微细电火花深沟槽螺旋电极钛合金微孔加工

2020-01-07许金凯马光胜于朋崔广续

长春理工大学学报（自然科学版） 2019年6期

许金凯，马光胜，于朋，崔广续

（长春理工大学机电工程学院，长春 130022）

随着科学技术的发展，微型产品逐渐在工业生产中有着越来越广泛的应用前景［1］，由于钛合金的硬度高，微加工工艺性能差。而电火花加工只与材料的热学性能相关，不受其硬度等力学性能的影响，是微孔加工的主要手段［2］。由于微孔精密加工脉冲能量小，使电极与工件之间产生的放电间隙较小，排屑困难［3］。过多的电蚀产物会增加二次放电概率，降低加工精度。在微细电火花加工工程中，工具电极和工件之间发生一系列的放电使材料在极高的温度熔化甚至汽化［4］，电极也不可避免的被磨损，降低加工精度［5］。加工中的电极损耗，是生产加工误差的主要原因之一。

在钛合金微孔加工中，当微孔深度较大时，传统的柱电极加工方法已很难达到稳定的加工状态。为提高排屑能力一般采用电极摇动加大摇动半径［6］或者采用异性电极形状来改善排屑问题。当加工深度较小时，电极随主轴转动和切削液的冲洗，电蚀产物随切削液循环可自行排出。虽然主轴旋转时电极可以使电极端面腐蚀更稳定［7］，且能带动切削液更好的流动。当加工深度较大时，加之微孔精密加工侧向间隙较小，电蚀产物自行排出已较为困难，由于排屑不畅，加工状态趋于不稳定，电极也因深孔内紊乱的放电状态造成电极损耗严重，加工效率急剧下降，甚者使加工无法继续进行下去，单纯依靠电极本身的放电爆炸力及放电产生的气泡使切削液循环排出电蚀产物已经无法产生明显效果。为改善以上加工问题采用深沟槽电极进行微孔加工实验。

1 实验方案

试验采用样件材料为α+β钛合金Ti6Al4V，用于盲孔加工试验。电介质采用电火花加工用油。实验电极材料选用刚度较好的硬质合金电极。

实验设计制造出深沟槽电极并进行钛合金微孔加工试验，在圆柱电极的基础上用微细电火花加工方法在圆柱电极侧面沿圆柱电极直径方向铣削微槽从而制造出深沟槽电极，由于被加工的沟槽电极（φ210 μm）和加工所用电极（φ100 μm）尺寸较小、刚度较差使加工困难，本实验创新采用的双导向块电极加工方法可以很好地解决微细电极加工问题，可使电极加工精度大大提高。其沟槽电极加工制造方法如图1所示。

图1 沟槽电极制造加工方法

基体圆柱电极选用直径为Φ0.21 mm的硬质合金电极，加工微槽的工具电极选用直径为Φ0.1 mm的电极。并在此基础上设计并加工制造出不同深度沟槽的电极。比起传统的线电极磨削加工（WEDG）方案［8］，此方法可以加工出凹槽状电极，其所加工电极截面如图2所示。

图2 深沟槽电极截面图

图中为不同沟槽深度的电极，其沟槽的深度依次为直径尺寸的30%、40%、50%、60%，其深沟槽电极截面图形类似于弯月形状，相比于传统的削边电极有较为明显的优势，在相同的削边宽度下，深沟槽电极可达到更深的沟槽深度，当深沟槽电极沟槽深度为直径的60%时削边量仅为相同条件下削边电极削边量的10%左右。减少了对电极外径周边材料的损耗程度，使电极材料的分布更趋向于电极外径部分，降低了在微孔加工中电极径向损耗程度。同时在加工方面，沟槽的弧状形状增加了电极的刚度，双侧对称弧线也抵消和减少了电极在加工时产生的热量和残余应力对电极造成的弯曲程度。

2 实验结果

2.1 深沟槽电极对钛合金微孔加工的影响

深沟槽电极对钛合金微孔加工电极损耗的影响。实验采用不同的沟槽深度的电极进行钛合金盲孔加工实验，实验分别在不同的加工深度下进行，实验结果如图3所示。由实验结果可知当微孔加工深度较小时，电极损耗量的大小随沟槽深度的增加而增加。随着微孔加工深度的增加，沟槽深度较浅电极（直径的30%～40%）的电极损耗量逐渐增加，沟槽深度较深电极（直径的50%～60%）的电极损耗量相对逐渐低。当电极沟槽深度过大时（直径的60%）电极损耗反而较大。

图3 电极沟槽深度对电极长度损耗的影响

当微孔加工深度较低时，排屑还相对较为容易，沟槽深度大时会造成电极材料的减少是造成电极损耗量偏大的主要原因，随着微孔加工深度的增加，沟槽深度较大的电极能更好的提供排屑的空间，改善放电状态降低了电极损耗量，当沟槽深度过大时（直径的60%）也会使电极截面的放电面积减小，放电区域相对较为集中，放电产生的气体更为密集，甚至充满放电区域，增加了电弧放电及短路的发生都会造成电极损耗量的增大。

图4 电极沟槽深度对加工时间的影响

深沟槽电极对钛合金微孔加工时间的影响。实验分别在不同的加工深度下进行，实验结果如图4所示。与圆柱电极相比，深沟槽电极在微孔加工的时间明显降低。不同沟槽深度的电极之间，随着沟槽深度的增加（直径的30%到60%），加工所用时间总体趋势降低，且当沟槽深度超过直径的50%时，加工所用时间的变化趋于稳定。

在电参数等条件确定的情况下，排屑状况是影响加工速度的主要原因，随着电极沟槽深度的增加使电极与微孔之间的空间逐渐增大，这为电蚀产物的排出提供了空间，同时随着沟槽深度的增加，在电极随主轴的转动下又加强了切削液的流动。但这种效果存在一个最高值，实验发现当电极沟槽的深度超过50%时，加工时间便不再降低。

图5 电极不同沟槽深度下微孔加工形貌侧剖视图

深沟槽电极对钛合金微孔加工形貌的影响。实验采用不同的沟槽深度的电极（沟槽深度依次为直径的30%、40%、50%、60%）进行钛合金盲孔加工试验，实验中的加工进给深度为4.0 mm，实验结果如图5所示。测得微孔的锥度依次为1.3°、1.6°、1.9°、3.1°。从实验结果可知随着电极沟槽深度的增加，微孔的锥度逐渐增加、孔径上下一致程度逐渐降低。当电极沟槽深度较大时（直径的60%），所加工的微孔底部直径开始逐渐变小，孔径上下一致程度较差、锥度明显。

从实验结果可知电极过大的沟槽深度不利于微孔形貌的加工，过大的沟槽深度会造成电极材料缺失严重使电极径向损耗偏大，尤其在电极底端的径向损耗积累严重，造成加工的微孔直径上下一致程度差。当电极的沟槽深度较小时所加工的微孔形貌较好。与削边电极相比，电极沟槽的设计一定程度上减小了电极在最外侧部分的材料缺失，从而降低电极的径向损耗程度。

2.2 螺旋沟槽电极对钛合金微孔加工的影响

在以上实验中得出深沟槽电极在深微孔加工中有着明显的改善效果，深沟槽电极的沟槽深度对加工有着明显的影响，随着沟槽深度的增加在加工时间和电极损耗方面都得到了逐渐的改善。但随着沟槽深度的增加，微孔会出现一定的锥度。在电极加工方面，深沟槽电极虽能一定程度上改善电极加工刚度问题，但不能完全避免热加工产生的变形问题，过快的电极加工速度还会使电极加工中产生的热量集中和残余应力引起电极的变形弯曲，限制了电极的加工速度和加工精度。

在以上研究的基础上实验尝试用螺旋沟槽电极进行钛合金微孔加工。以沟槽电极沟槽形状为基础设计出沿电极轴线的螺旋状沟槽电极，在圆柱电极的基础上用微细电火花加工方法在圆柱电极侧面铣削出沿轴线的螺旋状沟槽从而制造出螺旋沟槽电极，基体圆柱电极选用直径为Φ0.21 mm的硬质合金电极，加工微槽的工具电极选用直径为Φ0.1 mm的电极。并在此基础上设计并加工制造出不同深度螺旋沟槽的电极，其螺旋沟槽电极形貌如图6所示。

图6 圆柱电极与单旋深沟槽螺旋电极形貌

在沟槽螺旋电极的加工过程中发现，电极上沟槽的环形加工过程可以有效的减少加工过程中产生的热量对电极造成的弯曲，电极沟槽的环形加工方法甚至可以完全抵消加工过程中对电极造成的弯曲变形，即使采用较高的加工速度也不会造成电极的弯曲，大大提高了电极的可加工速度。沟槽的螺旋形状还可以使电极在随主轴转动的情况下对切削液产生轴向推动效果，更利于切削液的循环。

图7 电极螺旋沟槽深度对电极长度损耗的影响

螺旋沟槽电极对钛合金微孔加工电极损耗的影响。实验采用不同的螺旋沟槽深度（螺旋沟槽深度为直径值的30%～60%）的电极进行钛合金盲孔加工实验，实验结果如图7所示。由实验结果可知电极长度的损耗量会呈现随螺旋沟槽深度的先减小后增加的规律。当微孔加工深度为1.5 mm左右时，螺旋沟槽深度在直径的40%时，电极的损耗量为最小。随着微孔加工深度的增加，电极最小损耗量峰值会呈现逐渐向螺旋沟槽更深的方向移动的趋势，当加工深度达到3.0 mm左右时，电极损耗量的最小峰值移至螺旋槽深度为直径为50%的电极处。

从实验结果中不难发现螺旋沟槽电极的低电极损耗存在一个最小沟槽深度，当沟槽电极的沟槽深度小于直径的40%处时，电极损耗量能急剧降低。从而可以反映出当螺旋沟槽深度小于直径的40%的区间内，随着螺旋沟槽深度的增加，螺旋沟槽电极的排屑效果提升较为明显。当螺旋沟槽深度逐渐增加时会造成电极材料的较少，同时也会使电极端面放电面积减小，使放电区域更为集中，放电产生的气体更为密集，甚至充满放电区域，增加了电弧放电及短路的发生都会造成电极损耗量的增大。螺旋沟槽的大小影响排屑能力与电极放电的面积效应之间形成了动态平衡效果。当微孔加工深度较小排屑相对容易时，电极最低损耗的峰值偏向较浅的螺旋沟槽处，随着微孔加工深度的增加排屑相对困难时，深的螺旋沟槽有利于排屑能力的提升，使得电极最低损耗的峰值偏向较深的螺旋沟槽处。

图8 电极螺旋沟槽深度对加工时间的影响

螺旋沟槽电极对钛合金微孔加工时间的影响。实验结果如图8所示。与圆柱电极相比，深沟槽电极在微孔加工的时间明显降低。不同螺旋沟槽深度的电极之间，随着螺旋沟槽深度的增加（直径的30%到60%），加工所用时间总体趋势增加。实验结果表明螺旋沟槽深度的增加并不会降低加工时间。

图9 不同螺旋沟槽深度电极加工微孔形貌侧剖视图

螺旋沟槽电极对钛合金微孔加工形貌的影响。实验中的加工进给深度为4.0 mm，实验结果如图9所示。相比于深沟槽电极，螺旋沟槽电极所加工的微孔的形貌总体较好。所加工的微孔孔径一致性程度更高。微孔的锥度更小，尤其是当电极螺旋沟槽深度较大时（直径的60%），孔径依然保持较好的上下一致程度，而深沟槽电极的锥度此时已经很大。

从实验结果可知螺旋沟槽电极设计方案在微孔的加工相貌方面有较为明显的提升，可以明显的改进微孔加工的精度与微孔质量。单纯的采用深沟槽电极时，过大的沟槽深度不利于微孔形貌的加工，过大的沟槽深度会造成电极材料缺失严重使电极径向损耗偏大，而采用螺旋沟槽的设计时可避免这种问题的产生。在主轴的旋转作用下螺旋沟槽电极能较好的排出电蚀过程中产生的碎屑，并能有效的改善电极的径向损耗，从而使微孔加工的孔径上下一致性较好，同时降低了微孔的加工锥度。与深沟槽电极相比，在微孔加工形貌上有较好的改善，电极螺旋沟槽的设计更好的减小了电极在最外侧部分的材料缺失，从而有效的降低电极的径向损耗程度。