微细倒锥孔在线加工参数调控的电火花加工工艺.pdf

电加工与模具 2 0 1 2 年第5 期 设 计 研 究 微细倒锥孑 L 在 线加工参数调控 的电火花加 工工艺 周 凯 胡瑞钦 李 勇 清华 大学制 造工程 研究 所摩擦 学 国家重 点实验 室 北 京 1 0 0 0 8 4 摘 要 基 于微 细孔 电火花 加 工 中观 测到 的 腰鼓 现 象 进行 了微 细倒锥 孔 的在 线加 工 参数调 控 电火花加 工工 艺的研 究 实验研 究 了开路 电压 进 给 深度 变压 深度 放 电电容 等加 工参 数 对微 孔 加工孔形的影响 通过对工艺参数 的优化 选择 加工得到 出入 口直径平均相差l8 6肚 m 锥度为 1 1 6 的倒 锥孔 可用于柴 油发动 机倒 锥喷 孔的加 工 进 一 步 实验 了工件 底 面覆 石蜡 的倒 锥 孔加 工 方 法 通过 阻碍 电蚀产 物从 通孔贯 通 出 口的排 出 来增 加倒 锥 效果 加 工得 到 的倒锥 孔 出入 口直径 差值 增加 到 2 5 v t m 以上 关键词 微 细 电火花加 工 倒 锥孔 加工 参数 在线调 控 中图 分类号 T G6 6 1 文 献标识 码 A 文章 编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 2 0 5 0 0 2 4 0 5 EDM Dr illin g P r o ce s s o f M icr o T a p e r e d Ho le s b y On lin e Co n t ro l o f M a ch in in g Pa r a me t e r s Zh o u Ka i Hu Ru i q in Li Yo n g Ts i n g h u a Un iv e r s it y Be i ii n g 1 0 0 0 8 4 C h i n a Abs t r a ct Ba s e d o n t he wa is t d r u m p h e n o me n o n o b s e r v e d i n micr o h o le s EDM dr illi ng a n EDM d r ill in g p r o ce s s o f micr o t a p e r e d ho l e s wa s p r e s e nt e d b y u s in g on li ne co n t r o l o f e le ct r ic p a r a me t e r s Th e e f f e ct s t o micr o h o le S s h a p e o f o p e n ci r cui t v o l t a g e e le ct r o d e f e e d in g d e p t h v o lt a g e ch a n g in g d e p t h a n d t e r m i n a l ca p a ci t a nce we r e i nv e s t i g a t e d e x p e r ime nt a ll y By o pt imi z i ng t h e p a r a me t e r s m i cr o t a pe r e d h o le s wh o s e a v e r a g e d i a me t e r d if f e r e nce o f inl e t a n d o u t l e t 1 8 6 m a n d a v e r a g e t a p e r a n gl e 1 1 6 d e g r e e s we r e o b t a i ne d whi ch mig ht s a t is f y t h e ma chin in g r e q u i r e me nt o f t h e t a p e r e d h o le s o n d ie s e l i n j e ct o r n o z z le s A f u r t h e r me t h o d t h a t co a t s t h e b a ck s id e o f wo r k p i e ce wit h p a r a f f i n wa x wa s t r ie d a n d t o ma k e t h e ma ch in in g d e b r i s r e s i d e a r o u n d o u t le t Th u s l a g e r t a p e r a n gl e o v e r 25 m d i f f e r e n ce o f iMe t a nd o u t le t o f t h e h ol e s ca n b e o b t a i ne d Ke y wo r ds m i cr o EDM t a p e r e d h o l e m a chi nin g p a r a me t e r s o n lin e co n t r o l 电火 花加 工利用 工具 电极与 工件之 间 的脉冲 火 花放 电产 生的 瞬时高 温对工 件材 料进行 熔化甚 至气 化 以达到 对工 件进 行 局 部 蚀 除 的 目的 微 细 电火 花加工具有非接触加工 与加工材料硬度无关等优 点 近年来 在实 用化 方面取 得 了长足 的进展 微细 电火 花加工 目前 已被应 用于柴 油发 动机 喷 油嘴 喷孔 的加 工 相关 研 究 表 明 倒 锥 形 喷 孔具 有 更高 的流 量系 数 以及更 好 的喷雾 效果 I 3 因此 如 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 1 0 基金项 目 江苏省科技支撑计划 资助项 目 B E 2 0 1 0 0 2 4 第一作者简介 周凯 男 1 9 8 9年生 博士研究生 一 2 4一 何 利 用微细 电火 花加 工方法 实现倒 锥 孔 的加工 受到 研 究 者 的关 注 Di v e r C u s a n e lli 等 利 用 机 构 使 电极偏 摆 即 电极 旋 转 且 电极 轴 向 与 电极 整 体 的旋 转方向偏离一定角度 从而加工 出具有一定锥度 的 倒锥孑 L 这种方法的成形精度较高 但与常规 电火 花加 工相 比 需要 附加 电极偏 摆 机构 Ka o等 提 出 了一种 反转极 性 的加 工方 法 即首 先 采用 正 极 性 加 工一 定深度 而后 反转 极性 使 因加工 损耗 而变 尖 的 电极 端部变 钝 之 后再 次恢 复正极 性 同时提 高 放 电 能量 完成通 孔 加 工 这 种方 法 不 需 要 附加 机 构 易 于 实现 但 缺 乏进一 步对 提高 能量形 成倒 锥 的机制 以及 提高加 工 能量 的时机选 择 的工艺 研究 电加工与模具 2 O l 2 年第 5 期 设 计 研 究 直径 较 大的部 分快 速 进 给 至孔 出 口处 此 时 出 口处 的 电蚀 产物还 未完 全排 出 出 口处 优先放 电 更 大 的 电极 直径加 上增 大 的放 电能量 使 出 口处 孔径进 一 步 扩 大 而前段 已有 的倒锥 形趋 势也得 到保 持 这样 加 工 得 到的孔 即为倒 锥形 图 5倒 锥 孔 加 工 不 意 3 加工参数对孔加工的影响 为 了解 主要加 工参 数对微 细孔 孔径 和加工 过程 的影 响 以利 于倒 锥孔 加工 中参 数 的选择 本节 首先 进 行 常 规 孔 加 工 实 验 实 验 所 用 电 极 为 直 径 1 2 0 t m钨 丝 工 件为 1 mm 厚 的 1 8 C r Ni 8合 金钢 片 实验研究 了开路电压 放 电电容以及进给深度等加 工参数 对微 细孔加 工 的影响 3 1 开路 电压 微 细 电火 花 加工 中 加 工前 设 置 的开 路 电压 对 被加 工孔 径有 着 直 接 的影 响 实 验 中 电极进 给深 度为 1 9 I n m 以不 同 的加 工 开 路 电压 进 行 常 规 孔 加工实验 每组参数进行多组加工求平均值 得到孔 径随 加 工 电压 的变 化 图 6 随 着 开 路 电 压 的增 大 出 入 口孔 径 也 随 之 增 大 实 验 在 开 路 电 压 为 1 6 0 V 的情 况下 出入 口孔径 相 差最 小 正锥 程 度也 最小 图 6 孔径 随加工 电压 的变化 3 2放 电电容 采用等脉冲复合 R C脉冲放 电电源 电容值对 放 电能量有 着直 接 的影 响 在 1 6 0 V 电压 下 只 改 变加工 间隙 两端 并联 的放 电电容 得 到孔 径 随放 电 一 26一 电容 的变 化 见 图 7 随 着放 电 电容 的增 大 所 加 工 通 孔入 口直径 增 加 出 口直 径变 化 不 明显 采 用 小 电容 可直接 得到倒 锥孔 但 由于 电容值 降低 导致 单 次 脉冲放 电 能量 的 减 小 易 导 致 过 低 的 加 工 效 率 而 采用过 大 的电容 虽 然 会 提 高加 工 速 度 但 加 工 表 面质量较差 且不利于倒锥孔的形成 因此放 电电 容 选择 1 0 n F左 右 为宜 图 7扎径 随放 电 电容 的 变化 3 3进 给深 度 在 微 细 电火 花加 工 过 程 中 电极 丝 因加 工 损 耗 而长度减少 端部变尖 如果不考虑这些损耗而仅 将 电极 丝端 部 进 给 至 工 件 底 面 则 不 能 获 得 通 孔 如果 只是 采用 少量 的过 进 给 所 获得 的通 孔 出 口将 远 小 于入 口 实验 选 择 进 给深 度 范 围 为 1 5 2 9 mm 研究 进 给 深 度 对 孔 形 的影 响 采 用 直 径 1 2 0 肚 m电极丝 加工前将 电极丝端面修平 开路 电压设 为 1 6 0 V 加工 电容 为 1 0 n F 孔 径随 进 给 深度 的变化 如 图 8所示 在 进 给 深 度 达 到 2 5 mm 时 出入 口直径 差 达 到 8 4 g m 之 后 该差 值没 有 明显增 大 图 8 孔径随进给深度的变化 4倒锥孔加工实验 从 上述 出入 口孔径 随开 路 电压 放 电电容 电极 进给深 度 的变化 关 系 综 合考 虑 加 工 速 度 和效 率 等 因 素 以开 路 电压 1 6 0 V 放 电 电容 1 0 n F 电极 进 给 舰 电加工与模具 2 0 1 2 年第5 期 设 计 研 究 艺示 意 图如 图 1 l a 所 示 石蜡 在 4 7 6 4 熔化 易 于施加 和 去 除 实 验 加 工 倒 锥 孔 的脱 模 结 果 如 图 1 l b所示 采用覆石蜡层与变电压结合 的手段 可获 得 出入 口孔 径 差 达 2 5 t L m 以上 的倒 锥 程 度 较 大 的 微细 孔 被 加 工 一 件 石 蜡 a 底面涂覆石蜡工艺示意图 b 倒 锥 孔 脱模 形 貌 图 1 1 底面涂覆石蜡加工工艺 5 结 论 本文基 于微 细孔 电火 花加工 中观测 到 的 腰鼓 现象 进行了微细倒锥孔的在线加工参数调控电火 花加 工工 艺 的研 究 实验 研究 了 主要加 工 参 数对 孑 L 加 工 的影 响 得 到 了 出入 口孔径 随开 路 电压 放 电 电容 电极 进给 深 度的变化关系 采用开路电压 1 6 0 V 放电电容 1 0 n F 电极 进给 深度 2 5 mm 有利 于倒 锥孔 的形成 进行 了变 电压 的倒 锥孔加 工 实验 在开路 电压 从 1 6 0 V 在线 调节 至 1 9 0 V 变 压深 度 1 3 mm 进 给深 度 2 5 mm 放 电电容 1 0 n F的 条件 下 实 验 得 到 了 出入 口孔径 平均 相差 1 8 6 m 平 均锥 角 1 1 6 的加 工效果 提 出了工件 底面 覆石蜡 的加 工工 艺 采 用实 验 优化得到的加工参数 与在线改变电参数工艺结合 加工得到的倒锥微孔 的出入 口直径差值增加到 2 5 t t r n以 上 参考 文献 1 李勇 王显军 郭曼 等 微细 电火花加工关键技术研究 J 清 华 大学学报 自然科学版 1 9 9 9 3 9 8 4 6 4 9 一 2 8一 2 J B e n a j e s J P a s t o r J V P a y r i R e t a 1 An a l y s is o f t h e in f l u e n ce o f d i e s e l n o z z l e g e o me t r y i n t h e i n j e ct i o n r a t e ch a r a ct e r i s t i c J J o u r n a l o f F l u id s En g in e e r in g 2 0 0 4 1 2 6 6 3 71 3 P a y r i R Ga r ci a J M S a l v a d o r F J e t a 1 Us i n g s p r a y mo me n t u m f lu x me a s u r e me n t s t o u n d e r s t a n d t h e in f l u e n ce o f d ie s e l n o z z l e g e o me t r y o n s p r a y ch a r a ct e r i s t i cs J F u e l 2 0 0 5 8 4 5 5 5 1 5 6 1 4 j D i v e r C At k i n s o n J H e lml H J e t a 1 Mi cr o E DM d r i l l i n g o f t a p a r e d h o l e s f o r i n d u s t r i a l a p p l i ca t i o n s J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o ce s s in g Te ch n o l o g y 2 0 0 4 1 4 9 1 3 2 9 6 3 03 5 C u s a n e l l i G Mi n e l lo M T o r ch i a F e t a 1 P r o p e r t i e s o f mi cr o h o l e s f o r n o z z l e b y mi cr o E D M c 1 5 t h I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n E l e ct r o ma ch in in g I S E M X V P it t s b u r g h 2 0 0 7 6 K a o C C Gr a n t M B E D M p r o ce s s f o r ma n u f a ct u r i n g r e v e r s e t a p e r e d h o l e s US 7 5 7 2 9 9 7 P 2 0 0 9 0 8 1 1 7 Ma ci N V B e r m De z V P a y r i R e t a 1 Ne w t e ch n i q u e f o r d e t e r m i n a t io n o f in t e r n a l g e o me t r y o f a d ie s e l n o z z l e wit h t h e u s e o f s i l l co n e me t h o d o l o g y J E x p e r i me n t a l Te ch n i q u e s 2 0 0 3 2 7 2 39 4 3 8 周毅满足欧 以上排放喷油嘴的喷孔加工技 术研究 D 上 海 上海交通大学 2 0 0 9 上接 第 2 3页 3 测量 误差 测量 采用 的 S MS o L Y S I M 测量 显微 镜 其测 量 误差 为 1 m 也 是 导 致 异 型 电极 加 工 误 差