摘要: 現有電火花小孔機床在加工大深徑比小孔時存在加工穩定性差、小孔質量差、相對電極損耗率大等技術難點。深入分析D703F 電火花小孔加工機床的原理及特點，實驗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、降低相對電極損耗，但隨著加工小孔深徑比變大，孔內加工環境變差、散熱困難，PAAS 工作液會產生碳化現象反而阻礙了正常加工。用PAAS 工作液和工件半浸液復合的方法，使工件在加工時能良好散熱，減緩PAAS 工作液的碳化現象，正常發揮分散作用，從而達到高速加工大深徑比小孔的目的。
關鍵詞: 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的電燒蝕現象，使工件的尺寸、形狀和表面質量都達到預定要求的加工方法，在模具、刀具、微細加工等領域有獨特的優勢。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，但仍容易造成加工碎屑在孔內堆積，使加工不穩定，加工速度降低，甚至不能加工，且工具電極損耗后變成錐形，由于集膚效應導致加工小孔錐度變大，加工質量變差。為克服以上缺點，多數研究人員嘗試在電火花加工小孔時使用復合磁場、復合超聲、復合電極、螺旋電極等方法，雖都取得一定效果，但由于工藝復雜和成本較高，都難于投入深小孔規模生產。
研究和實驗僅對現有電火花小孔機床進行簡單改進，即利用分散劑工作液和工件半浸液復合的方法來加工深小孔，以克服現有工藝在加工深徑比大于20 小孔時出現的加工速度慢、相對電極損耗大、小孔質量不好等問題。
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，屬于中性無污染低泡分散劑，與酸性分散劑相比，對機床和工件無腐蝕作用。PAAS 結構式見圖1，參數見表1
表1 PAAS 參數
分散劑PAAS 在電火花小孔加工中的作用機理有以下幾類: 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率增強作用。前三類是分散劑PAAS 在工作液中發揮分散性，使電火花小孔加工時產生的金屬碎屑和碳粒不易團聚，從而達到有利排屑的目的。由于PAAS 為低分子電解質，其水溶液會產生游離的鈉離子，因此工作液電導率提高，在加工時使電極和工件之間放電間隙增大，也有利于排屑。
工作液電導率太大會在加工表面引起拉弧、短路，且大濃度的PAAS 在高溫下更容易發生碳化現象，因此PAAS 濃度應控制在一定范圍內。實驗得到電火花小孔加工使用濃度為4‰的PAAS 工作液時，加工材料去除率達到最大為1. 93 mm/min，比原有自來水工作液提高了32. 2%; 相對電極損耗，比原有自來水工作液降低了48. 11%。但此時材料去除率太大，小孔內部溫度急劇上升，散熱太慢，分散劑發生碳化現象，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象越嚴重，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散熱困難的問題，導致加工不穩定、相對電極損耗增大。現有電火花小孔加工機床加工時利用空心管狀旋轉電極高壓沖液的方法，如圖2a 所示，雖有利孔內降溫和加工碎屑的排出，但在加工深小孔時，由于孔內的高溫使相對電極損耗增大，管狀電極呈現錐度，使加工小孔錐度變大，甚至出現電極燒熔無法正常加工的現象，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，如圖2b 所示，從而在小孔加工時達到工件降溫的目的，防止因孔內散熱困難影響正常加工。小孔加工時孔內散熱能力的提高，也有利于添加在工作液中的PAAS 正常發揮分散作用，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，該浸泡液由有機膦酸、聚羧酸等組成，對碳鋼具有良好的緩蝕效果，參數見表2。
表2 SH － D07 緩蝕劑參數
1. 3 電火花小孔加工工件的熱學仿真
運用ANSYS 的熱學模塊Flotran，分別對現有加工方法和半浸液加工方法進行單個脈沖電火花加工溫度場仿真，以分析工件熱傳導情況。由于電火花加工過程較復雜，放電過程十分短暫，為了方便研究，假設所涉物理量為定值，且單脈沖的能量和材料去除率恒定。所涉物理參數見表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表
由圖3、4 可見，因工件與水的熱交換系數遠遠大于工件與空氣的熱交換系數，所以電火花小孔加工在采用工件半浸液后，孔內的高溫能更快向外擴散，孔內溫度降低。相對于原有加工工藝，此時PAAS 工作液不易發生碳化凝膠反應，可發揮正常分散作用，提高加工效率。特別在加工深小孔時，孔內高溫快速擴散，可有效降低電極損耗，提高加工精度。
2 、實驗及分析
分別用現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 個孔，見表4。實驗所用設備為D703F 電火花小孔加工機床，工具電極為負極，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; 工具電極轉速n1為120 r /min，加工電流脈沖寬度t 為35μs，電流強度為9 A; 平均最大深徑比為L－/D，其中L－ 為加工到無法正常加工的平均孔深，D 為孔徑; 平均加工時間為T－ ;L－ 與T－ 的比值為小孔加工的平均材料蝕除速度，試驗所得數據見表4，不同加工工藝的平均最大深徑比見圖5，不同加工工藝的平均材料去除率見圖6。
表4 實驗數據
根據實驗數據，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部的散熱，減小了高溫對加工電極的燒傷，通過黃銅管電極內部的高壓工作液能正常噴射到加工面，使小孔內部不斷有新的工作液進入，干凈的工作液減小了二次放電機會，減少了點極回升次數。
( 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有加工工藝，這是因為加工到一定深度時，由于孔內高溫導致分散劑發生碳化現象，同時高溫燒傷銅電極噴液減小，小孔內部工作液變臟，二次放電機會增多，有效脈沖減小，電極回升的次數增多，隨著分散劑碳化的增多，碳化物會堵塞小孔使加工無法正常進行。
( 3) 工件半浸液與PAAS 工作液電火花小孔加工的平均最大深徑比最大且平均材料去除率最大，這是由于工件浸液有利加工時小孔內部的散熱，減小了高溫對加工電極的燒傷，同時分散劑PAAS 減緩了碳化，能使加工碎屑呈分散狀態，有利排屑，小孔間隙內干凈的工作液能減少二次放電和電極回升，有利于小孔加工。根據圖4 可見，不同加工方法對電極的損耗也不同，現有加工工藝加工到一定深度時，1. 5 mm 的黃銅管狀電極端部被燒熔，工作液無法進入到加工面，致使無法正常加工; 使用PASS 工作液，由于高溫導致的碳化現象，使小孔內部工作環境變差，加工后電極呈較大錐度，不僅電極損耗較大且小孔加工質量較差; 工件半浸液與PAAS 工作液電火花小孔加工后的電極雖也受到燒傷，但損耗較小，錐度保持較好。
3 、結語
( 1) 電火花小孔加工時使用高分子類分散劑時，要防止高溫引起的高分子碳化現象，否則會阻礙正常加工。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于前者。
( 3) 相對其他工藝，工件半浸液與PAAS 工作液電火花小孔加工工藝對設備和操作要求較低，使用成本較低，為現有電火花小孔加工提供了參考。
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