超声振动复合电火花小孔加工系统设计及试验

冯 冲，倪 皓，2，孙艺嘉，桂淑钰，宫 虎*

（1. 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2. 天津城建大学 理学院，天津 300384）

1 引言

镍基高温合金具有高强度、高硬度和低热导性等特点，被广泛用于航天发动机热端、叶片、高温焊接结构件等的制造［1］。为了满足定位、固定或散热的需求，经常需要在这些零件上加工一些小孔。由于材料的特殊性，采用传统的机械钻孔方式存在切削力大、散热困难等问题，会引起刀具剧烈磨损，显著增加加工成本。而对于这种材料的小孔加工，电火花加工（Electrical Discharge Machining，EDM）具有独特的优势：一方面，电火花加工通过反复放电去除材料，可以加工几乎所有导电材料而不受材料硬度等特性的影响；另一方面，电极与工件之间没有直接接触，宏观力很小，电极易于实现小型化。但在电火花大深径比孔加工中，工作液中大量的蚀除产物将导致电极频繁短路或拉弧，使得材料去除率变低，加工稳定性变差［2］。及时排屑能够避免放电蚀除物沉积，减少异常放电和电极损耗，提高加工过程的稳定性，是解决上述问题的有效措施之一。

为提高排屑能力，研究人员尝试改善放电间隙中工作液的冲洗能力［3］，并提出了一些新的方法。在电火花钻孔加工中，常见的四种冲洗方式分别为浸入式、外出水式、外吸水式和电极中心出水式［4］。其中，由于电极中心出水式是在电机带动下将高压工作液直接作用于加工区，因此适合应用于深小孔加工中应用。通过合理控制工作液压力［5］，该方式可以提高工作液的流速，有效增强放电蚀除物去除效果。Tanjilul［6］等在此基础上，增加侧面真空辅助抽吸工作液以进一步加快排屑。Zhang［7］等使用双孔空心管电极代替单孔电极来避免加工中心残留圆柱体阻碍工作液流动。还有一些提高加工间隙中工作液流速的方法，如电极旋转［8］和电极行星运动［9］等，已被证实可以加快蚀除物去除速度，改善放电环境，在大深径比小孔加工中可以有效提升电火花加工性能。

此外，将高频或者超声振动引入电火花加工也可以促进蚀除物的排出，以实现高效稳定的孔加工［10］。根据振动作用的位置，这些研究主要分为三类：工件振动、工作液振动和电极振动。对于尺寸小、结构简单的工件，工件高频振动可以促进工作液的流动，有助于获得更高的材料去除率（Material Removal Rate，MRR）［11］。而对于大尺寸、结构复杂的工件，工件高频振动的方式具有明显的局限性，采用工作液或电极超声振动可以有效避免该问题。工作液振动［12］是将高频振动引入整个或者部分工作液中，使加工间隙中工作液产生湍流，可以有效地减少蚀除物的沉积和粘附，提高材料去除率。该方法一般采用混合工作液，超声振动还起到了搅拌作用。电极振动方式则是使电极产生高频振动以增加电火花加工的稳定性，相对于其他两种加工方式，其结构更简单。Shabgard 和Alenabi［13］在对钛合金Ti-6Al-4V 电火花精加工中使用电极超声振动来减少电极 损 耗 和 加 工 微 裂 纹。Liao 和Liang［14］提 出 一 种电极倾斜进给与高频振动结合的电火花加工方法以促进工作液的流入和蚀除物的排出，通过选择合适的倾斜角度和振动参数，加工铝合金6061的加工深度提升75%。Goiogana 等指出超声振动辅助电火花加工可以使工作液中放电蚀除物分布更均匀，适合在电火花精加工中提升表面质量［15］。

之前的研究中已证实中心出水、旋转电极、超声振动辅助电火花加工能提升电火花加工性能，有助于蚀除物的排出，减少加工过程中的异常放电或短路，提高电火花加工的稳定性。但是，相对于其广阔的应用前景，将三者结合在电火花高速小孔加工中的应用研究较少［3，8］。在此背景下，本文将设计并实现一种新型高集成化的超声复合电火花小孔加工系统（Ultrasonic Composite EDM Drilling System，UEDM），并将其应用于镍基高温合金GH4099 小孔加工中，通过加工对比试验来验证系统的有效性。

2 超声振动复合电火花小孔加工系统设计

由于工件形状的多样性，所以很难用统一的方式对其施加超声振动，这限制了超声振动的应用范围，因此，该系统采用电极振动的方式。超声振动复合电火花钻孔系统如图1 所示，该主轴系统主要由电极及固定电极的超声换能器、中心轴和外壳组成。电极被固定在超声换能器上，超声换能器安装在旋转主轴上，这样电极可以同时实现旋转和振动。

图1 超声复合电火花钻孔系统Fig.1 Ultrasonic composite EDM drilling system

中心轴是该系统的中间件，主要用于安装超声换能器。其内部留有连通超声换能器和超声电源的连通孔，便于给超声换能器供电。中心轴的中心同轴装有导通工作液的内冷管，内冷管经旋转接头与水管相连。

超声换能器是该系统的核心部件之一，采用朗之万换能器形式，包含四个压电陶瓷环，使用螺栓将前盖板、后盖板和压电陶瓷环堆固定在一起，利用商用仿真软件ANSYS 进行仿真设计。末端采用ER 弹性套筒和螺母来固定电极。不夹持电极时，利用模态仿真该超声振动系统固有频率为22 203 Hz（图1（c））。图1（d）展示了利用谐响应仿真电极悬长变化对超声振动系统谐振频率的影响。由仿真结果可知，换能器局部共振频率（f=22 500 Hz）受电极悬长影响较小，并确定加工频率使用换能器局部共振频率，使用阻抗分析仪实测该频率为23.8 kHz。最后，通过法兰将超声换能器固定在中心轴上。加工过程中，电极和工件分别被接在脉冲电源的负极和正极。使用一台自制的超声源提供超声信号，为了实现电极旋转，其正极经中心轴连通孔和导电滑环连接到超声换能器的压电陶瓷一极，负极则通过内部金属配件与超声换能器压电陶瓷另一极导通。超声电源开启后，超声振动通过传振杆传递到电极上。使用绝缘套筒保证超声主轴外壳绝缘。工作液通过旋转接头、中心轴冷管和管电极内部流到放电加工区域。该系统使用电机-皮带结构以实现电极旋转。此外设置密封结构避免外界的灰尘和水进入设备内部。与普通电火花高速小孔加工相比，该系统集成了电极旋转、中心出水和电极超声振动等功能。

3 试验方法

GH4099 是一种高合金化镍基高温合金材料，在高温时具有较高的热强性和稳定性，采用常规加工方法加工较为困难，本文将其作为工件材料。电极采用外径为1 mm，内径为0.5 mm 的黄铜空心管电极，加工时工件接电火花电源的正极，电极接负极。使用自来水作为工作液。考虑到通孔加工存在不稳定的突破阶段［16］，试验中控制电火花加工时间和电极行程，实现盲孔加工。考虑到电火花存在精粗加工指标的不同，选择加工电流和时间作为自变量，以材料去除率、电极损耗率和孔的表面形貌作为观测指标，使用黄铜管电极分别在有无超声振动的情况下对GH4099进行盲孔加工试验，以研究超声振动对电火花加工的影响。试验参数及条件如表1 所示。

表1 试验参数及条件Tab.1 Experimental parameters and conditions

为保证试验结果的准确性，每组试验重复3次，结果取平均值。试验中使用秒表记录每次试验的加工时间t。试验结束后，用一根全新的长度相同的电极再次试验，测量记录电极加工前后长度分别为l0和l1，称重记录加工前后质量分别为w0和w1。利用光学显微镜观察电极损耗并测量所加工孔的直径。此外，采用共聚焦显微镜观察孔内壁形貌。

材料去除率用式（1）计算得到，电极损耗量（VTW）和相对电极损耗率（VRTWR）计算分别如式（2）和式（3）所示：

4 试验结果与讨论

图2 展示了在150 s 内超声电源电压为180 Vp-p，频率为23.8 kHz 时不同加工峰值电流对材料去除率和电极损耗量的影响。无论有无电极超声振动，材料去除率和电极损耗量都随着加工峰值电流的增大而增大。

图2 峰值电流为6 A和10 A时材料去除率和电极损耗率Fig.2 Material removal rate and electrode wear under peak current of 6 A and 10 A

在峰值电流分别为6 A 和10 A 的中粗电火花加工中，超声振动复合电火花加工的材料去除率都高于普通电火花加工。相对于峰值电流较大的情况（ip=10 A），超声振动对材料去除率的影响在较小的峰值电流（ip=6 A）时更为显著。当ip=6 A 时，超声复合加工的材料去除率较普通电火花加工提升了46.42%。由于电极损耗量受到工件材料、加工深度和加工时间等因素的影响，因此将相对电极损耗率作为辅助观测指标。峰值电流ip分别为6 A 和10 A 时，超声振动复合加工方式相对于普通电火花加工相对电极损耗率分别减少了25.85%和13.99%。结合材料去除率对比表明，在合适的加工参数下超声振动复合加工方式可以有效提高电火花加工材料去除率，降低相对电极损耗率，从而提高电火花小孔加工性能。而较大的电流并不一定带来孔加工性能的提升，这种情况的产生可能与大电流加工时工作液中高浓度的加工蚀除物无法被及时排出有关。

接下来，将峰值电流减小为1 A 以研究超声复合加工在小电流加工中对小孔加工形貌的影响。为了便于观察和分析孔加工质量，将GH4099 工件通过线切割电火花加工将加工的孔剖成两部分。由于加工过程中存在的电极损耗和电极与侧壁之间的异常放电，所加工孔整体呈锥形［17］，并且采用管电极加工会存在中心残留圆柱体，如图3 所示。圆角$径通过显微镜观察获得，而公式（4）用于计算锥角θ：

其中：Din和Dend分别表示孔入口直径和孔底部直径，h表示孔的深度。

图3 和图4 分别比较了峰值电流为1 A 时电极超声振动和普通电火花加工孔锥角、圆角$径和加工深度随着加工时间的变化。加工锥角随着加工深度的增加逐渐减小，超声振动复合加工方式会产生更小的锥角，最终，两种方式所加工锥角逐渐接近。圆角$径随着加工时间增加也有着相似的变化趋势，超声振动复合加工方式变化更快，并最终稳定下来。在管电极电火花加工中放电蚀除物在侧隙排出时引起的二次火花放电和电极损耗是形成锥角的主要原因。在加工深度相近的情况下，锥角越小说明放电蚀除物大部分可以通过通路排出，其引起侧面异常放电较少，该方式的电极损耗量也较小。值得注意的是，当加工时间为60 s 时普通电火花方式加工孔难以用锥角描述，如图3 所示。

图3 不同加工时间下锥角变化Fig.3 Variation of taper angle under different machining time

图4 不同加工时间下加工深度和圆角$径变化Fig.4 Changes of machining depth and fillet radius at different machining times

加工深度随着加工时间的增加而增加。在峰值电流为1 A 时，相对于普通电火花加工，超声振动对GH4099 钻孔加工在深度上有着明显优势，这也验证了超声振动在小电流电火花加工时起到一定的促进作用。随着加工深度的增加，加工深度的增量也随之变化，长时间持续加工时，电极频繁出现短路，加工难以继续进行甚至可能会停滞。总体来看，超声振动复合电火花方式加工过程更稳定，加工深度更深。

图5 （a）和（b）分别展示了使用普通电火花加工和电极超声振动复合电火花加工孔内壁形貌。超声振动加工孔具有更好的表面质量，尤其是在入孔处。普通电火花加工孔入孔处存在明显的火花放电凹坑，同时表面存在黑色杂质。而超声振动复合电火花加工抑制了该现象，这与超声振动促进加工蚀除物的排出有关。使用光学显微镜观察电极超声振动复合电火花加工孔表面，如图5（c）所示，可以观察到，其表面较为光滑，仅存在较少的重熔颗粒。而无论有无超声信号，受到电极严重损耗以及放电蚀除物沉积的影响，两种方式所加工孔底部表面质量都较差。

图5 所加工小孔及其表面形貌Fig.5 Small holes and their surface topography

对于电火花钻孔加工存在三个阶段：入孔阶段，稳定加工阶段和深孔粗加工阶段，如图6 所示为小孔加工过程与形貌。图6（a）显示入孔阶段，加工刚刚开始，电极逐渐深入到工件内部。此时电极末端边缘由于电场强度较强，首先发生损耗［18］。当电极损耗到一定程度，电极场强最高的位置逐渐转移到中心位置，加工过程逐渐稳定下来，电极由最初的圆柱形变为锥形。由于孔口侧隙工作液流速低，气泡较小不足以排出GH4099熔融颗粒，高温的放电蚀除物迅速冷却附着在入孔处形成重熔颗粒，影响加工质量［9］。图6（b）为稳定加工阶段，电极形状稳定，蚀除产物在气泡的作用下可以及时排出，此时材料去除率和加工表面质量最高。图6（c）为深孔粗加工阶段：随着加工继续深入，电极端面严重损耗，蚀除产物无法顺利地排出，工作液中高浓度的放电蚀除物与电极产生二次放电，甚至引起电弧，电极持续回退，材料去除率变低。在此阶段孔加工质量较差，电极损耗严重。

图6 小孔加工过程与形貌Fig.6 Process and morphology of small holes

对于工作液中的蚀除颗粒，其运动受到自身重力和流场作用力的影响，其中重力、流体对粒子的浮力和曳力对蚀除颗粒影响较大，根据牛顿第二定律蚀除粒子运动满足：

其中：mp，vp，ρp，dp分别为粒子的质量、速度、密度和直径；μ，v和ρ分别为工作液的粘度，速度与密度；Fo为粒子受到的其他作用力，包括萨夫曼升力、压力梯度力等。根据式（5）可知，蚀除粒子运动主要受到工作液流速的影响。

假设工作液不可被压缩，利用Fluent 建立二维电极超声振动极间流场仿真模型，如图7 所示。在一个电极超声振动周期中，极间的工作液受到“挤压”与“释放”，当电极靠近工件时，极间工作液流速降低；而当电极远离工件时，极间工作液流速加快，有利于加工蚀除物的排出，使消电离过程更充分，如图7（b）所示。图7（c）展示了在加工初始8 个超声振动周期内极间工作液流速变化。与无超声振动相比，电极超声振动方式使得极间工作液产生与超声振动周期一致的振荡变化，同时具有更高的平均流速。

图7 电极超声振动极间流场仿真Fig.7 Electrode ultrasonic vibration gap flow field simulation

调整加工深度在0.6 mm～1.5 mm 变化，图8 展示了入口压强为0.4 MPa 时极间工作液流速随加工深度变化曲线。随着加工深度的增加，出口流速和极间流速逐渐降低，蚀除粒子运动减弱，在重力作用下更易在底面沉积，成为影响深孔阶段加工的重要原因。

图8 极间流速随加工深度变化曲线Fig.8 Variation curve of gap flow velocity with machining depth

总体而言，电极超声振动一方面影响火花放电状态，在入孔阶段更易产生火花放电，缩短了入孔时间。另一方面可以改善工作液流动状态，促进放电蚀除物的排出。这使得超声复合小孔加工过程更稳定，孔整体表面质量较好。

图6（d）和（e）分别展示了峰值电流为1 A 时使用普通电火花加工和电极超声振动的电火花加工GH4099 加工600 s 所形成的小孔。其中，电极超声振动加工孔的入口$径为1.259 mm，深度为8.457 mm，相比于普通电火花加工深度提升89.62%。该系统也可以满足深小孔加工需求，应用该系统在峰值电流为6 A 时，可以在150 s 内实现深度为54.25 mm，深径比为46 的GH4099 小孔，如图6（f）所示。

5 结论

本文设计了一种新颖的超声振动复合电火花高速小孔加工系统，采用管电极中心出水、超声振动和电极旋转复合加工方式，并在GH4099工件上进行了一系列小孔加工试验。分析对比了超声振动对电火花加工影响，并在不同加工电流和时间下进行试验，研究了其加工GH4099 小孔的特性，得到了以下结论：

（1）所设计的超声振动复合电火花加工系统可以实现对GH4099 小孔的高效加工。对比普通电火花加工，超声振动复合加工促进了加工蚀除物排出，提升了材料去除率，并且在一定程度上降低了电极损耗。加工电流越小超声振动对电火花加工影响越明显，在峰值电流为6 A 时与普通电火花加工对比，其材料去除率提升了46.42%，相对电极损耗率减少了25.85%。

（2）观察小电流下加工孔形貌，相对于普通电火花加工，超声振动复合加工孔表面质量更好，表面整体更加光滑，孔加工过程更加稳定。但是对于电极严重损耗的端部以及深孔加工阶段，超声振动复合加工也会出现孔表面质量较差的情况。

（3）在峰值电流为1 A 时，使用超声振动复合加工系统加工600 s，可以获得孔径为1.259 mm，孔深度为8.457 mm 的小孔，相比于普通电火花加工系统，加工深度提升89.62%；当峰值电流为6 A 时，该系统可以在150 s 内实现深度为54.25 mm，深径比为46 的GH4099 小孔加工。

综上所述，超声振动复合加工系统可实现针对难加工金属GH4099 的便利且有效的加工。该系统还为其他镍基高温合金或难加工金属加工提供了一种高效可行的解决手段。