火花–鉆削復(fù)合加工系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合加工可行性試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論。

（1）開發(fā)了電火花–鉆削復(fù)合加工的微小孔專用數(shù)控裝備，可以實(shí)現(xiàn)電火花加工主軸與鉆削主軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)自定義功能模塊實(shí)現(xiàn)電火花加工和鉆削加工的互不干涉、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的適配性調(diào)節(jié)。

（2）提出一種電火花–鉆削加工復(fù)合加工工藝，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合加工工藝的可行性；直孔復(fù)合加工的孔徑公差范圍在 （0.315±0.003）mm。

（3）電火花–鉆削復(fù)合加工具有加工效率高、孔壁無(wú)變質(zhì)層、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)特殊材料精密微小孔加工的有效手段。