钨钼类高熔点金属材料超大深径比超深小孔的加工（上）

北京易通电加工技术研究所 （102629） 马名峻

深小孔主要是指直径＜1mm、深径比≤200的小孔；而超深小孔主要是指直径＜1mm，深径比＞200乃至＞1 000的深小孔。在常用金属上加工一般直径＜1mm、深径比＞300的深小孔，须用电火花加工的方法才可实现。

超深小孔的电火花加工一般选用常见的电火花高速小孔机。其设备加工原理主要是采用旋转的细长空心电极管（单孔或多孔），中间通以高压水基工作液，电极管通过红宝石或金刚石导向器限幅导向，保障细长电极管在旋转和轴向进给运动中不抖动，稳定进行放电加工。在工件与电极之间加有大功率的脉冲电压，利用电极与工件间的连续放电腐蚀，蚀除金属，进行尺寸加工。一般电火花高速小孔机电极损耗都很大，电极的长度损耗一般在100%，甚至几倍以上，以牺牲电极而换取加工的速度。

但对于钨钼类高熔点金属材料，使用普通水、纯净水或普通水基工作液，电极损耗都极大。譬如加工一件厚度28mm、孔径1mm的纯钨小孔零件，加工一个孔需要400mm长度电极2支（有效利用长度约250mm/支），不含更换电极等辅助时间，纯加工时间约需30min，而此件上面有80余个孔，纯加工时间需要40h，加上更换电极的辅助时间就更长了。而对于加工厚度110mm、孔径0.35mm的纯钨小孔零件来说，采用普通电火花高速小孔机几乎是不可能的。

1. 传统加工工艺

传统的电化学深小孔加工工艺是基于“阳极溶解”的原理，一般采用中性或酸性电解液，如氯化钠、硫酸及盐酸的水溶液，由于对电极的绝缘要求高，以致加工工艺复杂、加工成本高，对机床工件电极的腐蚀大，且易造成环境污染，后处理难度较大。

应用电火花高速小孔机加工深小孔、超深小孔的试验中，存在一些工艺问题：

（1）对于深小孔、超深小孔的加工，电极呈尖端损耗，随着电极损耗增大，加工面积增大，电流密度减小，加工稳定性差，达到一定深度后，加工效率大幅降低，甚至无法加工（见图1）。

（2）加工精度低，多孔加工一致性差，入口质量差。

（3）孔壁表面粗糙度值高、表面质量差，无法规范对孔形的精度要求。

（4）电极端头呈不对称尖端损耗，加工直线度差，深小孔、超深小孔加工难于实现。

通过研究分析上述电火花高速小孔机实践中存在的诸多问题，发现这些问题的多数症结集中于电极管的侧壁放电，为此也曾考虑过仿照电化学深小孔加工工艺，对电极管增加表面绝缘层，并对此进行了研究。我们发现，在电极侧壁增加绝缘层，阻断电极侧面电流通路的思路是对的，但用物理方法实现起来难度颇大。尤其是对电极管试验环氧树脂及绝缘漆膜涂覆、热镀铝后氧化处理等的表面处理工艺，涂覆的绝缘膜厚度虽然很薄，但都存在增加排屑量，甚至堵塞电极管壁与孔壁之间排屑通道的问题，导致加工失败。

在后来的深小孔工艺研究过程中，尝试了一种新的电化学-电火花复合加工方法，解决了上面列举的诸多工艺问题。

这种工艺方法的关键是研制了一种可以将上述两种工艺方法融为一体的、基于电化学极化现象构造的液体成膜电火花小孔机专用工作液。

图1 φ2mm电极端面积与不同长度圆锥损耗电极侧面积电流密度的比较

2. 方案设计的基本思路

（1）构造一种钝化作用强的低浓度电解质环保水溶液，使之能够在脉冲电源的电场作用下，利用电极的钝化极化现象形成在工件电极（阳极）孔壁表面的致密钝化膜，阻断电流在孔壁的阳极溶解过程和可能的二次火花放电通道，实质上消除孔壁的电化学-电火花加工过程，实现加工对于侧壁间隙绝缘作用的液体成膜要求。

（2）利用电极管的轴向进给和旋转功能的机械和放电间隙压缩的综合作用，形成电极端面的高电流密度的电火花放电，击穿并清除电极进给方向上（端面区域）可能存在的氧化膜（钝化膜），进而完成端面区域的放电加工任务，实现一个持续的电火花放电加工过程。

图2所示为电火花打孔时钝化膜形成。其中，（a）上面为多孔电极管，下为工件，孔壁上有钝化膜，只在电极端面有放电现象；（b）为电极管端面放电过程，除去了端面方向上的钝化膜并蚀除金属，实现放电；（c）为电极管端面重新生成钝化膜，重新开始新的加工过程；（d）为电极管端部局部放大图。

图2 电火花打孔时钝化膜的形成

（3）在不增加脉冲电源功率的情况下，实现液体成膜，保护电极管侧壁，使之最有效地将能量集中作用于电极管端平面，使洁净工作液流始终最先作用于电极端部放电区域，形成电极管的平头均匀低损耗，同时构造合理的最大电流密度，以期提高综合加工效率。

（4）利用工作液中金属阴离子的极性作用，使放电产物胶体分子同带负电荷，相互之间产生斥力，以阻止产物胶体分子之间的结合，形成胶团，以减小工作液中放电产物颗粒的个体体积和流体阻力，利于电蚀产物在加工区域的快速排出，减少放电区域附近的二次放电过程（见图3）。

图3 胶体分子之间的排斥避免形成胶团

（5）利用弱碱性工作液的电化学加工特性，在钨钼类金属材料的孔壁之间产生密集的微气泡，进一步增加间隙绝缘电阻。

3. 液体成膜电火花小孔机专用工作液的构成和基本原理

这种电火花小孔机专用工作液是以弱碱性多元有机聚合物为主要成膜物质，添加必要溶剂和少量添加剂配制而成。这种液体成膜的水基工作液，是基于电化学技术的钝化极化原理，在电场的作用下，由多元有机聚合物与金属离子生成的稳定环状化合物吸附于工件的孔内壁金属表面上，沿孔壁表面形成一层极薄而致密的钝化膜，从而起到对电极管侧壁的直接电蚀和二次放电的保护作用，类似快速走丝线切割乳化液工作方式的“疏松接触”现象。同时在极间放电爆炸力的冲击和机械摩擦等综合作用下，孔底面未牢固的钝化膜又极易被粉碎清除，不能对放电过程构成阻碍作用。

根据电化学的原理来诠释这种液体成膜过程的工作原理是：在电化学加工过程中，电极反应速度的一般规律，除了法拉第电解定律所规定的理论速度，还有一个使理论速度发生偏差的极化问题。这种在阳极溶解过程中存在的一种阻碍电极反应正常进行的现象称为电极的极化现象。极化现象是阳极溶解过程本身具有的一种自适应能力，其后果是使电极反应速度放慢。极化现象分为：浓差极化、电化学极化或活化极化和钝化极化。

这里重点讨论相关的钝化极化现象。这种钝化现象实际是一种与电化学步骤和离子迁移扩散无关的极化现象，这种极化是由于阳极表面生成一种氧化物或其他物质的薄膜，增大了表面电阻，因而对电流通过产生阻力，使电极电位发生改变的极化现象。这种极化现象正是可以被利用、藉以实现试验目的的一种有益效应。

关于氧化膜的产生有多种解释和说法，如利用强氧化剂可以在阳极金属表面产生一层致密的氧化膜，再有一种是在电流密度高、电解液流速低的情况下，阳极上先形成盐的沉积，然后逐步转化为氧化膜。还有研究者认为“钝化膜可能是电解液中钝化性能强的一些阴离子直接形成的”。我们认同这种说法，在电解质水溶液的设计构造上，因此更加强化了钝化性能强的阴离子的构成。

4. 钨钼类高熔点金属材料超深小孔复合加工方案的实现

使用这种液体成膜的工作液，适于钨钼类高熔点金属材料直径＜3mm的深小孔，尤其是超大深径比的深小孔加工过程。孔壁绝缘膜在某种程度上构成了深孔内部导向器，在钨钼类高熔点金属材料的超大深径比的深小孔加工中，排屑良好，加工稳定性极高，加工效率是普通纯净水的一倍以上。

（1）试验一为高熔点金属纯钨加工φ0.35mm×108mm、深径比309的深小孔。基本试验条件：设备是北京易通生产的ET—DX703GR高熔点金属电火花高速小孔加工机；测试设备为电导率测试仪、折光浓度计及酸碱度测试仪等；长度测量量具包括万能工具显微镜、数码工具显微镜、数显千分尺及卡尺等；工作液为北京易通生产的ET—YK1型电火花高速小孔机专用工作液，使用纯净水兑制，电导率3 280 μs/cm，浓缩液浓度配比1∶100；工件材料是纯钨（密度为19.35 g/cm3、熔点为3 410℃±20℃）；电参数是脉宽4μs、脉间16μs、空载电压150V，平均加工电流0.5A；加工时间为70min。

应用这种钝化作用强的低浓度电解质环保水溶液，在对纯钨材料超深小孔加工中显示出其优越的性能，原来加工一个纯钨材料φ0.5mm×100mm、深径比200的深小孔，不谈加工时间，仅电极损耗就很惊人，400mm长度的纯铜电极，一次就要使用几十支。使用现在的工作液，加工纯钨φ0.35mm×108mm深小孔，电极长度损耗不到5mm，相对电极长度损耗约4%，一支电极即可完成加工任务。

（2）试验二的基本试验条件：设备为北京易通生产的ET—DS200KG高熔点金属电火花台式小孔加工机；测试设备是电导率测试仪、折光浓度计及酸碱度测试仪等，长度测量量具包括万能工具显微镜、数码工具显微镜、数显千分尺及卡尺等；工作液是北京易通生产的ET—YK1型电火花高速小孔机专用工作液，使用纯净水兑制，电导率3 280 μs/cm，浓缩液浓度配比1∶100；工件材料为纯钨（密度为19.35 g/cm3、熔点为3 410℃±20℃），通孔深度28mm，孔径0.8mm；电参数是脉宽8μs、脉间20μs、空载电压80V，平均加工电流3.5A；平均加工时间为6min。

电极损耗结果是400mm长度纯铜电极一支，可以加工约40个孔，电极损耗长度约4mm/孔。电极端部照片如图4所示，可见端部只有很小的圆角，电极侧壁只有在前端约10mm部位有放电痕迹，电极端部呈平头低损耗。

图4 电极呈平头低损耗（采用本工作液）