电火花深长孔加工新工艺实验研究

姜国振 ， 刘 波 ， 范丽华 ， 孙 凤 ， 徐程程

（1.沈阳工业大学化工装备学院，辽宁 辽阳 111003；2.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870）

随着制造技术的快速发展和制造业市场的激烈竞争，对加工技术的要求越来越高，但同时也为其提供了新的发展方向[1]。本文针对电火花加工原理应用范围及特殊场所加工高效的特点，在保持其加工优势的前提下，基于单因素实验，合理设置电磁驱动器实验装置与传统机床参数，通过对比找出影响加工的因素，优化电火花深长孔加工，以提高电火花加工效率与加工质量。

1 电火花机床加工原理

特种加工技术已经成为能否在国际竞争中取得成功的关键技术，电火花加工技术就是其中之一。电火花加工[2]（Electrical Discharge Machining, EDM）是在一定工作介质中，利用脉冲火花放电对被加工材料进行蚀除。与其他传统的加工方法相比，在电火花加工中，工具电极与工件不接触，即无宏观切削力，而是直接依靠脉冲放电，瞬间产生高温来熔化、汽化工件，从而完成一定形状尺寸要求和表面要求的特种加工方法[3-4]。电火花加工机理示意图如图1所示，图1（a）为放电脉冲形成放电通道图，图1（b）为表面产生熔化甚至汽化物质图，图1（c）为电蚀材料在放电通道内汇集图，图1（d）为极间熔化、汽化产物汇集形成蚀除产物图。

图1 电火花加工机理示意图

总之，电火花加工的物理周期过程是非常短暂而复杂的，每个周期的放电过程包括电动力、电磁力、热动力、流体动力及电化学的作用[5]，然后将工具电极的形状反拷在工件上，完成加工过程。

2 电火花深长孔加工应用领域及加工方法

深孔加工技术广泛应用于国防工业、航空航天、汽车等行业。例如，加工发动机上带冠涡轮盘、叶片，空心透平叶片上打冷却孔等，熔融沉积型3D打印技术中喷头出丝结构微孔的制造[6]。深孔加工的大部分工艺依然采用传统机械钻孔加工的方法，比如早期的扁钻、20世纪初期的枪钻技术、后期经过改进加工方法的BTA法、DF法深孔加工[7]。接触式的工件切除，尤其大深径比的深孔加工刀具细长、刚性差、强度低，易引起刀具偏斜、排屑困难等问题。随着新技术的发展，深长孔加工技术呈现多样化，激光加工、电子束加工、电解加工和电火花加工等特种加工对于深长孔加工在某些领域具有独特的优势[8]，尤其是电火花类设备在特殊材料深孔类加工中占据十分重要的地位。例如，精密小型腔、复杂型面、较大深宽比和长径比的深窄槽和拐角、小孔等，采用电火花加工往往具有较好的效果。电火花孔类加工设备主要有高速电火花小孔机、电火花线切割机、电火花成型机等[9]。

1）高速电火花小孔机技术的出现极大地解决了机械行业的深小孔加工难题，尤其它的一些加工特点是目前其他加工方法无法替代的。细管电极旋转穿孔速度很快，操作简便，具有穿孔效率高、加工精度高、性能可靠等优点，但也存在放电间隙狭窄、容易出现加工锥度和圆角、工具电极损耗严重等缺点。

2）电火花线切割机加工除具有电火花加工的基本特点外，不需要制造形状复杂的工具电极就能加工出以直线为母线的任何二维曲面，且切割窄缝小。在加工过程中，该工艺并不会把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率。但其缺点也很明显，电极丝切割过程中容易突然断丝，穿丝比较麻烦，进行孔类加工时需要预钻孔进行穿丝，孔位置精度有些不理想。

3）电火花成型机主要用于对各类模具、精密零部件等各种导电体的复杂型腔、曲面形体进行加工，具有加工精度高、光洁度高、速度快等特点。实用性强，可以直接从斜面、曲面穿入，用于加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等，但电火花成型机需要制作相对应的成型电极，复杂、特殊电极的制作比较麻烦。

随着技术的发展，行业企业在新设备与新方法方面不断推陈出新。例如，苏州电加工机床研究所的SE-WK018数控电火花微孔机，瑞士GF公司生产的DRILL 300五轴电火花钻孔机床，并制定GF加工方案，对深长孔加工起到明显改善作用[10]。基于此，本文设计了一款新的实验装置，研究了一种新的深长孔加工方法。

3 电火花深长孔加工新工艺及实验研究

本研究为探索一种深长孔加工新工艺，在苏州新火花型号为SPZ450的机床上安装了自主设计的电磁驱动器，通过对传统电火花加工机、PID控制磁力驱动器与该电火花加工机协同控制两种加工方式的分析，优化了加工参数，对比验证了基于电磁驱动器的电火花在深长孔加工放电状态、加工速度、工具损耗速度及加工精度方面的优势。

3.1 电火花深长孔加工实验装置及方案设计

本实验主要加工实验装置如图2所示。

图2 加工实验装置图

通过综合考虑，采用正极性加工，使用直径2mm的黄铜作为工具电极，在45号钢加工孔深度为1 mm的小孔。电火花极间间隙电压作为反馈信号，用Vk表示，Vk信号由外围平均电压检测电路检测和处理。参考电压VL设置为1.5 V，对应于实际加工中电极与工件之间的间隙电压为45 V。Vk作为控制器的反馈信号，反馈信号通过DSPACE1104输入端进行模数转换，对比反馈电压Vk与VL，将极间电压误差e及其变化率ec作为控制器的输入信号。控制器输出的电压信号Ur由DSPACE1104输出端口进行模数转换，进行一系列转换后，最终电压信号Ur经过功率放大器转换成能够控制驱动器的电流信号，这时通过闭环控制磁力驱动器能够保证电极加工时始终保持在有效放电范围。

为确保实验的准确性，根据加工手册及加工经验，电火花加工机床参数在两种加工情况下设置相同参数，如表1所示。加工过程中采用多次测量取平均值方法，分为两组加工，每种加工方式都是加工深度为1 mm的孔，孔数为10个，并记录每个孔的加工时间及每个孔的实际反馈电压值。

表1 电火花机床加工参数

3.2 实验及结果分析

为验证基于电磁驱动器的电火花机床加工相对于传统机床在加工孔上的优势，本实验将从间隙反馈电压、加工速度、电极损耗及加工精度方面进行验证。

1）在用两种方式进行电火花孔加工时，使用间隙电压检测电路对反馈电压Vk进行检测，实时监测放电状态，再通过数字信号处理器进行数据采集。放电状态短路时，反馈电压为0 V；放电状态打开时，反馈电压为3 V，放大30倍，实际极间电压为90 V。传统电火花加工反馈电压图如图3所示，电磁驱动器与机床协同电火花加工反馈电压图如图4所示。

图3 传统电火花加工反馈电压图

图4 电磁驱动器与机床协同电火花加工反馈电压图

通过对比两种加工方式下的反馈电压值，可以发现基于磁力驱动器控制系统下的孔加工在1.5 V范围内波动，响应频繁，增加了放电次数，减少断路和短路的情况，以保证加工的顺利进行。而传统电火花机加工反馈电压波动范围明显，无效放电较多。

2）验证电火花加工速度，针对两种加工方式，分为两组在相同条件下加工，为避免加工的偶然性、异常放电等的影响，每组加工10个孔，采用厚度为2 mm的金属击穿，统计加工的总时间，然后取平均值。两种加工方式加工深度与时间变化的关系，如图5所示。

图5 两种加工方式下加工深度与时间变化图

通过分析可知，传统电火花加工速度低于基于驱动器控制的加工速度，在孔深1 mm前，两者加工速度差别不大，随着深度增加，协同加工速度明显高于传统电火花加工速度。基于驱动器控制可改善极间放电状态，保持相对稳定的加工间隙，促进排屑，进而实现了稳定高效的电火花加工过程。

3）电极损耗方面，加工前保证属性相同的铜电极长度与质量相同，机床加工参数一样。在两种加工方式下，分别加工5个深度相同的孔，加工完成后通过测量装置观察电极形貌与剩余长度，传统电火花加工电极损耗图如图6所示，电磁驱动器与机床协同电火花加工电极损耗图如图7所示。通过对比可知，图6电极端面圆角、曲率变化高于图7协同加工电极。由于协同加工能够在Z轴微动，促进电蚀产物的排除，尤其在深孔加工时，金属颗粒的及时排除可防止电极出现短路、拉弧等非正常放电现象，减少电极的损耗。

图6 传统电火花加工电极损耗图

图7 电磁驱动器与机床协同电火花加工电极损耗图

4）电火花加工的表面质量问题主要表现为加工后表面粗糙度高、裂纹等现象，这些现象会直接影响零件的机械性能与使用年限。电火花孔加工形貌实际图如图8所示，图8左侧为传统电火花加工，右侧为PID控制磁力驱动器与传统电火花加工机床协同控制加工。通过扫描电镜观察其形貌，协同控制加工工件的表面质量得到了有效改善。

图8 电火花孔加工形貌实际图

总之，通过实验并分析实验结果可知，使用电磁驱动器控制的电火花加工，不仅提高了加工效率，也改善了加工质量，本研究探索了一条深长孔加工的新工艺、新方法。

4 结语

1）相比传统的电火花加工，基于磁力驱动器的电火花特种加工，在深长孔加工中能够改善加工过程中的放电状态。

2）通过单因素实验，研究加工原理，找出了影响加工速度、工具损耗速度及加工精度的因素。

3）基于磁力驱动器与传统电火花加工机床协同控制的深长孔电火花加工不仅提高了效率，也改善了加工工件的表面质量。为进一步促进机械制造业中深长孔加工的发展，研究了一种新的加工工艺，使特种加工可以在机械制造业中发挥出更大的价值与作用。

4）研究深长孔加工的影响因素，建立精确的电火花加工过程模型，开发基于电磁驱动器的电火花加工深长孔生产设备是未来的主要方向。