超声振动复合微细电火花加工微小孔试验研究

朱 波，钟晓红，陈济轮，张 昆，陈 靖，张万刚

（首都航天机械公司，北京100076）

超声振动复合微细电火花加工微小孔试验研究

朱 波，钟晓红，陈济轮，张 昆，陈 靖，张万刚

（首都航天机械公司，北京100076）

微小孔加工时的放电间隙较小，排屑、消电离状态差，放电效率低，直接影响加工效率和电极损耗；超声振动可改善排屑、消电离状态，能提高放电效率。将超声引入微细电火花加工，通过工件的超声振动，进行超声功率、小孔孔径、脉冲频率的微小孔电火花加工工艺试验研究，结果表明：加工不同孔径时，超声功率及电源频率都存在一个最佳值；加工条件合适时，超声复合微细电火花加工优于常规微细电火花加工。

微小孔；微细电火花加工；超声振动

电火花加工是利用工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余金属，从而实现预定的加工要求[1]。其加工表面是由一系列放电凹坑组成的，没有传统机械加工产生的螺旋痕迹，故可大幅改善流经小孔的流体流场分布情况。此外，电火花加工过程中无宏观作用力,便于进行半孔加工，因而很容易观测到微小孔的内壁形貌。这些优点使微细电火花加工成为航空、航天等领域加工小孔零件的有效手段。

微细电火花加工深小孔时,所需的放电能量很小，极间的放电间隙必须保持在很小的距离内，才能进行有效的放电加工。由于此时的放电间隙极小（通常为数微米），加工孔的深径比又较大，导致电蚀产物难以排出，工作液得不到很好的更换，极易造成电蚀屑的积聚，从而引起电弧放电甚至短路，严重影响加工效率和加工质量。一些学者为改善深孔加工时的排屑和消电离状态，开展了诸多研究[2]。如：利用中空电极进行冲液或抽液、工件或电极旋转摇动等都取得了良好的加工效果。但实现这些技术的工艺较复杂，且成本很高，尤其是当加工孔径较小、加工深度较大时，这些技术将更难实现。为此，将超声引入电火花加工中，利用超声振动的高频泵吸作用，将电蚀屑排出并吸入新鲜的工作液，从而改善放电间隙间的排屑和消电离能力。

然而，电火花加工尤其是微细电火花加工的放电间隙较小，一般为几微米到十几微米。工件振幅过大时，会导致极间短路和加工不稳定；振幅过小时，又难以改善加工效果。此外，工件的振动频率与

微细脉冲电源频率的匹配，对超声微细电火花复合加工也有一定的影响，工件的振动会不断改变放电间隙的距离，影响放电通道的形成，进而影响加工效率等。因此，本文对超声复合微细电火花加工工艺开展试验研究，分析超声振幅、脉冲频率对微细电火花加工的影响规律和成因。

1 试验装置及试验方法

试验所用的超声装置和微细电火花加工机床如图1、图2所示。工具电极采用直径1 mm的钨电极，并利用块电极电火花磨削方法将其磨至所需尺寸，工件为1 mm厚的不锈钢板材。由于加工面积不足1 mm2，故采用小能量加工的电参数和RC脉冲电源。超声电源单独给超声换能器提供高频脉冲信号，变幅杆将振幅放大，工件固定在超声装置上，并做周期振动。

图1 超声发生装置

图2 微细电火花加工机床

超声发生装置的振幅难以实现直接设定及测量，故在工艺试验中，通过改变超声发生装置的功率来实现其振幅大小的调节。超声发生装置的功率越大，则振幅越大。超声装置的频率不可调，故采用改变电源频率进行工艺试验。

2 试验结果及分析

2.1 振幅对微细电火花加工的影响

试验时，电极直径为0.1984 mm，工件材料为1Cr18Ni9Ti；脉宽、脉间均为100 μs，加工极性为正极性，且保持不变；试验仅改变超声发生装置的功率。图3是超声功率与微小孔加工时间、电极损耗的关系。可看出，随着超声功率的增加（即超声振幅不断增加），加工时间和电极损耗都是先减少、后增加。超声功率在50%左右时，加工效果最好，此时的加工速度较快，且电极损耗较小。

图3 超声功率与加工时间、电极损耗的关系

在超声复合微细电火花加工中，超声振动可提高有效放电率，促进排屑、消电离能力。在微细电火花加工中，能产生击穿放电的放电间隙一般仅有数微米到十几微米，且间隙只能在很窄的范围内变化产生有效击穿放电；而机床伺服响应的频率一般只有50 Hz左右，因此，在无超声振动复合加工的条件下，有效放电率极低，加工效率难以提高。但当工件做高频超声振动复合加工时，如果工件的振幅大于最大火花击穿概率间隙变化范围，则在一个脉冲宽度中，工件将多次往复穿越最大击穿概率区，大大提高了有效脉冲放电的可能性，使加工效率得到大幅提高。而当超声振幅太大时，易导致放电击穿延迟变小，此时，RC脉冲电源中的电容充电可能尚未完成，会导致放电时其两端平均电压降低，机床伺服参考电压[3]不变时，将导致单位时间脉冲放电率下降。由于采用的是正极性加工，单个脉冲放电时间变大会导致正离子加速更充分，负极损耗增大，即电极损耗变大。

此外，由于电极超声振动的作用，放电间隙中的工作液将产生高频交变的压力冲击波，能极大地改善微小间隙中工作液的流动特性，有效地避免了电蚀产物的沉积，有利于放电点的转移，因而可大幅提高加工的稳定性和加工效率。

2.2 孔径对微细电火花加工的影响

超声振动复合微细电火花加工微小孔试验时，不同孔径的放电间隙、排屑及消电离能力不同，为此，对孔径与超声功率适配开展了试验研究。分别对直径0.2、0.15、0.1 mm的微孔进行加工实验，试验过程同样仅改变超声功率。不同孔径时的超声功率对加工时间和电极损耗的影响规律见图4。可看出，加工孔径为0.2 mm时，超声功率在50%左右的加工效果较好；加工孔径为0.15 mm时，超声功率在100%左右的加工效果较好；加工孔径为0.1mm时，超声功率在40%左右的加工效果较好。

图4 不同孔径时的超声功率与加工时间、电极损耗的关系

当加工孔径为0.2 mm时，超声功率在50%左右的加工效果最好，其影响规律在上节已进行了分析。当加工条件不变时，随着孔径的减小，排屑、消电离条件变差，故需更大的振幅才能较好地改变放电状态。所以当加工孔径为0.15 mm时，超声功率在100%左右的加工效果最好。但随着孔径减小，将导致电极刚度下降；当工件振动较大时，可能导致电极振动、加工短路现象增多，影响加工效率和加工质量。因此，当加工孔径为0.1 mm时，超声功率在40%左右的加工效果最好，此时，可较好地改善间隙排屑、消电离状态，且不易引起电极振动。

2.3 频率对微细电火花加工的影响

工件的振动频率与微细脉冲电源频率的匹配对超声微细电火花复合加工也有一定的影响。工件的振动会不断改变放电间隙距离，影响放电通道的形成，进而影响加工效率。超声的主要作用是：在脉宽期间，超声振动会使放电间隙不断变化，当放电间隙处于合理的距离后，会形成放电通道，从而产生放电；在脉间期间，超声振动会使工作液不断地被吸入和排出放电间隙，提高电蚀产物抛出能力，改善排屑和消电离状态。因此，超声频率和电源频率有一定的适配关系，而超声频率不易改变，试验中采用改变电源频率的方式进行研究。

试验选取脉冲频率分别为2.5、3.3、5、10 kHz，占空比为1：1，微孔孔径为0.2 mm，加工极性为正极性。脉冲频率与加工时间、电极损耗的关系见图5。可看出，随着脉冲频率的增加，无超声复合加工时的加工时间和电极损耗均先增大、后减小；而有超声复合加工时的加工时间和电极损耗呈先增大、后减小、再增大的现象。

图5 脉冲频率与加工时间、电极损耗的关系

分析上述现象产生的原因，是由于在不改变电源其他参数的条件下，随着脉冲频率的增加，平均击穿延时时间变短，而击穿延时时间与间隙电压、工作液种类、极间间距有一定关系。平均击穿延时时间变短，说明放电间隙变小，不利于排屑和消电离。当脉冲频率较大时，放电过程中的电子、正离子通过充分碰撞产生高温蚀除金属；脉冲频率增大时，单个脉冲蚀除量大致相同，但放电间隙变小，排屑、消电离能力变差，导致加工时间、电极损耗增加；脉冲频率继续增大后，由于正离子加速不充分，单个脉冲对电极蚀除量减小，电蚀产物的减少，有利于排屑和消电离，且单位时间的放电脉冲个数变多，导致加工时间减小、电极损耗降低。当有超声振动且频率较高（如频率达10 kHz）时，放电间隙较小，工件振动可能导致RC电源尚未完成充电便已发生击穿放电[4]，此时，放电能量小，且会导致单位

时间内的放电次数降低，也易导致放电短路，故加工时间变长，电极损耗增大。

3 结论与展望

在超声复合电火花加工微孔过程中，超声复合会引起放电率、极间排屑、消电离状态的变化；在不同的孔径、脉冲频率、超声功率下，超声对加工时间和电极损耗会产生一定的影响。

（1）超声功率太小时，放电率提高不明显，排屑、消电离难以改善；超声功率太大时，易导致放电短路增多和单脉冲能量变低，使加工时间变长，电极损耗增大，改善效果不明显。故超声功率应适中。

（2）孔径为0.2 mm时，超声功率在50%左右的加工效果最好；孔径为0.15 mm时，超声功率在100%时的加工效果最好；孔径为0.1 mm时，超声功率在40%左右的加工效果最好。

（3）超声频率不变时，电源频率对加工时间、电极损耗的影响较大。电源频率不宜过高，应远小于超声频率。

上述结论为后续实验和制定超声复合微细电火花加工工艺技术指标提供了很好的参考价值。后续还可开展电参数与超声功率、频率适配性的研究：在高频脉冲加工中选用更高频率的超声发生装置；采用正交试验法优化工艺，分析各影响因素的大小和规律；对RC脉冲电源进行改进，使其脉间间隙两端电压为零，减小脉间期间产生放电的可能，提高脉冲电源的性能；设计新的放电伺服控制电路，提高放电检测和间隙伺服控制能力。

[1] 刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 蒋毅.微小孔电火花加工过程控制系统的研究 [D].上海：上海交通大学，2011.

[3] 迟关心，狄士春，况火根.电火花加工间隙平均电压检测及其电路仿真研究[J].现代制造工程，2006（7）：92-94.

[4] 李茂盛.五轴联动电火花加工机床及其复杂电极预装系统的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

图5 焊缝与母材的XRD

2.6 耐蚀性能分析

图6是焊缝、母材电位极化曲线。焊缝腐蚀电流为2.52e-5A/cm2，母材腐蚀电流为2.076e-5A/cm2。焊缝耐蚀性能低于母材，焊缝处因存在TiFe化合物，在腐蚀性介质中，相对母材等轴α-Ti的均匀细密组织更易作为阳极相产生腐蚀，故焊缝耐蚀性能略低于母材。

图6 焊缝与母材耐蚀性能分析

3 结论

（1）TA1薄板焊接在较窄的电流范围内能获得良好的焊缝成形与拉力性能。当焊接电流为38 A时，抗拉强度达到母材的78.9%，接头硬度由焊缝中心向母材降低。

（2）母材至焊缝晶粒由等轴α晶向锯齿状α晶转变，焊缝为无方向性的锯齿状α晶，由α-Ti相和TiFe相金属间化合物组成。

（3）因TiFe化合物的存在，焊缝在腐蚀性介质中较母材更易被侵蚀，其耐蚀性能低于母材。

参考文献：

[1] 李清华，胡树兵，李行志，等.TC4钛合金焊接接头组织不均匀性与疲劳性能[J].材料工程，2010（1）：62-67.

[2] 陈文静，赵平，邱涛.TC6钛合金焊接接头性能研究[J].稀有金属材料与工程，2012（9）：161-163.

[3] 韦生，费东，田雷，等.钛及钛合金焊接工艺探讨[J].焊接技术，2013（4）：73-75.

The Experimental Study on Ultrasonic Vibration Assisted Micro Electro-discharge Machining for Micro Hole

Zhu Bo，Zhong Xiaohong，Chen Jilun，Zhang Kun，Chen Jing，Zhang Wangang
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

The discharge gap was very small，the state of chip removal and deionization was poor and discharge rate is low when the micro hole was machining.Ultrasonic vibration assisted could improve the state of chip removal，deionization and discharge rate.While ultrasonic vibration was used to micro eletro-discharge machining，the experiments of micro eletro-discharge machining were carried out on ultrasonic power，hole diameter，pulse frequency.The result shows that ultrasonic power and power frequency had optimum values when hole of different sizes were machined.If machining conditions were right，ultrasonic assisted micro electro-discharge machining would be better than conventional micro electro-discharge machining.

micro hole；micro EDM；ultrasonic vibration

TG661

A

1009－279X（2014）03－0058-04

2014-01-22

朱波，男，1989年生，工程师。