特种加工技术在微小孔加工中的应用

杨彦涛，李自鹏，黄志伟

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

孔加工是机械加工中占比例较大的一种重要加工工序。 据统计，孔加工约占机械加工总量的1/3。 在孔加工中，尤其以小孔、深孔的加工最为困难。 对小孔、微孔、深孔，目前尚无确切的定义，在不同场合下有不同的理解。 一般认为，小孔的直径范围为0.l～3 mm，微孔为小于0.1 mm 的孔，深孔为孔的深度与直径之比（深径比）大于10 的孔。 近年来，随着材料向着高强度、高硬度的方向发展，经常需要在一些高硬度、高强度的难加工材料(如模具钢、硬质合金、陶瓷材料和聚晶金刚石等)上进行小孔、深孔加工。 这些小孔用传统加工方法加工，效率很低，或者根本无法加工。 现代科学技术和工业生产的发展，对难加工材料上的小孔加工技术提出了迫切的需求。

目前，国内外对于难加工材料上的小孔加工主要采用特种加工的方法。 特种加工是20 世纪40 年代以后发展起来的新技术， 它是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量，或使其复合，以实现材料切除的加工方法。特种加工与传统切削、磨削加工的本质区别在于应用加工的能量形式不同。 与常规机械加工方法相比，它具有许多独到之处：（1）不用机械能，加工时无明显的机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。（2）非接触加工，不一定需要工具。（3）不受材料硬度限制。 它瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。 可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料，以及特殊的金属和非金属材料。（4）微细加工，工件表面质量高。由于在特种加工过程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。 其热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小。 （5）通过简单进给运动，加工复杂型面工件。 特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。 由于特种加工技术具有其他常规加工技术无法比拟的优点，在现代加工技术中，它占有越来越重要的地位。

1 微小孔的特种加工方法

微小孔的特种加工方法主要包括电火花加工、电解加工、激光加工、超声波加工、电子束加工等。

1.1 高速电火花加工

高速电火花微小孔加工采用空心的铜管作为工具电极，水基工作液(去离子水，蒸馏水，乳化液)作为加工介质。加工时，电极做回转运动和轴向进给运动，管电极中通入1~10MPa 的高压工作液，工作液通过电极内的毛细管直接被注入到加工区。 这样，使火花放电间隙中的电蚀产物(如金属小屑、 气泡等)被高速流动的工作液迅速冲走，解决了电火花加工小孔过程中的排屑困难的问题。

采用高速电火花加工微小孔，加工速度可达20~60 m/min， 比普通的电火花微小孔加工速度提高几十倍甚至几百倍，加工效率大大提高。 而且，高速电火花可加工深孔(深径比可超过100)，加工的孔形尺寸比较稳定，圆度好、锥度小。 但它一般只能加工直径为0.3~3.0 mm 的孔，加工的表面粗糙度值也较大。

1.2 电解加工

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理，对金属材料进行成型加工的一种工艺方法。 当工具阴极向工件不断进给时，工件材料就按工具阴极型面的形状不断地被溶解，电解产物被高速流动的电解液带走，工件上就加工出与阴极形状近似而相反的型面。 当把工具阴极做成细管，电解液从管中心高速喷出、冲走电解产物时，在工件上就可以加工出小孔。 电解加工的特点为：（1）加工范围广，能在硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热钢合金等材料上加工小孔。 （2）生产效率高，表面粗糙度较好，Ra 值可达0.2~0.8 μm。 （3）加工中没有切削力，加工表面无残余应力和变形，孔口无毛刺和飞边。

1.3 激光加工

激光加工是利用高能量密度（108~1110W/cm2）的激光作为热源，使被加工材料在被加工点产生局部的瞬时高温，成为熔融或气化状态，从而去除材料的。 激光加工的特点为：（1）与材料的硬度无关，几乎能在所有材料上打孔。 （2）速度快，效率高，热影响区小。 （3）对工件几乎无宏观作用力，能在易变形的工件上打孔。 （4）能加工细而深的小孔(小孔直径可小至4~5μm，深径比可达10 以上)。 （5）受输出功率及聚焦的影响， 一般只适宜在薄板上加工小孔。

1.4 超声波加工

超声波加工是利用超声频振动的工具端面，通过磨料悬浮液去加工材料的一种工艺方法。 当工具为细丝或细管时，就能加工出小孔。 超声加工的特点为：（1）能在各种硬脆材料上打小孔，特别是适用于在宝石、陶瓷、玻璃及各种半导体材料上加工小孔。 （2）比电火花加工的精度高、表面光滑。 尺寸精度可达0.01~0.02 mm。 表面粗糙度Ra 值可达0.4~0.1μm，且表面无残余应力、烧伤等不良现象。 （3）由于加工工具很细，工具的制造和装夹困难，在金属上加工小孔时很慢。

目前，国内超声打小孔机床还未普遍使用，仅在一些电火花、电解加工无法加工的材料上打小孔时，才选用超声加工小孔工艺。

1.5 电子束加工

电子束加工是聚焦后能量密度极高的电子束(约106~109W/cm2)在真空条件下以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。 电子束加工的特点为：（1）从理论上说，电子束加工可以加工直径小于1μm 的小孔。 同时，电子束聚焦后的最细部分的长度是其断面直径的数十倍，所以适用于加工小深孔。 （2）易进行程序控制，实现自动化高速打小孔。 （3）电子束打小孔时，作用力小，应力及变形很小，在脆性材料、韧性材料、导体及非导体上均可打小孔。 （4）特别适于加工易氧化的金属及合金材料。

2 复合加工

复合加工是两种或两种以上特种加工方法的组合。 它能成倍地提高加工效率和进一步提高加工质量，是特种加工发展的方向。

2.1 超声波电火花复合小孔加工

为了改善电火花小孔加工过程中的排屑状况，提高加工效率和加工质量，在普通电火花小孔加工的基础上，又发展起来了超声波电火花复合小孔加工。 超声波电火花复合小孔加工是指在电火花加工中，将超声波振动加在工具电极上，使工具电极端面在伺服进给的同时作超声振动，使小孔加工中的排屑状况得到改善，以提高加工的稳定性和生产效率。

超声波电火花复合小孔加工之所以能提高加工效率，是因为工具电极上加上了超声振动之后(频率20~40kHz，振幅1~3μm)，具有了极高的加速度，产生强大的力学效应， 电火花加工液受到强烈地搅动，将电蚀产物充分细化和加速排出。 同时，超声振动保证了电极和工件之间充满工作液，能够防止短路、拉弧和微焊的发生。 最新的研究还表明，在超声波电火花复合小孔加工中，如果使电脉冲与超声振动同步，将使加工效率显著地提高。

2.2 激光和高频振动与电火花加工复合技术

在电火花加工中，电蚀产物排除的畅通程度是影响加工效率的一个重要因素。 一般电蚀产物都是从工具电极的进入侧（上部）排除，为此往往将电极做成管状，中间通入压力油。 由于结构复杂，于是有人提出先用激光在工件上打通底孔(直径小、呈锥形)，再用EDM 加工。 放电过程中产生的气泡膨胀作用，促使放电产生的金属粉末可从孔的下部排除，大大地改善了电蚀产物的排除效率，且气泡的排除速度也加快，能加工出精度高、质量好的孔。

在微孔加工中，为了高效地排除电蚀产物，过去有人提出对工具电极和工作台施加高频振动。 目前又有人提出对工作液施加高频振动，将超声振动头伸入到工作液中的放电加工部位，使加工区域的液体在加工中伴随发生振动。 实验结果表明：对工作液施加高频(目前是28kHz)振动后，加工速度显著提高，且当超声参数调整到最佳值时，工具电极的损耗量也大大地减少。 笔者采用这种超声和EDM复合的方法，用50 μm 的电极在厚度为0.2 mm 的板材上成功地加工了大量的微孔，每孔所用的时间仅为52s。

3 总结

特种加工技术（如电火花加工、电解加工、激光加工等）在小孔加工中的应用，有效地解决了传统加工方法在小孔加工中工作效率低、甚至无法加工的问题，在一定程度上满足了一些尖端制品和新产品对微、小孔及微细深孔的需要。 而复合加工技术在小孔加工中的应用，更有效地解决了小孔加工中存在的问题，将会成为小孔加工技术发展的方向。

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