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      摘要: 現(xiàn)有電火花小孔機(jī)床在加工大深徑比小孔時(shí)存在加工穩(wěn)定性差、小孔質(zhì)量差、相對(duì)電極損耗率大等技術(shù)難點(diǎn)。深入分析D703F 電火花小孔加工機(jī)床的原理及特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明使用一定濃度分散劑聚丙烯酸鈉( PAAS) 作為工作液可大幅提高小孔加工速度、降低相對(duì)電極損耗，但隨著加工小孔深徑比變大，孔內(nèi)加工環(huán)境變差、散熱困難，PAAS 工作液會(huì)產(chǎn)生碳化現(xiàn)象反而阻礙了正常加工。用PAAS 工作液和工件半浸液復(fù)合的方法，使工件在加工時(shí)能良好散熱，減緩PAAS 工作液的碳化現(xiàn)象，正常發(fā)揮分散作用，從而達(dá)到高速加工大深徑比小孔的目的。

      關(guān)鍵詞: 小孔加工; 深徑比; 半浸液加工; 分散劑
 

      電火花加工是利用兩極間脈沖放電時(shí)的電燒蝕現(xiàn)象，使工件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量都達(dá)到預(yù)定要求的加工方法，在模具、刀具、微細(xì)加工等領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。廣義上小孔一般指直徑小于3 mm 的孔; 深孔一般指深徑比L /D 大于5 ～ 8 的孔，其中L 為孔深，D 為孔徑［1］。利用電火花加工深小孔，雖采用高壓沖液和電極旋轉(zhuǎn)，但仍容易造成加工碎屑在孔內(nèi)堆積，使加工不穩(wěn)定，加工速度降低，甚至不能加工，且工具電極損耗后變成錐形，由于集膚效應(yīng)導(dǎo)致加工小孔錐度變大，加工質(zhì)量變差。為克服以上缺點(diǎn)，多數(shù)研究人員嘗試在電火花加工小孔時(shí)使用復(fù)合磁場(chǎng)、復(fù)合超聲、復(fù)合電極、螺旋電極等方法，雖都取得一定效果，但由于工藝復(fù)雜和成本較高，都難于投入深小孔規(guī)模生產(chǎn)。

      研究和實(shí)驗(yàn)僅對(duì)現(xiàn)有電火花小孔機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)，即利用分散劑工作液和工件半浸液復(fù)合的方法來(lái)加工深小孔，以克服現(xiàn)有工藝在加工深徑比大于20 小孔時(shí)出現(xiàn)的加工速度慢、相對(duì)電極損耗大、小孔質(zhì)量不好等問(wèn)題。

      1 、理論分析

      1. 1 分散劑在電火花小孔加工中的理論分析

      PAAS( 聚丙烯酸鈉) 是聚羧酸類水分散劑，分子量小于10 000，具有良好的蟞合性，屬于中性無(wú)污染低泡分散劑，與酸性分散劑相比，對(duì)機(jī)床和工件無(wú)腐蝕作用。PAAS 結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1，參數(shù)見(jiàn)表1

                                           表1 PAAS 參數(shù)

      分散劑PAAS 在電火花小孔加工中的作用機(jī)理有以下幾類: 晶格畸變作用、增溶作用、靜電排斥作用以及使工作液的電導(dǎo)率增強(qiáng)作用。前三類是分散劑PAAS 在工作液中發(fā)揮分散性，使電火花小孔加工時(shí)產(chǎn)生的金屬碎屑和碳粒不易團(tuán)聚，從而達(dá)到有利排屑的目的。由于PAAS 為低分子電解質(zhì)，其水溶液會(huì)產(chǎn)生游離的鈉離子，因此工作液電導(dǎo)率提高，在加工時(shí)使電極和工件之間放電間隙增大，也有利于排屑。

       工作液電導(dǎo)率太大會(huì)在加工表面引起拉弧、短路，且大濃度的PAAS 在高溫下更容易發(fā)生碳化現(xiàn)象，因此PAAS 濃度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)得到電火花小孔加工使用濃度為4‰的PAAS 工作液時(shí)，加工材料去除率達(dá)到最大為1. 93 mm/min，比原有自來(lái)水工作液提高了32. 2%; 相對(duì)電極損耗，比原有自來(lái)水工作液降低了48. 11%。但此時(shí)材料去除率太大，小孔內(nèi)部溫度急劇上升，散熱太慢，分散劑發(fā)生碳化現(xiàn)象，堵塞中空銅管電極出水口或吸附在電極邊緣，從而阻礙正常加工，并且加工深度越大此現(xiàn)象越嚴(yán)重，所以取得最大加工速度的工作液濃度并不能在電火花加工深孔時(shí)適用。為了在此濃度工作液下以最快速度加工深孔，需要使工件更快散熱，減緩分散劑工作液的碳化現(xiàn)象。

      1. 2 電火花小孔工件半浸液加工理論分析

      深小孔加工時(shí)由于工具電極截面積小、小孔深度比較大，存在不利排屑和孔內(nèi)散熱困難的問(wèn)題，導(dǎo)致加工不穩(wěn)定、相對(duì)電極損耗增大。現(xiàn)有電火花小孔加工機(jī)床加工時(shí)利用空心管狀旋轉(zhuǎn)電極高壓沖液的方法，如圖2a 所示，雖有利孔內(nèi)降溫和加工碎屑的排出，但在加工深小孔時(shí)，由于孔內(nèi)的高溫使相對(duì)電極損耗增大，管狀電極呈現(xiàn)錐度，使加工小孔錐度變大，甚至出現(xiàn)電極燒熔無(wú)法正常加工的現(xiàn)象，不能滿足大深徑比小孔加工要求。采用工件半浸液的方法，只需讓工件除加工面外都浸泡在液體內(nèi)，如圖2b 所示，從而在小孔加工時(shí)達(dá)到工件降溫的目的，防止因孔內(nèi)散熱困難影響正常加工。小孔加工時(shí)孔內(nèi)散熱能力的提高，也有利于添加在工作液中的PAAS 正常發(fā)揮分散作用，使電火花小孔加工在最佳速度下加工深小孔，提高工作效率，降低電極損耗。為防止浸泡導(dǎo)致工件生銹，所用的浸泡液使用濃度為3‰的SH － D07 緩蝕劑，該浸泡液由有機(jī)膦酸、聚羧酸等組成，對(duì)碳鋼具有良好的緩蝕效果，參數(shù)見(jiàn)表2。

                                        表2 SH － D07 緩蝕劑參數(shù)

      1. 3 電火花小孔加工工件的熱學(xué)仿真

     運(yùn)用ANSYS 的熱學(xué)模塊Flotran，分別對(duì)現(xiàn)有加工方法和半浸液加工方法進(jìn)行單個(gè)脈沖電火花加工溫度場(chǎng)仿真，以分析工件熱傳導(dǎo)情況。由于電火花加工過(guò)程較復(fù)雜，放電過(guò)程十分短暫，為了方便研究，假設(shè)所涉物理量為定值，且單脈沖的能量和材料去除率恒定。所涉物理參數(shù)見(jiàn)表3; 在建立好的模型上加載16 ℃均勻載荷，電流為9 A，脈寬為35 μs 時(shí)所得出的溫度分布云圖如圖3、圖4 所示。

                                                 表3 Cu、Q235 金屬材料的物理參數(shù)表

      由圖3、4 可見(jiàn)，因工件與水的熱交換系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工件與空氣的熱交換系數(shù)，所以電火花小孔加工在采用工件半浸液后，孔內(nèi)的高溫能更快向外擴(kuò)散，孔內(nèi)溫度降低。相對(duì)于原有加工工藝，此時(shí)PAAS 工作液不易發(fā)生碳化凝膠反應(yīng)，可發(fā)揮正常分散作用，提高加工效率。特別在加工深小孔時(shí)，孔內(nèi)高溫快速擴(kuò)散，可有效降低電極損耗，提高加工精度。

      2 、實(shí)驗(yàn)及分析

     分別用現(xiàn)有電火花小孔加工工藝1、工件半浸液電火花小孔加工工藝2、PAAS 工作液電火花小孔加工工藝3、工件半浸液與PAAS 工作液電火花小孔加工工藝4在鋼板上各加工3 個(gè)孔，見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為D703F 電火花小孔加工機(jī)床，工具電極為負(fù)極，使用1. 5 mm 的黃銅管狀電極; 被加工工件接正極，使用尺寸為30 mm ×60 mm × 155 mm 的Q235 鋼板; 工作液選用濃度為4‰的PAAS 工作液，壓力p 為2. 0 MPa; 工具電極轉(zhuǎn)速n1為120 r /min，加工電流脈沖寬度t 為35μs，電流強(qiáng)度為9 A; 平均最大深徑比為L(zhǎng)－/D，其中L－ 為加工到無(wú)法正常加工的平均孔深，D 為孔徑; 平均加工時(shí)間為T－ ;L－ 與T－ 的比值為小孔加工的平均材料蝕除速度，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，不同加工工藝的平均最大深徑比見(jiàn)圖5，不同加工工藝的平均材料去除率見(jiàn)圖6。

                                                               表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

     根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知:

     ( 1) 工件半浸液電火花小孔加工工藝的平均最大深徑比大于現(xiàn)有電火花小孔加工工藝的平均最大深徑比，這是由于工件半浸液有利于加工小孔內(nèi)部的散熱，減小了高溫對(duì)加工電極的燒傷，通過(guò)黃銅管電極內(nèi)部的高壓工作液能正常噴射到加工面，使小孔內(nèi)部不斷有新的工作液進(jìn)入，干凈的工作液減小了二次放電機(jī)會(huì)，減少了點(diǎn)極回升次數(shù)。

      ( 2) 使用分散劑PAAS 工作液加工深小孔的平均最大深徑比反而小于現(xiàn)有加工工藝，這是因?yàn)榧庸さ揭欢ㄉ疃葧r(shí)，由于孔內(nèi)高溫導(dǎo)致分散劑發(fā)生碳化現(xiàn)象，同時(shí)高溫?zé)齻~電極噴液減小，小孔內(nèi)部工作液變臟，二次放電機(jī)會(huì)增多，有效脈沖減小，電極回升的次數(shù)增多，隨著分散劑碳化的增多，碳化物會(huì)堵塞小孔使加工無(wú)法正常進(jìn)行。

      3 、結(jié)語(yǔ)

     ( 1) 電火花小孔加工時(shí)使用高分子類分散劑時(shí)，要防止高溫引起的高分子碳化現(xiàn)象，否則會(huì)阻礙正常加工。在良好散熱條件下使用4‰的PAAS 工作液加工深孔，依然能保持良好的分散性。

     ( 2) 采用改進(jìn)后的電火花小孔加工工藝能取得較大深徑比的小孔，與原有加工工藝相比平均最大深徑提高了57. 01%，且平均材料去除率優(yōu)于前者。

     ( 3) 相對(duì)其他工藝，工件半浸液與PAAS 工作液電火花小孔加工工藝對(duì)設(shè)備和操作要求較低，使用成本較低，為現(xiàn)有電火花小孔加工提供了參考。