精密小深盲孔的电火花成型加工的研究

王志春

(桂林航天电子有限公司，桂林，541002)

1 引言

随着硬材料的铣削技术的应用以及3D打印技术的发展，精密电火花成型加工技术的应用范围逐渐收窄，因此，高精度且细微的加工更应成为其主要研究方向。用电火花加工小孔在难切削金属材料中，它在精度和深径比等方面有一定的优势，而小孔通常指的是在￠0.3至￠3mm范围的孔，深孔是指深径比大于20︰1的孔，用普通电火花机床加工小孔其深径比通常小于20︰1，而随着加工深度增加，其加工速度急剧下降，加工条件迅速恶化，以至于难以加工到预定深度[1]本文将结合实践来论述如何实现深径比达25︰1的精密小深盲孔加工，并将成果运用到生产工作中。

2 存在的问题

高速小孔机虽然能实现小孔的加工，但加工后的孔壁直径大小不均匀且粗糙，无法实现放电规准随平动量的增加而逐渐变小的精加工，所以常用于孔的贯穿粗加工。电火花成型机加工深小孔的主要困难是：随着加工深度的增加，导致加工稳定性变差，而且加工速度迅速下降，甚至于不能继续加工下去。此时，大量被蚀除的金属颗粒因沉积在孔的底部，不易排出[1]。它造成二次放电后给加工带来不稳定，未达加工深度而加工条件已经迅速恶化，使向下伺服进给终止，同样在电流的作用下，排屑物与电极粘连在一起，形成积屑瘤，增大了电极的尺寸，造成有害的电弧放电而烧坏工件。原来的电极已经无法满足加工要求。

3 解决方案

要解决这个问题必须从改进电极和电极的装夹方式入手，再到加工的关键点：如何使蚀除物和热量顺利排出？解决了这个核心问题后就能轻松实现对盲孔的精加工。

3.1 电极的解决方案

3.1.1 电极制造精度方面

改进前：通过车削和磨削的方法制造￠0.8mm，长25mm的纯铜电极，由于材料的强度和刚性的原因，会使电极工作部分产生较大的锥度、同心度和圆度误差，严重时会发生弯曲断裂。因此保证电极在尺寸、轮廓精度、工作部分与电极柄的同心度等一致性要求是难以实现的。

改进后：高速小孔机使用的纯铜空心电极管，采用拉削制造而成，外形具有良好的形位尺寸精度、表面粗糙度和非常好的互换性，它可以满足工具电极的精度要求。具体做法：可将300mm长的电极管通过线切割方法把它切割成所需要的长度，通过计量随机抽取刚性和直线度最差的￠0.4mm，长度是30mm，数量是10件的电极管的直线度，最大的直线度误差不超过0.02mm。因此，直径￠0.4mm以上的电极管是可以作为理想的电极材料的。

3.1.2 电极的装夹和重复定位精度方面

电极的装夹和重复定位精度对于孔的精加工，具有重要意义。改进前：采用钻夹头装夹电极。使用此夹头的缺点是它采用三点定位方式，重复定位精度不高，装夹细小电极不可靠。改进后：自制精密导向器。方法是--用精密线切割一次加工完成￠0.8mm的内孔及￠6mm外圆使之同心，内孔与电极形成0.002 mm的配合间隙。它用于建立电极和机床夹具之间的精密连接，是提升电极装夹精度及重复定位精度的关键零件。

电极的定位精度误差按公式1来求解：

(1)

其中：Tmax：电极最大定位误差

a：x方向上的误差

b：y方向上的误差

由公式1得出电极的重复定位误差的最大值不超过0.025mm。

3.1.3 电极的优化改进方面

现状：电极工作部分是圆柱形的。

优化：将电极沿着轴线方向割扁。但必须在工作长度之内。弦径高度H按照经验公式2来取：

(2)

其中 H：弦径高度

D：电极外圆直径

d：电极内孔直径

￠0.8mm的电极管中心孔的直径是￠0.15mm，弦径高度为(0.8-0.15)/10 =0.065 mm。

3.2 放电中难点的解决方案

3.2.1 加工方式的改变

改进前：通常情况下用缩小尺寸后的圆柱电极直接加工孔，达图纸要求。

改进后：可用机床主轴旋转轨迹对电极轮廓进行补偿，转速0.5转/秒为佳。实践证明此法可有效地防止积屑瘤的产生，在一定深度范围内有利于排出蚀物。电极转速不能过快，否则会影响放电跟踪的稳定，降低加工速度。

3.2.2 冲油方式和油压的改变

改进前：采用的是对零件的左侧和右侧进行的方式。该方式的缺点是左右流量相抵后，反而会阻碍蚀除物的排出，无法有效地保证加工顺利进行。

改进后：利用电极中空的特点，可实现从电极顶端对电极底端加工部分进行冲油，采用自制密封塞和改变冲油方式，并提高冲油压力，实现了3MPa下的中心冲油。此法是解决问题的核心关键，这是因为在夏米尔成型机主轴上的its 50卡盘座与电极装夹系统之间的有效位置加装密封塞，提高油压力的方法是通过充分了解机床主轴与夹具的连接结构后，不断摸索和实验才得出来的。有效的安装位置决定着密封塞的形状和尺寸，机床说明书上没有此法和相关介绍，附件里更没有密封塞，因此是方法创新。在冲油压力在3 MPa时金属去除率达到峰值，这是由于工作液压力和流量增加时，加工间隙中工作条件明显改善，可以有效地排除间隙中的金属颗粒和热量，有利于放电过程持续进行[1]。如图1所示：

工作液压力/MPa图1 油压与金属去除率关系表

在将电极割扁、电极以0.5转/秒的速度旋转，装上密封塞并保持3 MPa的中心冲油压力等改进措施进行加工。在这三条改进措施共同作用下，蚀除物源源不断地从底部被带离到工件表面上，有效地解决排屑困难和积屑瘤的形成，从而有效避免二次放电给加工带来的不稳定因素。改进前：加工至7.5 mm深时，也就是在140分钟之后，就一直伴随着烧弧、桥接，短路等异常放电的报警出现。在245至295分钟的加工时段，深度已经无明显变化，随时间推移深度已经不再增加，孔内积满蚀除物，向下伺服进给停止，二次放电造成零件内壁损坏。精加工已无从谈起。改进后：在205分钟时达到设定深度25mm，全程无报警，加工效率较改进前有本质的提升。可更换电极进行精加工。如图2所示：

图2 加工时间与加工深度对照表

4 加工结果

改进前后加工结果有天壤之别，如图3所示。由此可见能否实现带有压力的中心冲油对蚀除物的排出以及效率的提升至关重要。改进后的加工结果经鉴定后，经查阅有关资料，公差等级符合GB/T1804-f精密级的标准。

图3 加工前后效果对照表

5 工作中的实例应用

以XX#绝缘垫片落料冲孔模的阴阳模为例 改进前：加工此零件共用电极21件，耗时24小时才完成。每一个孔都需要人工清理几次蚀除物和电极上的积碳，费时费力。改进后：加工时将刃口面紧贴在垫铁上。目的是保证每一个￠0.78mm孔都密闭不漏油，采用上述加工方法解决了孔内积碳的问题，用2组电极8个小时顺利的完成加工。除更换电极以外，可实现无人加工，经济效益明显。

6 结束语

将足够长的圆管电极的工作部分割扁后,再与精密导向套，密封塞结合成电极组件。另一方面，机床主轴以0.5转/秒的速度带动电极旋转，再以3 MPa的油压和中心冲油方式的配合下进行小孔加工就能加工出深径比达25︰1以上的f精密级的小深盲孔。此法在小孔范围内可运用到不同孔径大小的加工中。此法用于粗加工方面，在￠2mm以内的沉孔，无论深浅都不再需要车削电极，可用电极管替代，可谓省工时、省人力、节约成本，经济效益显著。用于精加工方面，它给塑压模的进料孔的设计提供技术储备。