高速电火花小孔加工的研究和优缺点分析

高速电火花小孔加工技术的研究和优缺点分析

摘要

本文总结了高速电火花小孔加工技术的原理，技术特点以及其相比较其他常规的小孔加工加工工艺的优缺点分析

【关键词】电火花加工深小孔加工研究现状高速电火花小孔加工技术优缺点分析

1.概述

随着科学技术的进步和工业生产的发展，微孔及深孔的应用越来越广泛。在喷油嘴、过滤器、喷丝板孔、印刷电路板以及打印机打印头等元器件上都能见到微小孔的踪迹。传统观念认为直径为0.1-3mm的孔为小孔，小于0.1mm的为微孔，深径比大于10以上的孔称为深孔。微小深孔的加工在工艺上是比较困难的，例如用线切割加工的模具的穿丝孔，其结构尺寸直径为1mm左右，深径比为(20-100):1。特别是对孔径尺寸和孔的精度有一定要求的孔，加工起来更加困难，例如航空发动机零件的发汗孔，孔径一般在几十微米，用传统工艺方法已经很难实现对上述孔的加工。

电火花小孔加工就体现了它的优势。电火花加工小孔常用于高硬度金属材料的加工中，它在提高生产效率和增加孔的深径比等方面有一定的优势。但是成型精度不易控制，因而需要对高速电火花深小孔加工技术及优缺点进行深入分析。

2.背景

2.1 深小孔加工现状

孔加工是机械加工中所占比例较大的一道重要加工工序。据统计，孔加工约占机械加工总量的三分之一，占机械加工时间的四分之一。在孔加工中尤其以深小孔的加工最为困难。深小孔的加工在机械加工中面临很大的挑战，特别是在模具钢、硬质合金、陶瓷材料和聚晶金刚石等高强度、高硬度的材料上进行深小孔加工尤为困难。机械加工方法效率很低，例如采用金刚石钻头加工，主轴转速2000 r/min，进给速度200 mm/ min，只能加工深径比小于20:1的孔。随着加工深度的增加导致排屑不畅，甚至无法正常加工。随着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有了迫切的需求。机械钻削方法在高硬度材料上加工深小孔效率很低，孔越深，切屑越不容易排出，在出口处容易发生堵塞，再者是很难将切削液导入切削区，由于加工不稳定钻头容易折断，这些因素都将导致孔的精度下降(包括孔的圆柱度及表面粗糙度)。

其他常见的加工小孔的特种加工方法有：电子束加工、激光束加工、离子束加工和电液束流加工等。特种加工方法通常采用各种物理、化学能量及其各种理化效应，直接去除材料以达到所要求的形状和尺寸。其中电火花加工应用比较广泛，它是非接触式加工，没有机械切削力作用，孔的加工效率比较高，因此研究电火花加工在小孔加工方面的应用及优缺点是很有必要的。

3.高速电火花小孔加工技术

3.1电火花加工概述

电火花加工又称放电加工(EleetriealDiseharseMaehining，简称EDM)，是一种直接利用电能进行加工的新工艺。电火花加工与金属切削加工的原理不同，在加工过程中，工具和工件并不直接接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲火花放电，靠放电时产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉。电火花加工小孔有两种方法，即电火花穿孔和高速电火花小孔加工。这里我们来介绍一下高速电火花小孔加工的基本原理并介绍一下它与其他加工方法的对比及优缺点。

3.2高速电火花小孔加工技术

3.2.1高速电火花小孔加工技术原理

八十年代初，日本首先成功地发展了高速电火花小孔加工技术。该技术以其独特优异的加工性能，受到了世界各国有关行业的普遍重视。被认为是电加工领域继电火花成型加工、电火花线切割加工之后的第三大支柱。其基本加工原理如图所示。采用铜管作为电极，由导向器导向。在电极与工件之间施加高效脉冲电源。加工时，主轴滑块在伺服系统的控制下，带动电极作伺服进给，高压水质工作液从电极的内孔中喷出，对加工区域实施强迫排屑及冷却。为了使加工的孔不发生偏斜，加工中电极还必须旋转。形成高速电火花小孔加工的基本条件归纳主要有:

(1)高压水质工作液对加工区域实施强迫冷却和排屑;

(2)高效脉冲电源;

(3)性能优良的伺服系统;

(4)性能优良的导向器;

(5)高质量参数合理的铜管电极;

3.2.2高速电火花小孔加工技术特点

高速电火花小孔加工技术可以在各种导电材料(包括一些高强度、高硬度的难加工材料，如淬火钢、硬质合金、工程陶瓷等)上高速地加工出必0.3~3mm的深小孔，加工速度可达20一60mm/min，最大深径比可超过200。目前，该工艺已广泛应用于航天、航空、模具、液压等工业生产中。从本质上讲，高速电火花小孔加工工艺虽然仍属于电火花加工的范畴，但是由于在高速电火花小孔加工过

程中采取了一些特殊的工艺措施，势必会对高速电火花小孔加工的微观物理过程产生一些影响，使其加工机理呈现出一定的特殊性。与普通电火花加工相比，高速电火花小孔加工工艺采取了以下特殊的工艺措施:

(1)用水基工作液作为加工介质;

(2)采用了高压内冲液方法进行强迫排屑;

(3)加工中一般采用大峰值电流、窄脉冲宽度的电规准。

4.优缺点分析

该技术较好地解决了大量长期以来困扰各有关行业的深小孔加工难题，它的一些加工特点是目前其它加工方法无法替代的。

4.1优点

(1)加工孔径范围一般在φ0.3mm一φ3mm，深径比能达200:1以上。这是其相

比于其他工艺非常重要的一个优点——对于小径深孔的加工。由于高速电火花小孔加工技术使用水基工作液作为加工介质，因其电导率大，在极间电压作用下会产生介电系数与水不同的氢气，从而导致放电间隙增大，增加击穿延时，提高效率。另外，由于在加工过程中，脉冲间隔很小，使得脉冲频率大大增加，脉冲电源的有效利用率大大增加，进一步提高了效率，获得了高效的生产率。

(2)加工速度一般能达20~60mm/min，而且加工深度对其影响相对不大，是电火

花加工第一次在速度上能与机械加工相比拟。并且，与常规电火花小孔加工技术相比，由于水基工作液高速地流过工作间隙，将放电间隙中的蚀除物迅速排出间隙，并且还有良好的冷却性能，因而整个过程速度快，消电离过程快，精度高。

(3)直接从斜面、曲面穿入，加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等。

(4)不受材料的硬度及韧性限制，除了能加工一般的导电材料以外，还能顺利加

工不锈钢、淬火钢、硬质合金、钦合金、淬钢等难加工材料。而普通加工方法手材料还有刀具的硬度和韧性限制较大。

(5)加工孔的尺寸一致性，一般能在0.03mm~0.05mm左右，圆度在

0.02mm~0.03mm左右，表面粗糙度Ra 3.5um左右，能满足一定的垂直度要

求。

4.1缺点

(1)放电间隙狭窄。电火花放电加工中工具电极与工件间的绝缘工作介质有一定

的的介电常数，放电加工时有一定的击穿间隙(放电间隙)，因此放电加工后工件的尺寸与工具电极的尺寸并不完全一致。而且放电间隙是随电参数、电极材料、工作液等因素的变化而变化的，从而影响了加工精度[22]。间隙越大，则复制精度越差，特别是对复杂形状的加工表面。如电极为尖角时，而由于放电间隙的等距离，工件则为圆角。因此，为了减少加工尺寸误差，应该采用较弱小的加工规准，缩小放电间隙，另外还必须尽可能使加工过程稳定。

(2)容易出现加工锥度和圆角。由于工具电极下面部分加工时间长，损耗大，因

此电极变小，而入口处由于电蚀产物的存在，易发生因电蚀产物的介入而再次进行的非正常放电(即"二次放电")，因而产生加工斜度。这就要求高压水质工作液必须有一定的速度，并且持续工作。

(3)工具电极损耗严重。火花加工是靠高温熔化气化金属实现对工件的加工，工

具电极必须是导电金属用来传导电能，所以在高温和带电粒子的撞击作用下工具电极也存在损耗，特别是在电参数选择不当的情况下，电极的损耗更加明显。

参考文献

【1】张凤莲.深小孔加工[J].机械设计，2004(4): 46-48.

【2】刘晋春，赵家齐，赵万生主编.特种加工[M].北京:机械工业出版社，2000: 156-167. 【3】叶军.电火花高速小孔加工技术及其应用，2004

【4】曹明让. 电火花小孔加工速度的工艺试验研究，2005

【5】李立青，郭艳玲，白基成，郭永丰.电火花加工技术研究的发展趋势预测.机床与液压.2008年02期