微小（xiǎo）孔特（tè）種加工技術研究現狀及展望（wàng）-數控機床市場網

您（nín）現在（zài）的位置（zhì）：數控機床市場（chǎng）網>資訊中心>宏（hóng）觀經濟

微小孔（kǒng）特種加工（gōng）技術研究現狀及展望

2017-8-4 來源：上海交通大學機械係統與振動國家重點實驗室作者：高飛, 顧琳訪問量：

摘要：近年來微小孔結構在航（háng）空航天零部件上的應用越來越廣泛，對微小孔的特種（zhǒng）加工方法的進（jìn）展情況進行了綜述，總結了每種加工方法（fǎ）的主（zhǔ）要特（tè）點，並對當前微小孔特種加工（gōng）技術存在的問題（tí）及未來發展趨勢進行了（le）總結和展望。

關鍵詞：微小孔；特種加工；複（fù）合加工

近年來，航空航天及汽車、化工等產品對（duì）微小孔結構（通常將 0.3mm 以下的孔稱為微孔，0.3~1mm 的孔稱為小孔[1]）的加工需求日益增加，典型的有發動機燃油（yóu）噴嘴、渦輪葉片冷（lěng）卻孔、化纖噴絲板上的異型孔及陀螺儀上的微孔等[2-3]（圖 1）。這些微小孔往往具有大深徑比、材料強度（dù）高（gāo）等（děng）特點。而特種加工技術被認為是目（mù）前實現微小孔加工的重要手段之一。

微小孔的特種（zhǒng）加工方法目前主要有電火花加工（EDM）、電化學加（jiā）工（ECM）、超聲加工（gōng）（USM）、激光加工（LM）等。其主（zhǔ）要特點是利用電能、熱能、光能、電化學能以及特殊機械能中的一種實現工件材料的去除。此外（wài），還有將兩種或兩種以上的加工方法進（jìn）行（háng）複合來實現微小孔的加工方法，統稱為複合加工。

本文對微小孔的幾種主要特種加（jiā）工方（fāng）法進行介紹（shào），並結合目前微小孔加工中的（de）熱（rè）點學術問題（如效率、深徑比、加工精度及難加工材料等（děng））對近（jìn）年來（lái）的文獻進行分析，最後對未來微小孔加工技（jì）術的發展進行展望。

1.電火花微小孔加工

目前為止，電火花加工仍然是（shì）加工微小孔的首選方法。但是電火花加工微小孔麵臨如下問題：（1）加工大深徑比的微（wēi）小孔時，電蝕產物難以有效（xiào）排出且加工效率低；（2）受加工機理（lǐ）的限製，難以加工非導電材料；（3）加（jiā）工孔精度（錐度、表麵（miàn）質量）的控製；（4）研製精度更高、功能更強大的電（diàn）火花微小孔加工（gōng）設備。針對上述問題，國內外學者進行了廣泛的研究並取得了如下成果。1.1 電蝕（shí）產物排（pái）出效果的改善通常，采用電極旋轉及外衝液可以在一定程度（dù）上改（gǎi）善電蝕產物的排出，但隨著加工深度的增加，這（zhè）兩種方法不能從（cóng）根本上解決問題。Yan 等[4]采用削（xuē）邊電極配合旋轉，顯著減少了電蝕（shí）產物在加工間（jiān）隙的沉積。Yu等[5]通過引入工件平動（dòng），使用鎢（wū）電極在不鏽鋼上（shàng）加工出了深徑比（bǐ）為 18 的異形孔。以上方法有效地改善（shàn）了電蝕產物在放電間隙的沉積，減少了有害放（fàng）電次數，同時提

密（mì）五軸機（jī）床仍不對中國銷售。國內（nèi）的上海交（jiāo）通（tōng）大學、哈爾濱工業大學等（děng）單位均自行研製出了具有自主知識產權的微細電加工機床，某些技術指標與國外同類型產品相當，在一定程度上解決了微小孔甚至微小三維結（jié）構的加工難題。蔣毅等[14]設計（jì）了集成清掃脈衝（chōng）回路的脈衝電源，提高積聚在加工區域中的加工屑的去除效果，並加工出了直徑 150μm，深徑比達（dá） 22 的盲孔。清華大學佟浩等[15]設計了一種專用的電極絲推擺機（jī）構模塊解（jiě）決燃油噴嘴上的倒錐形（xíng）微小孔的加工問題。

2.電化學微小孔加工

微細電化學加工（Micro Electro Chemical Machining，μECM）可以加工（gōng）任何導電材料且孔邊無毛刺和飛邊。與電火花加工相比，μECM 的材料（liào）去除率更高且表麵質量較好，可達到（dào） Ra= 0.2~0.8μm[16-17]。但是電化（huà）學加工存在定（dìng）域性、雜散腐蝕和對環境不友（yǒu）好等問題，在（zài）一定程度（dù）上限製了其應用範圍。Chan 等[18]利用特殊的（de）盤形微電極，實現（xiàn）了具有（yǒu）複雜內部結構的微孔加工（圖 4）。為提高加工的定域性，劉改紅等[19]采用旋塗法使（shǐ）電極側麵絕緣，有效減小了孔的錐度。劉壯等[20]利用直線電機進行階躍式進給，改（gǎi）善了電蝕產物排出（chū）效果，提高了加工精度。陳偉等[21]利用微細錐形電極製備了直徑（jìng）約 200μm、深 0.5mm 的通孔，發（fā）現錐形電（diàn）極可以（yǐ）提高微小孔電解（jiě）加工定域性。黃紹服等[22]采用工具陰極高速旋轉（zhuǎn）進行了電化（huà）學（xué）加工小孔試驗，結果表明（míng）高速旋轉電極可以在其表麵形成（chéng）絕緣氣膜，有助於減小表麵粗糙度和雜散腐蝕區域。

3.超聲微小孔加工

超聲加工能夠加工非導電硬脆材料且（qiě）加工的表麵質量較好（hǎo），但效率較低。此外，加工中工具（jù）的損耗較快，容易影響微（wēi）小孔的加工精度。為了提高微（wēi）小孔的（de）超聲加工精度，賈（jiǎ）寶賢等[23]分析了工具的動態壓杆（gǎn）穩定性，選擇合適的工具夾持長度，加工出了直徑 13μm 的微小孔。安成明等[24]采（cǎi）用恒定壓力進給方（fāng）式，利用自行研發（fā）的設備在單晶矽表麵分別加工出了（le）直徑 18μm 的圓（yuán）孔（kǒng）和 28μm×28μm 的方孔Nath 等（děng）[25]發現磨粒對材料的去除不僅會在工具的端麵發生，在工具的側壁（bì）與工件之間也會發生去除，此外（wài），采用較小粒度的磨（mó）粒可以改善入口崩邊。

4.激光微小孔加工

激光加工是利（lì）用激光束的熱效應在極短時間內將材料加熱至蒸發實現（xiàn）材料的蝕除，其加工效率（lǜ）較高、對環境友好且加工能力與材料的（de）力（lì）學性能無關。采用激光（guāng）打孔可進行深徑比大於 50 的深孔加工。但激光加工設備較昂貴，且孔（kǒng）的加工精度不高，另外隻適合在薄板（bǎn）上打孔。Kuar 等[26]利用脈衝 Nd:YAG 激光（guāng）在氧化鋯陶瓷表麵加工出微小孔，熱影響區厚度僅為 0.0675 mm（圖5）。德國德馬吉公司（DMG）的 DML 係列激光加工（gōng）中心（xīn）可以打（dǎ）出（chū）最小直徑 5μm、深（shēn） 20mm 的微孔[27]。在西方發達國家，激光打孔技術被認為（wéi）是最有希望的微小孔加工技術，發展前（qián）景良好[16]。

5.複合加工微小孔技術

目前用於微（wēi）小孔（kǒng）加工的複合加工方法（fǎ）如表 1 所示。通過將兩種或兩種以上的加工（gōng）方法進行組合[16]，可揚長避短，取得更好的加工效果，因此複合加工是（shì）目前實現難加工材料的微小孔加工及（jí）提高加工深徑比的一個重要方向。

表1 用於微小孔的複合特種加工技術

5.1 超聲輔助電火花加工

超聲輔助電火花加工技術通過引入超聲振動，使得極間的衝液條件大大改善，很（hěn）好地解（jiě）決了電火花加（jiā）工中電（diàn）蝕產物排除困難的難題[27]，因此是目（mù）前得到較多應用的複合（hé）加工（gōng）技術方法。Kai 等[28]利用超小電極以及超聲振動輔助技術，在黃銅和鋅表麵打出（chū）直徑為 1μm 的孔（圖 6）。

5.2 電化學放電加（jiā）工

電化學放電加（jiā）工（ECDM）的基本原理是利用電解液在電極表麵的電化學反應而在（zài）工件表麵形成（chéng）絕緣氣膜，進而產生火花放電蝕除附近的工（gōng）件（jiàn）材料。該（gāi）方法（fǎ）將電火花加工和電化學加工有（yǒu）機結（jié）合起（qǐ）來，解決了絕緣材料（liào）的電加工問題。近年來，國內外的研究人（rén）員開展了微小孔（kǒng）的 ECDM 加工研究（jiū），其中形成穩定氣膜及如何實現深孔加（jiā）工是目前的研究難點。Wüthrich 等[29]通過在電解液中添加輔助溶劑（jì）的方法使氣膜（mó）的厚度減小並提（tí）高了孔加工過程的穩定性。Xuan 等[30]采用了恒定壓力控製方式，獲得了（le）較（jiào）好地加工（gōng）精度和（hé）加工效率。Cheng 等[31]發現當施加的電壓超過某（mǒu）一特（tè）定（dìng）值時產生的氣膜較為穩定，有利於獲得穩定加工；但是當加工達到一定深度（約 250μm）時，內部（bù）的氣泡（pào）難以溢出，影響了加工的持續進行。

5.3 其他複（fù）合加工技術（shù）

Liu 等[32]在高鎳合金上利（lì）用微細電（diàn）火花複合（hé）磨削技術加工了直徑 30μm、深 0.35mm 的 10×11 微小

孔陣（zhèn）（圖 7）。Bhattacharyya 等[33]研究了振動輔助微細 ECM 方法，發現 150~200Hz 的振（zhèn）動頻率可有效提高加工的效率和微小孔的精度（圖 8）。Zhu 等[34]嚐（cháng）試了微細電（diàn）化學（xué）磨削複合加工（gōng），在 0.3mm 的（de）不（bú）鏽鋼工件（jiàn）上打出小於 0.6mm 無翻邊和毛刺的小孔。Sarwade[35]及 Patwardhan 等（děng）[36]利用微細旋轉超聲加工（Rotary Ultrasonic Machining，RUM）方法成功在骨質材料上（shàng）加工出微小孔，效率高於普通的超聲加工方法。

6.結束語

以上介紹了近（jìn）年來國內外（wài）特種加工技術製造微小孔的研（yán）究現狀，分別從單個特種加工技術和複合加工技術進行了綜述。總地來說，國內的微小孔加工技術在極限尺寸方麵已經基本達到了國際水平（píng），但是在產業化方麵與國（guó）外相比仍有較大差距。特種加工及其複合（hé）加工技術在微細孔的加工方麵具有較強實用性，但仍存在效率不高（gāo）、深徑比有限等問題，此外表麵質量、錐度等也是目前微細孔加工工（gōng）藝優化的重點。隨著微小孔加工需（xū）求的（de）日漸增長，新（xīn）的微小孔加工方（fāng）法（fǎ）將不斷湧現，而複合（hé）加（jiā）工可以揚長避短，解決加工效率和加工精度的矛盾，是（shì）很有前景（jǐng）的研究方向。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業（yè）相關新聞稿（gǎo）件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部（bù），郵箱：skjcsc@vip.sina.com

分享到：新浪微博騰訊微博人人網 QQ空間

更多（duō）相關信息