摘要: 現有（yǒu）電火花小孔機床（chuáng）在加工（gōng）大深徑比小孔時（shí）存在加工穩定性（xìng）差、小孔（kǒng）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（dìng）濃度分（fèn）散劑聚丙烯酸鈉( PAAS) 作為工作（zuò）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（jìng）變差、散熱困難，PAAS 工作液會產生（shēng）碳化現象反而（ér）阻礙了正常加工。用PAAS 工作液和工件半浸（jìn）液複合的方法，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（fā）揮分散（sàn）作用，從而達到高速加工大深徑比小孔的目的。

      關鍵（jiàn）詞: 小孔加工; 深（shēn）徑比; 半浸液加工; 分散（sàn）劑（jì）
 

      電（diàn）火花加工（gōng）是利用兩極（jí）間脈衝放電時的電燒蝕現象，使工件的尺寸、形狀和表麵（miàn）質量都達到預定要求的加工方（fāng）法，在模具、刀（dāo）具、微（wēi）細（xì）加（jiā）工等（děng）領域有獨（dú）特的優勢。廣義上小孔一般指直徑小於3 mm 的孔; 深孔一般指深徑比L /D 大於5 ～ 8 的孔，其中L 為（wéi）孔深，D 為孔徑［1］。利用電（diàn）火花加工深小孔，雖采用高壓衝液和電極旋轉，但（dàn）仍容易造成加工碎屑在孔（kǒng）內堆積（jī），使加工不穩定，加工速度降低，甚至不能加工，且工具電極損耗後變成錐形，由於集膚效應導致加工小孔錐（zhuī）度（dù）變大，加工質量變差。為克（kè）服以上缺點，多數研究人員嚐試在電火（huǒ）花加工小孔時使用複合磁場（chǎng）、複合超聲、複合電極、螺旋電極等方法，雖都取得一定效果，但由於工藝複雜和成本較高，都難於投入深小孔規模生產。

      研究和實驗僅（jǐn）對現有電火花小孔機床進行簡（jiǎn）單改進，即利用分散劑工作液和工件半（bàn）浸液複合的方法來（lái）加工深小孔，以克服現有工藝在加工深徑比大於20 小孔（kǒng）時出現的加工速度慢、相對電極（jí）損耗大、小孔（kǒng）質量（liàng）不好等問題。

      1 、理論分析

      1. 1 分散劑在電（diàn）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（liàng）小於10 000，具有良好的蟞合性，屬於中性無汙染低（dī）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（gòu）式見圖1，參數見（jiàn）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（jīng）格（gé）畸變作用、增溶作用（yòng）、靜電排（pái）斥作用以及使（shǐ）工作液的電導率增強作（zuò）用。前三（sān）類是分散劑PAAS 在工（gōng）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（tuán）聚，從而達到有利排屑的目的。由於（yú）PAAS 為低分（fèn）子電解質，其水溶液會產生遊離的鈉離子，因此工作液電導率（lǜ）提高，在（zài）加工時使電極和（hé）工（gōng）件之間放電間隙增大（dà），也有利於排屑。

       工作液電導率太大會在加工表麵引起拉弧、短路，且（qiě）大濃度的PAAS 在高溫下更容易發生碳化現象，因此（cǐ）PAAS 濃度應（yīng）控製在一定範圍（wéi）內。實驗得到電火花小孔加工使用濃度為4‰的PAAS 工（gōng）作液時，加工材料去（qù）除率達到最大為1. 93 mm/min，比原（yuán）有自來水工作液提高了32. 2%; 相對電極損耗，比原有（yǒu）自來水（shuǐ）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（jù）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（huò）吸附在電極邊緣，從而阻礙正常加工，並且加工深度越大此現（xiàn）象越嚴重，所以取得最大加工速度的工作（zuò）液濃度並不能在電火花加工深孔時適用。為了在此濃度（dù）工作液下以最快速度（dù）加工深孔，需要使工件更快散熱，減緩（huǎn）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（shēn）小孔加工時（shí）由於工具電（diàn）極截麵積小、小孔深度比較大，存在不利排屑（xiè）和孔內散熱困（kùn）難的問題，導致加工不穩（wěn）定、相對電極損耗增大。現有電火花小孔（kǒng）加工機床加工時利用（yòng）空心（xīn）管狀旋（xuán）轉（zhuǎn）電極高壓衝液的（de）方法，如圖2a 所示，雖有利孔內（nèi）降溫和加工碎屑的（de）排出，但在（zài）加工深小孔時，由於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（gōng）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（shēn）徑比小孔加工要（yào）求。采用（yòng）工件半浸液的方法，隻需讓工件除加工（gōng）麵外都浸泡在液體內，如圖2b 所示，從而在小孔加工時達到工件降溫（wēn）的目（mù）的，防止因孔內散熱困難影響正常加工。小孔（kǒng）加工時孔內散熱能力的提高，也有利於添加在工作液中的PAAS 正常發揮分散作用，使電火花小（xiǎo）孔加工在（zài）最佳速度（dù）下加工深小孔，提高工作效率，降（jiàng）低電極損（sǔn）耗。為防止浸泡導致工件生鏽（xiù），所用（yòng）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（suān）、聚羧酸等組成，對碳（tàn）鋼具有良好（hǎo）的（de）緩蝕效（xiào）果（guǒ），參（cān）數見（jiàn）表2。

                                        表2 SH － D07 緩蝕（shí）劑參數

      1. 3 電火花小孔加工工件的（de）熱學（xué）仿真

     運（yùn）用ANSYS 的熱學模塊Flotran，分別對現有加工方（fāng）法和半浸液加工方法進行單個脈（mò）衝電火（huǒ）花加工溫度場仿真，以分析工件熱傳導情（qíng）況。由於電火花加工過（guò）程較複雜，放電過程十分短暫，為了方便研（yán）究，假設所涉物理量為定值，且單脈衝的能量和材料去除率恒定。所涉物理參數見表3; 在建立（lì）好的模型上加載16 ℃均勻載（zǎi）荷（hé），電流為9 A，脈（mò）寬為35 μs 時所得出的溫度分布（bù）雲圖如圖3、圖4 所示。

                                                 表3 Cu、Q235 金屬材料的（de）物理參數表

      由圖3、4 可見，因工件與水的熱交換係數遠遠大於工件與空氣的熱交換係數（shù），所以電火（huǒ）花小孔加工在采用工件半浸液後，孔（kǒng）內的高溫能更（gèng）快向外擴散（sàn），孔內溫度降低（dī）。相對於原有加工工藝，此時（shí）PAAS 工作液不易發生碳化凝（níng）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（dī）電極（jí）損耗，提高加工精度（dù）。

      2 、實驗及分析

     分別用現有電火花小孔加工（gōng）工藝1、工件半浸液電火花小孔加工（gōng）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（gōng）工藝4在鋼板上各加工3 個孔，見表4。實驗所（suǒ）用設備為D703F 電火花小孔加工機床，工具電極為負極，使（shǐ）用1. 5 mm 的黃（huáng）銅管狀（zhuàng）電極（jí）; 被加（jiā）工工件接正（zhèng）極，使用（yòng）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（diàn）極轉速n1為120 r /min，加工電流脈衝寬度t 為35μs，電流強度為9 A; 平均最大深徑比為L－/D，其（qí）中L－ 為加工到無法正常加工的平均孔深，D 為孔（kǒng）徑; 平均（jun1）加工時間為T－ ;L－ 與（yǔ）T－ 的比值為（wéi）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（tóng）加工工藝的平均材料去除率見圖6。

                                                               表4 實（shí）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（yì）的平均最大（dà）深徑（jìng）比大於（yú）現有電火花小孔加工工藝的平均最大深徑（jìng）比，這是由於工件半浸液有利於加工小孔內部（bù）的散熱，減小了（le）高溫對加（jiā）工電極的燒傷，通過黃銅管電極（jí）內部的高壓工作液（yè）能（néng）正常噴射（shè）到（dào）加工麵，使小孔內部不斷有新的工作液進入，幹淨的工作液減小了二次（cì）放（fàng）電機會，減少了點極回升次數。

      ( 2) 使（shǐ）用分散劑（jì）PAAS 工作液加工深小孔的平均最大深徑比反而小於現有加工工藝，這是因為加工到一定深度時，由於孔內高溫導致分散劑（jì）發生碳化現象，同時高溫燒傷（shāng）銅電極噴液減小，小孔內部工作液變髒，二次放電（diàn）機會（huì）增多，有效脈衝減小（xiǎo），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（gōng）無法正常（cháng）進行。

      3 、結語

     ( 1) 電火花小孔（kǒng）加工時使（shǐ）用高分子類分散劑時，要防止高（gāo）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（yī）然能保持良好的分（fèn）散性。

     ( 2) 采用（yòng）改進後的電（diàn）火花小孔加工工藝能取（qǔ）得較大深徑比的小孔，與原有（yǒu）加工工藝相比平均最（zuì）大深徑（jìng）提高了57. 01%，且平均材料去除率優於前者。

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