超聲振動復合電火花小孔加工系統(tǒng)設計及試驗

馮 沖，倪 皓，2，孫藝嘉，桂淑鈺，宮 虎*

（1. 天津大學 精密儀器與光電子工程學院 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津城建大學 理學院，天津 300384）

1 引言

鎳基高溫合金具有高強度、高硬度和低熱導性等特點，被廣泛用于航天發(fā)動機熱端、葉片、高溫焊接結構件等的制造［1］。為了滿足定位、固定或散熱的需求，經常需要在這些零件上加工一些小孔。由于材料的特殊性，采用傳統(tǒng)的機械鉆孔方式存在切削力大、散熱困難等問題，會引起刀具劇烈磨損，顯著增加加工成本。而對于這種材料的小孔加工，電火花加工（Electrical Discharge Machining，EDM）具有獨特的優(yōu)勢：一方面，電火花加工通過反復放電去除材料，可以加工幾乎所有導電材料而不受材料硬度等特性的影響；另一方面，電極與工件之間沒有直接接觸，宏觀力很小，電極易于實現(xiàn)小型化。但在電火花大深徑比孔加工中，工作液中大量的蝕除產物將導致電極頻繁短路或拉弧，使得材料去除率變低，加工穩(wěn)定性變差［2］。及時排屑能夠避免放電蝕除物沉積，減少異常放電和電極損耗，提高加工過程的穩(wěn)定性，是解決上述問題的有效措施之一。

為提高排屑能力，研究人員嘗試改善放電間隙中工作液的沖洗能力［3］，并提出了一些新的方法。在電火花鉆孔加工中，常見的四種沖洗方式分別為浸入式、外出水式、外吸水式和電極中心出水式［4］。其中，由于電極中心出水式是在電機帶動下將高壓工作液直接作用于加工區(qū)，因此適合應用于深小孔加工中應用。通過合理控制工作液壓力［5］，該方式可以提高工作液的流速，有效增強放電蝕除物去除效果。Tanjilul［6］等在此基礎上，增加側面真空輔助抽吸工作液以進一步加快排屑。Zhang［7］等使用雙孔空心管電極代替單孔電極來避免加工中心殘留圓柱體阻礙工作液流動。還有一些提高加工間隙中工作液流速的方法，如電極旋轉［8］和電極行星運動［9］等，已被證實可以加快蝕除物去除速度，改善放電環(huán)境，在大深徑比小孔加工中可以有效提升電火花加工性能。

此外，將高頻或者超聲振動引入電火花加工也可以促進蝕除物的排出，以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的孔加工［10］。根據振動作用的位置，這些研究主要分為三類：工件振動、工作液振動和電極振動。對于尺寸小、結構簡單的工件，工件高頻振動可以促進工作液的流動，有助于獲得更高的材料去除率（Material Removal Rate，MRR）［11］。而對于大尺寸、結構復雜的工件，工件高頻振動的方式具有明顯的局限性，采用工作液或電極超聲振動可以有效避免該問題。工作液振動［12］是將高頻振動引入整個或者部分工作液中，使加工間隙中工作液產生湍流，可以有效地減少蝕除物的沉積和粘附，提高材料去除率。該方法一般采用混合工作液，超聲振動還起到了攪拌作用。電極振動方式則是使電極產生高頻振動以增加電火花加工的穩(wěn)定性，相對于其他兩種加工方式，其結構更簡單。Shabgard 和Alenabi［13］在對鈦合金Ti-6Al-4V 電火花精加工中使用電極超聲振動來減少電極 損 耗 和 加 工 微 裂 紋。Liao 和Liang［14］提 出 一 種電極傾斜進給與高頻振動結合的電火花加工方法以促進工作液的流入和蝕除物的排出，通過選擇合適的傾斜角度和振動參數，加工鋁合金6061的加工深度提升75%。Goiogana 等指出超聲振動輔助電火花加工可以使工作液中放電蝕除物分布更均勻，適合在電火花精加工中提升表面質量［15］。

之前的研究中已證實中心出水、旋轉電極、超聲振動輔助電火花加工能提升電火花加工性能，有助于蝕除物的排出，減少加工過程中的異常放電或短路，提高電火花加工的穩(wěn)定性。但是，相對于其廣闊的應用前景，將三者結合在電火花高速小孔加工中的應用研究較少［3，8］。在此背景下，本文將設計并實現(xiàn)一種新型高集成化的超聲復合電火花小孔加工系統(tǒng)（Ultrasonic Composite EDM Drilling System，UEDM），并將其應用于鎳基高溫合金GH4099 小孔加工中，通過加工對比試驗來驗證系統(tǒng)的有效性。

2 超聲振動復合電火花小孔加工系統(tǒng)設計

由于工件形狀的多樣性，所以很難用統(tǒng)一的方式對其施加超聲振動，這限制了超聲振動的應用范圍，因此，該系統(tǒng)采用電極振動的方式。超聲振動復合電火花鉆孔系統(tǒng)如圖1 所示，該主軸系統(tǒng)主要由電極及固定電極的超聲換能器、中心軸和外殼組成。電極被固定在超聲換能器上，超聲換能器安裝在旋轉主軸上，這樣電極可以同時實現(xiàn)旋轉和振動。

圖1 超聲復合電火花鉆孔系統(tǒng)Fig.1 Ultrasonic composite EDM drilling system

中心軸是該系統(tǒng)的中間件，主要用于安裝超聲換能器。其內部留有連通超聲換能器和超聲電源的連通孔，便于給超聲換能器供電。中心軸的中心同軸裝有導通工作液的內冷管，內冷管經旋轉接頭與水管相連。

超聲換能器是該系統(tǒng)的核心部件之一，采用朗之萬換能器形式，包含四個壓電陶瓷環(huán)，使用螺栓將前蓋板、后蓋板和壓電陶瓷環(huán)堆固定在一起，利用商用仿真軟件ANSYS 進行仿真設計。末端采用ER 彈性套筒和螺母來固定電極。不夾持電極時，利用模態(tài)仿真該超聲振動系統(tǒng)固有頻率為22 203 Hz（圖1（c））。圖1（d）展示了利用諧響應仿真電極懸長變化對超聲振動系統(tǒng)諧振頻率的影響。由仿真結果可知，換能器局部共振頻率（f=22 500 Hz）受電極懸長影響較小，并確定加工頻率使用換能器局部共振頻率，使用阻抗分析儀實測該頻率為23.8 kHz。最后，通過法蘭將超聲換能器固定在中心軸上。加工過程中，電極和工件分別被接在脈沖電源的負極和正極。使用一臺自制的超聲源提供超聲信號，為了實現(xiàn)電極旋轉，其正極經中心軸連通孔和導電滑環(huán)連接到超聲換能器的壓電陶瓷一極，負極則通過內部金屬配件與超聲換能器壓電陶瓷另一極導通。超聲電源開啟后，超聲振動通過傳振桿傳遞到電極上。使用絕緣套筒保證超聲主軸外殼絕緣。工作液通過旋轉接頭、中心軸冷管和管電極內部流到放電加工區(qū)域。該系統(tǒng)使用電機-皮帶結構以實現(xiàn)電極旋轉。此外設置密封結構避免外界的灰塵和水進入設備內部。與普通電火花高速小孔加工相比，該系統(tǒng)集成了電極旋轉、中心出水和電極超聲振動等功能。

3 試驗方法

GH4099 是一種高合金化鎳基高溫合金材料，在高溫時具有較高的熱強性和穩(wěn)定性，采用常規(guī)加工方法加工較為困難，本文將其作為工件材料。電極采用外徑為1 mm，內徑為0.5 mm 的黃銅空心管電極，加工時工件接電火花電源的正極，電極接負極。使用自來水作為工作液?？紤]到通孔加工存在不穩(wěn)定的突破階段［16］，試驗中控制電火花加工時間和電極行程，實現(xiàn)盲孔加工?？紤]到電火花存在精粗加工指標的不同，選擇加工電流和時間作為自變量，以材料去除率、電極損耗率和孔的表面形貌作為觀測指標，使用黃銅管電極分別在有無超聲振動的情況下對GH4099進行盲孔加工試驗，以研究超聲振動對電火花加工的影響。試驗參數及條件如表1 所示。

表1 試驗參數及條件Tab.1 Experimental parameters and conditions

為保證試驗結果的準確性，每組試驗重復3次，結果取平均值。試驗中使用秒表記錄每次試驗的加工時間t。試驗結束后，用一根全新的長度相同的電極再次試驗，測量記錄電極加工前后長度分別為l0和l1，稱重記錄加工前后質量分別為w0和w1。利用光學顯微鏡觀察電極損耗并測量所加工孔的直徑。此外，采用共聚焦顯微鏡觀察孔內壁形貌。

材料去除率用式（1）計算得到，電極損耗量（VTW）和相對電極損耗率（VRTWR）計算分別如式（2）和式（3）所示：

4 試驗結果與討論

圖2 展示了在150 s 內超聲電源電壓為180 Vp-p，頻率為23.8 kHz 時不同加工峰值電流對材料去除率和電極損耗量的影響。無論有無電極超聲振動，材料去除率和電極損耗量都隨著加工峰值電流的增大而增大。

圖2 峰值電流為6 A和10 A時材料去除率和電極損耗率Fig.2 Material removal rate and electrode wear under peak current of 6 A and 10 A

在峰值電流分別為6 A 和10 A 的中粗電火花加工中，超聲振動復合電火花加工的材料去除率都高于普通電火花加工。相對于峰值電流較大的情況（ip=10 A），超聲振動對材料去除率的影響在較小的峰值電流（ip=6 A）時更為顯著。當ip=6 A 時，超聲復合加工的材料去除率較普通電火花加工提升了46.42%。由于電極損耗量受到工件材料、加工深度和加工時間等因素的影響，因此將相對電極損耗率作為輔助觀測指標。峰值電流ip分別為6 A 和10 A 時，超聲振動復合加工方式相對于普通電火花加工相對電極損耗率分別減少了25.85%和13.99%。結合材料去除率對比表明，在合適的加工參數下超聲振動復合加工方式可以有效提高電火花加工材料去除率，降低相對電極損耗率，從而提高電火花小孔加工性能。而較大的電流并不一定帶來孔加工性能的提升，這種情況的產生可能與大電流加工時工作液中高濃度的加工蝕除物無法被及時排出有關。

接下來，將峰值電流減小為1 A 以研究超聲復合加工在小電流加工中對小孔加工形貌的影響。為了便于觀察和分析孔加工質量，將GH4099 工件通過線切割電火花加工將加工的孔剖成兩部分。由于加工過程中存在的電極損耗和電極與側壁之間的異常放電，所加工孔整體呈錐形［17］，并且采用管電極加工會存在中心殘留圓柱體，如圖3 所示。圓角$徑通過顯微鏡觀察獲得，而公式（4）用于計算錐角θ：

其中：Din和Dend分別表示孔入口直徑和孔底部直徑，h表示孔的深度。

圖3 和圖4 分別比較了峰值電流為1 A 時電極超聲振動和普通電火花加工孔錐角、圓角$徑和加工深度隨著加工時間的變化。加工錐角隨著加工深度的增加逐漸減小，超聲振動復合加工方式會產生更小的錐角，最終，兩種方式所加工錐角逐漸接近。圓角$徑隨著加工時間增加也有著相似的變化趨勢，超聲振動復合加工方式變化更快，并最終穩(wěn)定下來。在管電極電火花加工中放電蝕除物在側隙排出時引起的二次火花放電和電極損耗是形成錐角的主要原因。在加工深度相近的情況下，錐角越小說明放電蝕除物大部分可以通過通路排出，其引起側面異常放電較少，該方式的電極損耗量也較小。值得注意的是，當加工時間為60 s 時普通電火花方式加工孔難以用錐角描述，如圖3 所示。

圖3 不同加工時間下錐角變化Fig.3 Variation of taper angle under different machining time

圖4 不同加工時間下加工深度和圓角$徑變化Fig.4 Changes of machining depth and fillet radius at different machining times

加工深度隨著加工時間的增加而增加。在峰值電流為1 A 時，相對于普通電火花加工，超聲振動對GH4099 鉆孔加工在深度上有著明顯優(yōu)勢，這也驗證了超聲振動在小電流電火花加工時起到一定的促進作用。隨著加工深度的增加，加工深度的增量也隨之變化，長時間持續(xù)加工時，電極頻繁出現(xiàn)短路，加工難以繼續(xù)進行甚至可能會停滯。總體來看，超聲振動復合電火花方式加工過程更穩(wěn)定，加工深度更深。

圖5 （a）和（b）分別展示了使用普通電火花加工和電極超聲振動復合電火花加工孔內壁形貌。超聲振動加工孔具有更好的表面質量，尤其是在入孔處。普通電火花加工孔入孔處存在明顯的火花放電凹坑，同時表面存在黑色雜質。而超聲振動復合電火花加工抑制了該現(xiàn)象，這與超聲振動促進加工蝕除物的排出有關。使用光學顯微鏡觀察電極超聲振動復合電火花加工孔表面，如圖5（c）所示，可以觀察到，其表面較為光滑，僅存在較少的重熔顆粒。而無論有無超聲信號，受到電極嚴重損耗以及放電蝕除物沉積的影響，兩種方式所加工孔底部表面質量都較差。

圖5 所加工小孔及其表面形貌Fig.5 Small holes and their surface topography

對于電火花鉆孔加工存在三個階段：入孔階段，穩(wěn)定加工階段和深孔粗加工階段，如圖6 所示為小孔加工過程與形貌。圖6（a）顯示入孔階段，加工剛剛開始，電極逐漸深入到工件內部。此時電極末端邊緣由于電場強度較強，首先發(fā)生損耗［18］。當電極損耗到一定程度，電極場強最高的位置逐漸轉移到中心位置，加工過程逐漸穩(wěn)定下來，電極由最初的圓柱形變?yōu)殄F形。由于孔口側隙工作液流速低，氣泡較小不足以排出GH4099熔融顆粒，高溫的放電蝕除物迅速冷卻附著在入孔處形成重熔顆粒，影響加工質量［9］。圖6（b）為穩(wěn)定加工階段，電極形狀穩(wěn)定，蝕除產物在氣泡的作用下可以及時排出，此時材料去除率和加工表面質量最高。圖6（c）為深孔粗加工階段：隨著加工繼續(xù)深入，電極端面嚴重損耗，蝕除產物無法順利地排出，工作液中高濃度的放電蝕除物與電極產生二次放電，甚至引起電弧，電極持續(xù)回退，材料去除率變低。在此階段孔加工質量較差，電極損耗嚴重。

圖6 小孔加工過程與形貌Fig.6 Process and morphology of small holes

對于工作液中的蝕除顆粒，其運動受到自身重力和流場作用力的影響，其中重力、流體對粒子的浮力和曳力對蝕除顆粒影響較大，根據牛頓第二定律蝕除粒子運動滿足：

其中：mp，vp，ρp，dp分別為粒子的質量、速度、密度和直徑；μ，v和ρ分別為工作液的粘度，速度與密度；Fo為粒子受到的其他作用力，包括薩夫曼升力、壓力梯度力等。根據式（5）可知，蝕除粒子運動主要受到工作液流速的影響。

假設工作液不可被壓縮，利用Fluent 建立二維電極超聲振動極間流場仿真模型，如圖7 所示。在一個電極超聲振動周期中，極間的工作液受到“擠壓”與“釋放”，當電極靠近工件時，極間工作液流速降低；而當電極遠離工件時，極間工作液流速加快，有利于加工蝕除物的排出，使消電離過程更充分，如圖7（b）所示。圖7（c）展示了在加工初始8 個超聲振動周期內極間工作液流速變化。與無超聲振動相比，電極超聲振動方式使得極間工作液產生與超聲振動周期一致的振蕩變化，同時具有更高的平均流速。

圖7 電極超聲振動極間流場仿真Fig.7 Electrode ultrasonic vibration gap flow field simulation

調整加工深度在0.6 mm～1.5 mm 變化，圖8 展示了入口壓強為0.4 MPa 時極間工作液流速隨加工深度變化曲線。隨著加工深度的增加，出口流速和極間流速逐漸降低，蝕除粒子運動減弱，在重力作用下更易在底面沉積，成為影響深孔階段加工的重要原因。

圖8 極間流速隨加工深度變化曲線Fig.8 Variation curve of gap flow velocity with machining depth

總體而言，電極超聲振動一方面影響火花放電狀態(tài)，在入孔階段更易產生火花放電，縮短了入孔時間。另一方面可以改善工作液流動狀態(tài)，促進放電蝕除物的排出。這使得超聲復合小孔加工過程更穩(wěn)定，孔整體表面質量較好。

圖6（d）和（e）分別展示了峰值電流為1 A 時使用普通電火花加工和電極超聲振動的電火花加工GH4099 加工600 s 所形成的小孔。其中，電極超聲振動加工孔的入口$徑為1.259 mm，深度為8.457 mm，相比于普通電火花加工深度提升89.62%。該系統(tǒng)也可以滿足深小孔加工需求，應用該系統(tǒng)在峰值電流為6 A 時，可以在150 s 內實現(xiàn)深度為54.25 mm，深徑比為46 的GH4099 小孔，如圖6（f）所示。

5 結論

本文設計了一種新穎的超聲振動復合電火花高速小孔加工系統(tǒng)，采用管電極中心出水、超聲振動和電極旋轉復合加工方式，并在GH4099工件上進行了一系列小孔加工試驗。分析對比了超聲振動對電火花加工影響，并在不同加工電流和時間下進行試驗，研究了其加工GH4099 小孔的特性，得到了以下結論：

（1）所設計的超聲振動復合電火花加工系統(tǒng)可以實現(xiàn)對GH4099 小孔的高效加工。對比普通電火花加工，超聲振動復合加工促進了加工蝕除物排出，提升了材料去除率，并且在一定程度上降低了電極損耗。加工電流越小超聲振動對電火花加工影響越明顯，在峰值電流為6 A 時與普通電火花加工對比，其材料去除率提升了46.42%，相對電極損耗率減少了25.85%。

（2）觀察小電流下加工孔形貌，相對于普通電火花加工，超聲振動復合加工孔表面質量更好，表面整體更加光滑，孔加工過程更加穩(wěn)定。但是對于電極嚴重損耗的端部以及深孔加工階段，超聲振動復合加工也會出現(xiàn)孔表面質量較差的情況。

（3）在峰值電流為1 A 時，使用超聲振動復合加工系統(tǒng)加工600 s，可以獲得孔徑為1.259 mm，孔深度為8.457 mm 的小孔，相比于普通電火花加工系統(tǒng)，加工深度提升89.62%；當峰值電流為6 A 時，該系統(tǒng)可以在150 s 內實現(xiàn)深度為54.25 mm，深徑比為46 的GH4099 小孔加工。

綜上所述，超聲振動復合加工系統(tǒng)可實現(xiàn)針對難加工金屬GH4099 的便利且有效的加工。該系統(tǒng)還為其他鎳基高溫合金或難加工金屬加工提供了一種高效可行的解決手段。