（机械制造及其自动化专业论文）超大深径比深小孔电火花加工工艺研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术和现代工业的持续发展，深小孔已经广泛地出现在航空、航天、 军事以及许多民用行业。为了解决d , 孑l n 工不断提高的技术要求，人们在不断改 进传统加工方法的同时，也在不断研究新的加工方法。 超大深径比深小孔的加工一直是制造行业的难题，深径比超过1 0 0 0 的深d , - 孑l 加工更是世界级的难题，尤其是直径小于矽3 聊聊的深小孔。对于这一类深小：y l j j 口工， 传统的机械加工方法已经难以胜任。人们一直在特种加工领域寻求更好的解决方 案，电火花深d , 孑l n 工是其中比较成熟的一种加工方法。 本论文首先分析了目前的电火花深d , - 孑l j j n 工机床对超大深径比小孔加工存在 的问题，如排残屑、散热及导向困难，稳定性差，粗糙度高，直线度差等。在此 基础上，为克服上述问题设计了一种其导向、稳定性与加工深度无关的自导向、 自稳定的特殊电极，此电极也可以复合机械磨削，并给出了可靠的工艺实施方案 方法，提出了独特的工件倒置安装方式，表述了加工规律和试验结果。较好的解 决了上述问题，大大的提高了深小孔的加工质量。 本工艺方案的实验研究使用的设备，是一台添加了电极夹持机构、电极- t l s i , 导向装置及中高压供液系统的d k 7 7 3 2 g 型电火花精密成型加工机床。文中，对电 极夹持机构、电极孔外导向装置、高压供液系统的各个零件进行了具体的设计， 给出了详细的设计图纸。根据设计的方案，试制了孔内导向电极及整套辅助装置， 经过多次重复试验，获得了宝贵的试验数据，分析存在的问题，进行了有效的改 进。 最后，对完成的制品进行检测，证明了本研究提出的新颖思想和方法可以稳 定地提高加工质量。实验结果表明，本文提出的深小孔加工方案，可以在普通的 电火花机床上，添加必要的辅助装置，完成高精度的超大深径比深小孔的电火花 加工。这些研究也为电火花深d , - 孑l n 工专机的设计、制造提供新的思路和启迪。 关键词超大深径比深小孑l ；电火花加工；自导向管电极；电火花加工复合机械磨 削；倒置安装 广东t 业人学t 学硕i ：学位论文 a b s t r a c t w i t hm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h e i n d u s t r y ，d e e ps m a l lh o l e sh a v ea p p e a r e dw i d e l yi nt h ea v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，m i l i t a r y a n dm a n yc i v i l i a ni n d u s t r i e s t oa d d r e s st h ei n c r e a s i n gp r o c e s s i n gs m a l lt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，i ti sc o n t i n u o u si m p r o v e m e n ti nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ；i ti s a l s oc o n t i n u i n gt os t u d yn e wm e t h o d so fp r o c e s s i n g ni sad i m c u l tm a c h i n i n gi s s u eo fw o r l dl e v e lf o rm i c r o h o l eo fe x t r al a r g e a s p e c tr a t i o ，e s p e c i a l l yf o rt h o s ew i t ha s p e c tr a t i oo v e rl0 0 0 ，i np a r t i c u l a r s m a l l e r t h a n # 3 r a mt h ed i a m e t e ro ft h ed e e ph o l e f o rt h i st y p eo fd e e ph o l ep r o c e s s i n g ，t h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gm e t h o d sh a v eb e e nd i f f i c u l tt od o i th a sb e e ni nt h e f i e l do fs p e c i a lp r o c e s s i n gt of m dab e t t e rs o l u t i o n , e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g d e e ph o l ew h i c h i sam o r em a t u r ep r o c e s s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r o b l e m st h a tt h ec u r r e n td e e ph o l ee d m m a c h i n et o o l sm a c h i n el a r g ea s p e c tr a t i oh o l e s s u c ha sd i f f i c u l te v a c u a t i o nf o rd e b r i s d i s p e r s eo fh e a tg e n e r a t e di nm a c h i n i n g ，n op r o p e rw a yt og u i d et h et u b ee l e c t r o d e ， p o o rs t a b i l i t y ，h i g hr o u g h n e s s ，s t r a i g h t n e s sp o o ra n ds oo n o nt h i sb a s i s ，i no r d e rt o o v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，as p e c i a ls e l fg u i d ea n ds e l fs t a b i l i z a t i o ne l e c t r o d ei s d e s i g n e dt h a tg u i d i n ga n ds t a b i l i t yh a sn o t h i n gt od o 、航t ht h ed e p t ho fp r o c e s s i n g t h e e l e c t r o d e sc a l la l s oc o m p o u n dg r i n d i n gm a c h i n e ，a n dg i v e sar e l i a b l ea n dp r a c t i c a b l e m e t h o d w ep u tf o r w a r ds p e c i a lm e t h o dt h a ti n s t a l l sw o r kp i e c eu p s i d e d o w n w e e x p l a i n e dt h em a c h i n er u l ea n dt e s t e dr e s u l t w eb e t t e rs o l v et h ea b o v e m e n t i o n e d p r o b l e m s t h eq u a l i t yo ft h ep r o c e s s i n go fd e e ph o l e sh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d 砀ee q u i p m e n tu s e df o re x p e r i m e n t a lp r o g r a mo ft h i sp r o c e s si sa s p a r k d k 7 7 3 2 gp r e c i s i o nf o r m i n gm a c h i n et o o l so nt h eb a s i so fa d d i n gt h ee l e c t r o d e c l a m pb o d i e s o u t s i d et h eh o l eo r i e n t e dd e v i c e s h i g h p r e s s u r eh y d r a u l i cs y s t e m 1 1 l e a r t i c l e ，o nt h ee l e c t r o d ec l a m pb o d i e s ，e l e c t r o d e so u t s i d et h eh o l eo r i e n t e dd e v i c e s h i g h - p r e s s u r eh y d r a u l i cs y s t e mf o rt h ev a r i o u sc o m p o n e n t sh a das p e c i f i cd e s i g n , g i v e sam o r ed e t a i l e dd e s i g nd r a w i n g a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no ft h ep r o g r a m ，at r i a l s e to fd e v i c e sh a sb e e np r o d u c e d t h r o u g hr e p e t i t i v et e s t i n g ，w eo b t a i n e dv a l u a b l e d a t aa n a l y s i so ft h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，c a r r yo u ta ne f f e c t i v ei m p r o v e m e n t f i n a l l y w eh a v ec o m p l e t e dt e s t i n gp r o d u c t s t l l i ss t u d yp r o v e dt h a tt h e p r o p o s e dn e wi d e a sa n dw a y st oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fp r o c e s s i n gq u a l i t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e 印h o l ep r o c e s s i n gp r o g r a mc a nc o m p l e t et h e h i g h - p r e c i s i o nm i c r o - h o l eo fe x t r al a r g ea s p e c tr a t i oo no r d i n a r ym a c h i n e a d d i n gt h e n e c e s s a r ya u x i l i a r yf a c i l i t i e s t h e s es t u d i e sa l s op r o v i d e dn e wi d e a sa n di n s p i r a t i o n f o rd e e ph o l ee d mm a c h i n ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：m i c r o h o l eo fe x t r al a r g ea s p e c tr a t i o ；e l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ；s e l f - g u i d et u b ee l e c t r o d e ；e d mc o m b i n i n gm e c h a n i c a lg r i n d i n ge l e c t r o d e ； u p - s i d e - d o w ni n s t a l l a t i o n 独创性生明 独立性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我同一工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书和在广东轻工职业技术学院工作 期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指矧币酶知 论文作者签字：丧战 沙。2 年ip 月7 同 jlr 芝j节 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 随着科学技术和现代工业的发展，各领域对机械产品及其零部件使用要求越来 越高。许多领域对零部件的小型化、微型化及特性都提出了更高的要求。微小孔 已经广泛地出现在航空、航天、军事以及许多民用行业( 例如：电路板、喷丝板、 喷油嘴、模具、医疗卫生用具、钟表等行业) ，微小孔可谓无处不在。另外需要微 加工的材料也朝着高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀的方向发展，例如高温合金、 钛合金、超高强度钢、不锈钢等。 为了解决微小孔加工不断提高的技术要求，人们在不断改进传统加工方法的同 时，也在不断研究新的加工方法。 本课题是在学习和吸收前人研究成果的基础上提出的，拟采用一种电极孔内自 导向的方法提高深小孔电火花加工的直线度、降低粗糙度。在现有电火花深孔加 工工艺及设备的基础上，研究超深微孔的孔内自导向，探索电火花与机械磨削复 合加工技术，探索电极制作工艺，设计电火花小- 孑l , t h 工的电极夹持进给机构。最 终的目的是增加微孔加工的深径比、提高直线度、降低粗糙度。 课题在前人研究与实践的基础上，探索高速电火花深小孔加工的孔内自导向问 题，提高加工精度、扩展加工能力和应用范围，其意义体现在： 1 提高微, j , 孑l j j o 工直线度：通过给电极添加孔内自导向措施，提高微小孔加工 直线度。 2 增大小孔加工深径比：增大小孔加工的深径比，会产生一些新的问题，例如： 排屑、电极的偏摆等。通过增大油压、给电极增加内外部导向等措施解决。 3 降低孑l 表面粗糙度：通过在电极上螺旋涂覆磨料，即不影响排屑，又可以在 电火花加工的过程中磨削孔表面，达到降低孔表面粗糙度的目的。预计可实施于 ( p 2 m m 以上的孔加工中。 4 电极间歇进给：对于批量生产或成批打孔，电极的损耗补偿是一个难点。 人工补偿将会大大降低生产率，因此设计一套简单易用、造价低廉的电极夹持进 给机构非常必要。该机构方便电极更换、能自动完成电极间歇进给、可驱动电极 旋转平衡损耗。 1 广东t 业大学t 学硕i j 学位论文 1 2 国内外研究和应用现状 1 2 1 深小孔加工技术的国内外研究与应用现状 目前，大约有5 0 余种微小孔加工方法。按照加工原理不同一般可分为机械加工 和特种加工两类。机械加工方法包括钻、冲、磨等，特种加工方法包括电火花、 超声、激光、电解、电子束等n 1 。 机械加工微小孔，主要方法是钻削。即利用钻削刀具去除毛坯材料，得到所需 的零件尺寸及形状，是一种历史悠久的传统加工方法，在各个加工领域应用广泛。 钻削加工具有生产率高、不受材料导电性能限制、加工出的微小孔深径比大、表 面质量和加工精度较高，是一种兼具经济性和高精度的高效率加工手段。在电子、 精密机械、仪器仪表等行业，应用非常广泛，仍然是优先选用的孔加工手段。但 微小孔的钻削加工仍存许多局限性，限制其应用空间。随着钻头直径变小，其制 造变得越来越困难。且因钻头直径的减小，其刚度、强度显著降低，极易在切削 力或机床振动等外力作用下折断。钻头直径小，相应的容屑空间也会小，加工深 孑l 时，切屑排出、散热均困难，钻削条件恶劣。要实现稳定钻孔难度相当大。在 小孔钻削时，为了获得一定的切削速度，需要很高的转速，一般要求在1 0 0 0 0 r m i n 以上，并且要求主轴的回转误差很小乜1 。这就对机床提出了更高的要求。在加 工难加工材料时，需要更高性能的钻削刀具，刀具成本大大增加。随着新的机械 加工设备、新工艺、新刀具的出现，钻削加工能力有了很大提高。日本住友电工 公司推出的一种m d s s 型硬质合金钻头，最小直径仅为0 3 0 n ，最大加工深度为 ：z d2 o u o n ；该公司还生产一种o 2m m 硬质合金钻头，最大加工深度达 1 0 d = 2 m m 引。 激光加工微小孔，主要利用光热烧蚀和光化学烧蚀的方法去除材料。光热烧蚀 指被加工的材料吸收高能量的激光，在极短时间内加热到熔化并被蒸发掉的成孔 原理。光化学烧蚀是利用激光波长低于4 0 0n l l l 的高能量光子破坏有机材料的长分 子链，使之成为更小的微粒，其能量大于原分子，极易从中逸出，在外界强吸力 作用下，基板材料被快速除去而形成微小孔。激光加工的特点是：与材料特性无 关，几乎能在所有材料上打孔，打孔效率极高，热影响区小；不存在工具损耗等 问题，加工孔的大小主要取决于激光的波长、能量密度、激光类型和被加工板厚 度，对工件几乎无宏观作用力，所以能在易变形的工件上打孔，易实现自动化连 续操作；能加工细而深的小孔，小孔直径可小至矽4 5 卢t r n ，长径比可达2 0 ：l 以上； 2 第一章绪论 加工出的小孔粗糙度大，圆度不好，易形成喇叭口，孔的精度一般比较低；受输 出功率及聚焦的影响，一般只适宜在薄板上加工小孔；激光打小孔的设备价格较 贵，限制了它的应用。为解决激光加工的技术难题，不少企业进行专门研究，研 发出了更加实用的专用激光加工中心。例如德国的德马吉公司( d m g ) 的d m i 系列 激光加工中心，激光束峰值输出功率可达1 0 - - 2 0k w ，零件表面粗糙度可达 心= 1 a n ，额外的控制轴解决了激光加工中出现的类似拔模斜度的倾角问题。利用 该激光加工中心，可加工出的最小直径为s p , n ，深达2 0r r l l n 的微小孔h 1 。 超声加工微小孔，利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨 料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料。或利用工件产生 超声振动使磨料进行加工的方法。通过磨料磨削工件进行超声加工，切削力及切 削热都很小，不会损伤工件，加工精度及表面质量较高。这种超声加工方法适用 于各种硬脆材料、尤其是可以加工不导电的非金属绝缘材料，如在玻璃板上精密 加工微小孔以及加工金刚石模具的变截面圆孔和异型孔。已有研究者在矽硅酸硼 玻璃上加工出直径约为# 1 8 0 a a n 的微小孔瞒1 。磨料磨削的超声加工的缺点是：工具 的制备和安装比较困难，工具易于磨损，影响孔加工精度。在进行微细加工时由 于振幅小，功率小，加工速度偏低。超声加工越来越多地被用来与其它加工方法 复合形成新的加工方法。例如前面介绍的超声电火花加工技术。利用超声振动与 微小孔钻削技术相结合形成的超声振动钻削技术，也是一个有前途的研究方向。 此外，研究高效实用的超声加工设备也是其主要的发展方向。东京大学生产技术 研究所成功制作了微细工具并解决了微细工具装夹、工具回转精度等问题，采用 工件加振动的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5 p m 的微小孔。德 国德马吉公司( d m g ) 展出的产品d m s 3 5 u l t r a s o n i c 超声振动加工机床，主轴转速 3 0 0 0 4 0 0 0 0r m i n ，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式 相比，生产效率提高5 倍，加工表面粗糙度r a 1 0 0 3 稍好 5 3 l o 0 4 好 3 51 2 0 5好3 00 8 o 6 好 2 41 0 o 7好2 11 o 0 8 好 1 2 3 0 o 9 好 0 5 1 0 l好 结论：环氧树脂用量为8 l o 份、棕刚玉( 8 0 目) 用量为1 0 0 1 2 0 份、分散剂 用量为0 5 0 6 份时，l p s r 环氧树脂棕刚玉复合材料的硬度适中，磨砺性能较好， 其弹性砂轮打磨的异型金属表面粗糙度可达r a 0 8 m 以下。因此用此配方作为复 合机械磨削电极的涂覆材料很合适，下面需要重点解决的问题就是：涂覆工艺。 广东t 业人学t 学硕i j 学位论文 3 3 电参数的选择 电火花加工中，电源参数的选择对深d , - 孑l 电火花加工精度的影响也很大，现 以实验的方式研究在不同电源参数的情况下，以加工效率、电极相对损耗率及表 面粗糙度为评价指标，对深小孔电火花加工精度的影响。 电火花加工的工艺参数可分为电参数和非电参数2 5 1 。电参数主要是脉冲电源 的参数，有加工极性、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电压和峰值电流等。非电参数 主要有冲油或抽油的方式、压力、流量，抬刀高度、频率，平动方式、平动量的 大小等，它们相互影响，给参数的选择增加了难度，为了使经验公式不致过分复 杂，又能反映实际加工情况，仅对峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔进行试验，其 它因素作常数处理。 3 3 1 电参数选择的一般规律 针对数控电火花成形加工机床，电火花加工电参数选择的一般规律是： 1 脉宽，。( p s ) 越大、粗糙度越大，但消耗小，所以一般粗加工时选1 5 0 6 0 0 ； 精加工时逐渐减少。 2 脉冲间隔，o ( “s ) 增大时，电极损耗会增大，但有利于排渣。本数控电火花成 形加工机床具有e d m 自动匹配功能，一般情况下脉间由自动匹配而定，若发现积 碳严重时可将自动匹配后的脉间再加大一挡。 3 峰值电压以v ) 的选择：在加工大面积或深孔时可适当加大高压电流，以有 利排渣，防积碳。高压电流大时，损耗会稍有所增加。 4 峰值电流“a ) 选择：根据电极放电面积确定的，一般每平方厘米不超过6 a ， 选择过大时速度提高了，但会增加电极损耗。 3 3 2 电参数对加工工艺效果的影响 反映电火花加工工艺效果的丰要指标【2 6 j 有：加工精度、表面质量、加工速度和电 极损耗比等。 1 影响加工速度的因素 是指一定规准下单位时问内工件被蚀除的体积或质量。它主要受电参数、极 性效应、工件材质、工作液种类等因素的影响。 电参数的影响：加工速度正比于单个脉冲放电能量和脉冲频率厂。用公式 表示为： = k 咖3 1 第三章提高深小孔电火仡加t 精度的关键冈素分析 式中k ：与电极材料、工作液等有关的工艺参数 矽：有效脉冲利用率 极性效应的影响：极性效应即加工中由于工件接脉冲电源的极性不同而发生 的蚀除速度不一样的现象。实践证明，材料不同，电参数等不同，极性效应的影 响也各不相同。在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的 轰击和瞬时热源的作用，在两汲表面听分配到的能量不一样，因而熔化、气化抛 出的电蚀量也不一样。因为电子的质量和惯性均小，容易获得很高的加速度和速 度。在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极。把能量传递给阳极表面， 使电极材料迅速熔化和气化，而正离子则由于质量和惯性较大启动和加速较慢， 在击穿放电的初始阶段，大量的j 下离子来不及到达负极表面，到达负极表明及传 递能量的只有一小部分正离子，所以在用短脉冲加工时，负电子对正极的轰击作 用大于上离子对负极的轰击作用因此正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度，这 时工件应接正极。当采用长脉冲( 即放电持续时间较长) 加工时，质量和惯性大的正 离子将有足够的时间加速，到达并轰击负极表面的离子数将随放电时间的增长而 增多，由于正离子的质量大。对负极表面的轰击破坏作用强，同时自由电子挣脱 负极时要从负极获取逸出功，而正离子到达负极后与电子结合释放位能，故长脉 宽时负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。 因此，用纯铜电极加工钢，精加工时，应选用正极性加工；粗加工时，应采 用负极性加工，可以得到较高的加工速度和较低的电极损耗。 工件材料热学常数的影响：材料的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、汽化潜 热等愈高，电蚀量愈小，加工速度愈低；相反，导热系数愈高，热量损失愈大， 蚀除量愈大； 工作液的影响：工作液的主要作用是：介电作用；压缩放电通道，提高能量 密度；帮助电蚀物抛出与排除；冷却工具与工件，传散余热。 兼顾上述作用，目前用作工作液的主要有粘度小、流动性好、渗透性好、价 廉的煤油及专用油、水等。 工作液对加工速度的影响既大又复杂，如：煤油作为工作液，加工速度不如 用水快，但用水加工时，加工表面质量较差。 因此，提高加工速度的途径在于：提高脉冲频率；增加单个脉冲放电能量； 设法提高工艺系数。同时还应考虑这些因素问的相互制约关系和对其它工艺指标 3 5 广东t 业人学丁学硕i ：学位论文 的影响。 提高脉冲频率可缩小脉冲停歇时间，但脉冲停歇时问过短，会使加工区工作 液来不及排除电蚀产物及气泡来恢复其绝缘性能，以致形成破坏性的稳定电弧放 电，使电火花加工过程不能正常进行。 增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增 加可以提高加工速度，但同时会恶化表面粗糙度和降低加工精度，因此一般只用 于粗加工和半精加工的场合。 提高工艺系数的途径很多，例如：合理选用电极材料、电参数和工作液，改 善工作液的循环过滤方式等，从而提高有效脉冲利用率，达到提高工艺系数的目 的。 电火花成形加工的加工速度分别为：粗加工( 加工表面粗糙度兄= 1 0 2 0 , w n ) 时可达2 0 0 - - - 一1 0 0 0 m m 3 m i n ；半精加工( 兄= 2 5 1 0 o n ) 时，降低到2 0 1 0 0 r a m 3 m i n ， 精加工( 兄= 0 3 2 2 5 一o n ) 时一般都在1 0 m m 3 m i n 以下。随着表面粗糙度值的减小， 加工速度显著下降。 2 影响加工精度的主要因素 机床本身精度、工具电极的尺寸和形状精度、工具、工件装央误差、放电间 隙、电极损耗等。 尺寸精度的影响：电火花加工中，放电间隙随时都在变化，且与电参数等有 关。用万表示单面放电间隙，万增大，其在加工过程中的波动范围亦增大，加工精 度降低；工件形状复杂程度愈高，或电极的损耗愈大，万就愈不均匀，加工精度 就愈低。 形状精度的影响：加工斜度：电火花加工，电极或工件侧面必然有斜度，产 生原因有：二次放电和电极损耗。 二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非必要的放 电，它使加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝。 产生加工斜度的情况如图3 1l 所示，由于工具电极下端部加工时间长，绝对 损耗大，而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二次放电”的机率大， 而使放电间隙扩大，因而产生了加工斜度。 实践中可有效利用此特性，如冲裁凹模正打反用，正好作为漏料斜度；型腔 模，可作为拔模斜度。 第三章提高深小孔电火花加t 精度的关键【大1 素分析 上4 i u 韫 。 k y 电极无损耗时的工具轮廓线电极有损耗而不考虑二次放电时的- t 件轮廓线 图3 1 1 电火花加t 时的加工斜度 f i g 3 - 11t h eg r a d i e n to fe d mp r o c e s s i n g 加工圆角：电火花加工由其加工原理决定，加工不出绝对的尖角、锐边，而 是形成小圆角。即使将工具电极做成尖角、锐边，由于加工中的尖端放电和角部 间隙电场畸变，依然加工不出尖角或尖棱。产生加工圆角的情况见图3 1 2 所示。 通过调整电参数，可以使圆角半径达到很小( 如可达r = 0 o l m m ) 。 工具电极 工件 aj b ) 图3 1 2 电火花加工时尖角变圆 f i g 3 1 2r o u n d i n gc o r n e ro fe d mp r o c e s s i n g 3 表面质量 影响电火花加工表面质量的主要因素可从表面粗糙度、加工表面层的组织变 化、表面微裂纹三个方面来分析 表面粗糙度：电火花加工出的表面，由一系列小凹坑组成，无光泽，但润滑 性能、耐磨性能比机加工好。单个脉冲能量越大，凹坑越大，表面粗糙度值就越 大。表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用如下经验公式来表示： 疋= 磁，i n 4 3 2 式中 疋：实测的表面粗糙度( 彬) ； k r ：常数，铜加工钢时常取2 3 ； t ：单个脉冲放电时间( a s ) ； 3 7 广东t 业人学t 学硕l j 学位论文 ，：脉冲峰值电流( a ) 。 加工表面层组织变化：火花放电的瞬时高温和工作液的冷却，造成了工件加 工表面层组织变化。工件加工表面层可粗略分为熔融凝固层，淬火层、热影响层， 见图3 1 3 所示。熔融凝固层和淬火层的硬度较大，组织与基体完全不同，热影响 层与基体无明显界限。 图3 - 1 3 表面变化层断面图解 f i g 3 - 13c h a n g e si nt h es u r f a c el a y e rc r o s s - s e c t i o nd i a g r a m 表面微裂纹：因为加工时的瞬时高温和速冷，造成表面产生拉应力，出现微 裂纹。单个脉冲能量增加，微裂纹宽度、深度增加。单个脉冲能量很小时，不出 现微裂纹。工件材料不同，微裂纹出现情况也不同。 3 3 3 电参数的选择实验 实验一脉冲宽度对深小孑l 电火花加工性能的影响 实验参数：放电电压9 0 v ；间隙电压6 0 v ；抬刀高度档数2 ；抬刀周期档数2 ； 脉冲间隔，o = 2 9 s ；峰值电流f = 3 a 。 电极：外径3 m m ，内径矽1 5 m m ，电解铜 工件材料：4 5 加工液：去离子水 图3 1 4 , - 一图3 1 6 为脉冲宽度与深小孔电火花加工的加工速度、电极损耗和工件 表面粗糙度值的关系( 由于测量手段所限，加工速度以加工深度( , t u n ) 代替，下 同) 。 3 8 第三章提高深小孔电火伲加t 精度的天键冈素分析 j 一 三 _ _ - 、， 噻 荆 h - l i l t 肚冲宽度( pi ) 图3 1 4 脉冲宽度对加工速度的影响 f i g 3 - 14t h ei m p a c to f p u l s ew i d t hf o r t h ep r o c e s s i n gs p e e d 皇 - t 唰 雄 臻 豆 馔 a 目 目 日 耀 萼菁 鼙 _ 皇p 脉冲宽度( ps ) 图3 1 5 脉冲宽度对电极损耗的影响 f i g 3 15t h ei m p a c to fp u l s ew i d t hf o re l e c t r o d ew e a r a n dt e a r 脉冲宽度( “j ) 图3 1 6 脉冲宽度对上件表面粗糙度值的影响 f i g 3 - 16t h ei m p a c to fp u l s ew i d t hf o rs u r f a c er o u g h n e s sv a l u e 实验二峰值电流对深小孔电火花加工性能的影响 实验参数：放电电压9 0 v ；间隙电压6 0 v ；抬刀高度档数2 ；抬刀周期档数2 ； 脉冲宽度，。= 3 0 9 s ；脉冲间隔t o = l5 s 。 电极：外径# 3 m m ，内径矽1 5 r a m ，电解铜 工件材料：4 5 加工液：去离子水 图3 1 7 图3 1 9 为峰值电流与深小孔电火花加工的加工速度、电极损耗和工件 表面粗糙度值的关系。 广东t 业人学t 学顾f ：学位论文 蜂值电流i ) 、 d 、一 耀 耳爵 球 掣 蜂值电流( ) 图3 1 7 峰值电流对加工速度的影响图3 1 8 峰值电流对电极损耗的影响 f i g 3 - 17t h ei m p a c to fp e a kc u r r e n tf o rf i g 3 18t h ei m p a c to fp e a kc u r r e n tf o r t h ep r o c e s s i n gs p e e d 一 - i 、一 划 捌 囊喜 愠 艉 e l e c t r o d ew e a ra n dt e a r 峰值电流( ) 图3 1 9 峰值电流对工件表面粗糙度值的影响 f i g 3 1 9t h ei m p a c to f p e a kc u r r e n tf o rs u r f a c er o u g h n e s sv a l u e 针对深小孔的特点：加工截面积不变、排屑困难、容易产生二次放电等，综 合上述试验结果，设计了适合外径3 m m 、内径矽1 5 r a m 、电解铜电极的一组电规准， 见表3 7 所示。 表3 - 7 加工规准( 适合外径3 m m 、内径1 5 m m 、电解铜电极) t a b 3 - 7p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s 序 峰值电流“a ) 脉宽，c ( r t s )脉间，o ( s ) 备注 号 高压( 2 6 0 v )低压( 9 0 v ) l033 01 5 孔较浅时 20 5 33 0 5 0 孔较深时 30 563 01 2 0 加j 二困难时 一是-，暑一懈科一曩 第三章提高深小孔电火花加t 精度的关键冈素分析 3 4 电火花深小孔加工精度保证措施 纵上所述，提电火花深小- 孑l j j n 工精度的措施分两个方面： 工艺装备方面 采取下列措施，以减少孔外导向机构、安装等因素引起的成型加工误差。 1 尼龙导向套的内孔、外圆锥面与定位基准端面应在一次安装中精车，并且 要保证内外圆的同轴度。 2 保证外导向机构底座的锥孔轴线与其定位面的垂直度。 3 电极材料选择合理、放电间隙均匀。 4 电极的螺旋涂覆层均匀、不易脱落。 5 火花液的压力泵压力稳定，压力大小适当。 电加工参数选择方面 以前述实验电参数作为依据，选择合理电加工参数。 3 5 本章小结 本章首先对深小孔电火花加工误差的来源进行了分析，对误差进行了分类， 分析了各种误差的产生原因及降低误差的措施，为从工艺装备方面提高深小? l ；b r l 工精度的措施提供理论依据。针对误差分析，选择出合适的涂层材料，并提出了 电极的制作方案。再对电加工参数的选择进行实验研究，为在加工工艺方面提高 深小孑l 加工精度和加工能力的措施提供实验依据。最后提出了提高深小孔电火花 加工精度的措施，为改进深小孔电火花加工工艺提供了保证。 4 1 广东t 业人学丁学硕，j j 学位论文 第四章深小孑l 加工孑l 内导向实验装备设计 本章在第二章深小孔电火花加工的工艺方案设计的基础上，对深小孔电火花 加工装备的各个零部件进行具体设计、计算及选用。 4 1 孔内导向电极设计及制作 4 1 1 单纯孔内导向电极制作工艺 做实验用的管电极是从市面上购买的成品紫铜和黄铜电极，有矽3 、矽2 、矽1 5 、 矽1 四种规格。 1 调配涂覆材料 按照表4 1 所示的配方调配环氧树脂，充分搅拌均匀。 表4 1 环氧树脂配方 t a b 4 - 1e p o x yr e s i nf o r m u l a t i o n s 原料名称用量 e 5 1 环氧树脂1 0 0 液体聚硫橡胶 1 0 0 d m p 3 0 1 0 2 涂覆 螺旋涂覆层的要求： ( 1 ) 为了在支撑力与顺畅排液之间取得平衡点，需要设计计算螺旋升角和，螺 旋带宽度。螺旋的螺距等。 i l 2 一l l 1 i 幻 t b - 4蚓 一一一一 、， i i i ，、，、，、，、，l 【 图4 1 完成涂覆的电极示意图 f i g 4 1t h ec o m p l e t i o nc o a t e de l e c t r o d ed i a g r a m 为了保证排液顺畅，需要进液的流量与螺旋槽的排液流量相等。由下列关系 可近似计算：进液孔的截面积等于螺旋槽的截面积。 4 2 第叫幸深小孔加t 孔内导向实验装备设计 l 1 万口= 7 ，2 4 1 口为实际的涂层厚度与放电间隙的比率，根据涂层的弹性，设为2 按照前面确定的电规准，放电间隙万约为0 1 m m ，对于矽3 外径、1 5 内径的 电极，计算得l 1 = 3 5 3 2 5 m m ，圆整后取l l = 3 5 m m 。 根据涂层材料的弹性模量，设涂层的宽度l 2 = 1 0 m m ( 在实验中进一步修正) 。 螺旋涂层的螺距：p = l l + l 2 = 4 5 m m ( 2 ) 实际的涂覆层厚度稍大于放电间隙，弹性涂层在受压变形时，提供一定的 支撑力。这个支撑一方面避免了电极的偏摆震动，另一方面防止电极侧面二次放 电。 ( 3 ) 涂层厚度均匀，涂层带边缘光滑。 为了达到上述涂覆要求，设计了图4 2 所示的涂覆工艺 涂料入口涂料限位套电极 蔟 厂厂一广一 ) 电极一边左移一边旋转 ) ( 图4 2 电极涂覆t 艺 f i g 4 - 2e l e c t r o d ec o a t i n gp r o c e s s 从涂料入口均匀的加入环氧胶，涂料限位套固定不动，电极在限位套的中孔 中一边前移一边旋转，控制移动和旋转的速度，即可涂覆螺旋的螺距。涂层的厚 度由限位套中孔的直径保证，螺旋带的宽度由涂料入口的直径及涂料的流速控制。 涂料入口距涂料限位套左端面的距离不宜过长，以免涂料涂覆过宽。 4 1 2 复合机械磨削电极制作工艺 1 调配涂覆材料 按照表4 2 所示的配方调配环氧树脂，充分搅拌均匀。除环氧树脂和棕刚玉 外，将其余配合剂加入研磨机中研磨2 遍，每遍的研磨时间不超过1 5 m i n ，然后加 入环氧树脂研磨约5 m i n ，出料，将研磨物料与棕刚玉混合、装模。硫化在平板硫 化机上进行，硫化条件为，1 4 0 x 4 0 m i n 。 2 涂覆 螺旋涂覆层的要求同未添加磨料的情况，只是添加磨料后其流动性降低，涂 4 3 广东t 业人学t 学硕i ：学位论文 覆难度增大。 为了达到涂覆要求，需要对图4 1 所示的涂料限位套进行调整：增大涂料入 口的直径，以降低涂料的流动阻力；增大涂料入口与限位套左端面的距离，以便 对螺旋层进行更可靠的定型。 表4 - 2 配料表 t a b 4 - 2l i s to fi n g r e d i e n t s 原料名称用量 e 5 l 环氧树脂1 0 液体聚硫橡胶( l p s r )1 0 0 棕刚玉( 8 0 目)1 0 0 氧化锌3 氧化镁 2 增塑剂d i o p 1 0 防老荆4 0 1 0 1 5 软化剂 2 分散剂 0 6 4 2 孔外导向装置设计及制作 孑l 外导向机构 孔外导向机构主要保证电极在进孔之前的直线度和稳定性，装配图见图4 3 所 示。 1 管电极2 尼龙导向套3 导向座4 螺栓5 工件夹持座6 工件7 火花机主轴头 图4 3 孔外导向机构装配图 f i g 4 - 3t h ea s s e m b l yo fo u t s i d eh o l e - o r i e n t e ds e t 第苹深小扎工孔内导向实验装备设计 幽4 - 4 孔外导向机构装配模型 f i g 4 - 4 t h ea s s e m b l y m o d e lo f o u t s i d e h o l e o r i e n t e ds e t 关键部件尼龙导向套设计 选择尼龙的原因：耐磨；有一定的弹性，可以吸震；容易加工。尼龙导向套见 图4 - 5 所示 图4 - 5 尼龙导向套 f i g4 - 5n y l o n - o r i e n t e ds e t 当尼龙导向套压入其固定座后，该锥角应能达到自锁要求。锥角推算如下： 尼龙导向套在安装时，有一定得预紧力n ( 尼龙块的重力忽略不计) ，见图4 _ 4 右图所示。在没有承受外力f l 的情况下，有如下受力平衡关系式。 f = 州4 - 2 n s i n 0 f c o s 0 4 3 摩擦系数，尼龙对钢的摩擦系数约为0 1 加5 ，在此取0 1 5 计算可得0 2 0 0 ：1 ) 孔加工中 在超大深径比孔加工中，不宣刚开始就把管电极悬伸需要的长度。例如，要求 加工3 x 1 0 0 0 m m 的孔，刚开始加工时，完全没有必要把电极悬伸1 0 0 0 m m ，虽然有 孔外导向机构，悬伸过长也会造成电极的震动，另外需要机床有足够的行程范国。 实际加工中，在加工初期，电极可以悬伸短一点，当加工逐渐深入时，逐渐伸长 电极。这就要求有一套能自动送进管电极的机构。 针对以上这些问题，设计了这套既可以方便装夹各种直径电极，又可以自动送 进电极的装置，以节省加工辅助时间，提高加工效率