刘 文，高聪明，陈 烨，夏 恒，余祖元

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；2.东京农工大学机械系统工程系，日本东京 184-8588）

航空航天、汽车和化工等行业对深小孔结构加工需求日益增加，如航空发动机叶片气膜冷凝孔、汽车发动机燃油喷嘴以及化纤喷丝板上的异型孔等[1-2]。微细电火花加工具有能加工任何导电材料、不受工件材料强度和硬度限制的优点[3]。电火花加工至今仍是加工微小深孔的优选方法，但在加工大深径比微小孔时，其电蚀产物难以有效排出而导致加工效率低下[4]，同时孔的内表面会在电火花放电的瞬时高温和工作液快速冷却作用下形成一定厚度的重铸层和微裂纹。电火花加工的零件通常应用于高温、高应力和高疲劳载荷的环境，工作时工件表面产生交变应力，易发生断裂、崩射[5-7]。对此，研究人员提出了高速电火花加工和混粉电火花加工技术[8-10]，通过改善放电加工环境来提高加工效率和加工质量。之后，随着电火花复合加工技术的发展，高速电火花加工和混粉电火花加工得到复合应用，即在工作液中混入微粒粉末，用一定压强将混粉工作液通过管电极送入加工区。Bai等[11-13]构建了混粉近干式电火花加工 （powder mixed near dry electric discharge machine，PMND-EDM），在内冲液压强下通过管电极将气-液-粉混合物的三相介质输送到加工区，研究了主要电参数以及混粉浓度、内冲压强和流量等非电参数对材料去除率（MRR）、电极损耗率（EWR）和表面粗糙度（SR）的影响。Lin等[14-15]采用压缩气体将磨料通过管电极输送到加工区，构建磨粒射流加工和电火花加工的混合工艺，研究了峰值电流、脉宽、磨料粒径、磨料材料和内冲压强等参数对MRR、SR以及表面完整性等加工特性的影响，并优化了加工参数。Arantes等[16]研究碳化硅（SiC）磨粒在不同电介质、内冲液压强时对MRR和SR产生的影响，观察到SiC颗粒嵌入重熔金属表面以及大量硅元素沉积在加工表面。Wankhade等[17]研究了磨粒射流电火花加工的加工性能，也观察到部分磨粒嵌入较软的工件材料，这说明放电加工过程中的磨粒在电蚀的同时对工件产生磨蚀作用。

上述学者均研究了大直径孔的加工情况，采用的管电极外径约为4～16 mm、内径约为2～12 mm。为进一步探究混粉内冲液工艺对深小孔加工效果的影响，本文采用外径0.3 mm、内径0.15 mm的微细管电极进行加工；为去除放电加工中在加工面上形成的重铸层，将混粉溶液在高压下通过管电极喷出，使溶液对工件表面产生磨蚀效果；为便于描述并使概念清晰，文中将粉末称为磨料、微粒称为磨粒。首先，本文通过正交试验确定了以自来水作为工作液的深小孔加工的最优加工参数；然后在最优参数基础上，在工作液中分别混入不同导电性及粒径的磨料并配成不同浓度的混粉工作液来开展深小孔加工，以及对比了相同加工参数下混粉与不混粉的加工效果，旨在确定磨料导电性、混粉浓度和粒径对深小孔加工效果的影响。

1 实验设计

1.1 实验设备

实验采用自研的微细电火花加工设备。加工装置示意图见图1。机床主体为微细电火花三轴立式加工机床；液压系统由液压系统和输送磨料两部分组成并通过闸阀控制两部分独立运行；极间的放电状态通过平均电压检测法来检测。图1中，R1为保护电阻（5Ω），R2为采样电阻；由于采用恒压电源，通过调节R2阻值来控制峰值电流，R2的实际阻值由实验设计的开路电压值和峰值电流值决定。

图1 电火花加工装置示意图

1.2 内冲液压强及放电参数的确定

为确定最优电火花加工参数，本文设计了四因素五水平的正交试验（表1）。试验条件为：工件是厚度3 mm的GH4169镍基高温合金；电极采用外径0.3 mm、内径0.15 mm、长度140 mm的黄铜管电极；工作液为自来水；开路电压为80 V、电极转速180 r/min；采用正极性加工。开展正交试验时，关闭液压系统Ⅱ（图1），仅使用自来水作为工作液。本文基于正交试验结果对加工时间进行方差分析，得到的最优加工参数为：内冲液压强6 MPa、峰值电流13.3 A、占空比40%、脉冲频率80 kHz。混粉后，采用此最优参数进行加工。

表1 因素水平表

1.3 混粉方式

实验采用后混式的混粉结构，即将磨料与高压水在混粉腔中混合（图2）。采用柱塞泵输送磨料溶液，气动增压泵提供高压水；在混粉腔的磨料入口安装单向阀，以防止高压水倒冲进磨料入口；在磨料溶液的容器中放置搅拌器，以保证混粉均匀。

图2 后混式结构

根据柱塞泵和气动增压泵的流量比计算由柱塞泵输送的磨料溶液混粉浓度 ρA，以控制从管电极喷射出的磨粒射流实际混粉浓度ρM。流量比及混粉浓度比的测算结果见表2。下文所述混粉浓度均指从管电极喷射出的磨粒射流的实际混粉浓度。

表2 柱塞泵与气动增压泵流量比及混粉浓度比

磨料选用粒径均分别为1、10、20 μm的氧化铝（Al2O3）和碳化硅（SiC），其部分物理特性见表3。

表3 Al2O3和SiC的部分物理特性

基于每组加工参数进行5次重复实验。每加工1个孔，就用砂纸将管电极端部打磨平整；每次更换混粉工作液时，用清水将主轴、管道和泵体冲洗干净，以保证实验中工作液无杂质；测量工件前，先将工件放入无水乙醇并置于超声波清洗机振荡清洗30 min；加工孔出入口直径及管电极内外径均用超景深显微镜拍摄图片并通过ImageJ图像软件处理测量得到；实验结果均取5次重复实验的平均值。

2 实验结果及分析

2.1 混粉浓度对加工效果的影响

用粒径均为1 μm的Al2O3和SiC，分别配置成质量浓度为2、4、8 g/L的混粉工作液进行加工，研究混粉浓度对加工效果的影响。

2.1.1 混粉浓度对加工效率的影响

MRR是判断EDM加工效率的重要依据。材料去除率的计算为：

式中：Vw为工件材料去除体积；hw为工件厚度，hw=3000 μm；t为穿孔加工时间；DEN为加工孔入口直径；DEX为加工孔出口直径。

图3是MRR与混粉浓度的关系图。可见，相较于在自来水中的加工情况，MRR会随着Al2O3磨料的添入明显降低，并且混粉浓度越大，MRR越小；添加SiC磨料后，MRR随着混粉浓度的增加而提高。

图3 MRR与混粉浓度的关系

不同于传统的混粉电火花加工和高速电火花加工，在射流中添加磨料后，材料去除过程分为电加工电蚀和磨料冲蚀两部分。Wong等[18]提出在电火花工作液中添加可导电的粉末，形成了 “桥接效应”，扩大了放电间隙，这有利于排出加工屑并减少短路、拉弧等非正常放电现象，从而提高加工效率；若在工作液中添加不导电的粉末，不仅无法形成“桥接效应”来扩大放电间隙，反而会导致不导电的粉末进入加工区并干扰加工屑的排出，进而降低加工效率。因此，添加Al2O3磨料降低了MRR，而添加SiC磨料提高了MRR。

入口处存在因二次放电使入口孔径 “二次扩大”的现象，而出口处无二次放电，故采用出口直径及对应所用管电极加工后的直径计算对应的放电间隙。放电间隙的计算式为：

式中：H为放电间隙；DA为加工后电极加工端外径。

图4是加工后的电极加工端示意图。电极加工端近似圆台。加工后电极加工端外径的计算式为：

图4 加工后的电极加工端示意图

式中：DA1为加工后电极加工端大端外径；DA2为加工后电极加工端小端外径。

穿孔后的电极一般在穿出工件约1 mm处停止加工，而电极加工端全长可能大于1 mm，故本文所述加工后电极加工端大端是指电极前1 mm处较大的外径，其尺寸≤300 μm。由此，加工的出口孔径可能会略小于300 μm。不同混粉浓度对应的出口直径、管电加工端外径及放电间隙值见表4。

表4 不同混粉浓度对应出口直径和所用管电极加工端直径以及放电间隙

由式（4）所示的加工区域粉末颗粒数目计算公式[19]得到加工区域的磨粒数目，见表5。

表5 加工区域粒径1 μm磨粒的数目

式中：N为加工区域磨粒数目；DEO为加工前管电极加工端外径，DEO=300 μm；DEI为管电极内径，DEI=150 μm；ρ 为磨粒的密度，Al2O3密度为3.5 g/cm3，SiC密度为3.2 g/cm3；ci为不同混粉浓度时的粉末质量分数，c2=0.2%、c4=0.4%、c8=0.8%；ri为假设磨粒为球状时的不同粒径磨粒半径。

图5是放电间隙与混粉浓度的关系图。可见，当混粉浓度逐渐增加，添加Al2O3磨料时的放电间隙几乎无变化，并且其加工区的Al2O3磨粒数增加会进一步阻碍加工屑排出，引起短路、拉弧，使非正常放电频发，导致加工效率不断降低；而添加SiC磨料后，随着混粉浓度的增加，“桥接效应”逐渐增强，放电间隙逐渐扩大，从而改善了加工屑的流动性，使加工效率不断提高。

图5 放电间隙与混粉浓度关系图

图6 是侧壁放电间隙示意图。侧壁放电间隙是考虑了二次放电情况后测算的放电间隙。把加工孔沿轴向剖开，并将整个孔壁四等分，分别测量中间三点处的孔半径，再减去管电极外半径（150 μm），得到孔壁中间三点处的侧壁放电间隙，分别为HS1、HS2和HS3，取其平均值即得孔壁侧壁放电间隙HS。

图6 侧壁放电间隙示意图

图7 是侧壁放电间隙与混粉浓度的关系图。可见，相较于正常的放电间隙，侧壁放电间隙因二次放电而扩大，并且随着两种磨料混粉浓度的增大而增大。这说明，随着磨料混粉浓度增加，加工中的二次放电发生几率变大。由于添加SiC磨料后产生“桥接效应”，此时不同混粉浓度时的侧壁放电间隙均比添加Al2O3磨料的更大。侧壁放电间隙实际是在正常放电后通过二次放电“扩大”的，所以被扩大的侧壁放电间隙并不能在第一时间起到改善加工屑流动性、促进排屑的作用。因此，尽管侧壁放电间隙比正常的放电间隙更大，但该间隙对放电加工效率的影响比正常放电间隙的小，这也解释了添加Al2O3磨料后的侧壁放电间隙尽管会随着混粉浓度的增大而增大，但对应MRR无提高的现象。随着加工时间延长，侧壁放电间隙扩大，更多的工作液能从侧壁间隙流出，还是对加工屑排出起到积极作用。

图7 侧壁放电间隙与混粉浓度关系图

为研究磨粒对小孔侧壁的影响，将小孔剖开，通过扫描电子显微镜观察到孔壁有刮痕并且有附着或嵌入孔壁的磨粒（图8）。这说明，磨粒有效地且直接地参与了侧壁材料（含重铸层材料）的去除过程。孔壁刮痕尺寸远大于磨粒的尺寸，这可能是磨粒在高速冲液下聚团移动造成的。

图8 中部孔壁刮痕及磨粒SEM能谱分析

根据式（5）所示动能定理式，可计算加工区域内不同混粉浓度的磨料动能。因射流携带磨料从管电极内孔垂直冲击工件表面，故磨料的动能即为磨料的冲蚀能量。

式中：E为磨料的冲蚀能量；Mi为磨料的总质量；v为磨粒冲蚀速度，即管电极出口射流速度；N为加工区磨粒数。

采用定量计时的方法测算内冲压强6 MPa时内径0.15 mm管电极的出口射流速度，即用秒表计时管电极口喷射出100 ml溶液的时间，再换算得到射流速度。从表6可见，不同混粉浓度对应的射流速度基本相同。加工时，管电极出口端距离工件表面仅1 mm，对此可认为无速度损失。考虑人工计时存在计时反应慢等误差，对射流速度取整数，即取v=24 m/s。根据式（5）计算出加工区域内单个磨粒的冲蚀能量及不同混粉浓度下总的冲蚀能量 （表6）。可见，磨料的冲蚀能量随着混粉浓度逐渐增大，但相较于电加工的能量（微细电火加工单个脉冲放电能量一般为10-6～10-7J[20]），磨料的冲蚀能量很小，因此磨料的冲蚀主要起辅助加工作用，工件材料去除情况主要是由极间脉冲放电能量决定。

表6 各混粉浓度对应的射流流量、速度及冲蚀能量

2.1.2 混粉浓度对电极损耗的影响

采用电极相对损耗率（REWR）判断电极损耗情况，即计算电极损耗体积与去除的工件材料体积的比值[21]。本文根据电极损耗长度计算损耗体积。测量电极损耗长度是通过电接触方式探测加工前、后电极在Z坐标的差值。电极相对损耗率表达式为：

式中：VE为电极损耗体积；lE为电极损耗长度。

RWER与混粉浓度的关系见图9。相比在自来水中加工的情况，添加Al2O3磨料会使REWR随着混粉浓度的增加而降低；添加SiC磨料会使RWER随着混粉浓度增加而增大。

图9 REWR与混粉浓度关系图

由图9可见，Al2O3磨料是绝缘材料，随着磨粒浓度增加，减弱放电脉冲对工件材料的有效去除。由于放电脉冲在去除工件材料的同时也去除电极材料，REWR会随着Al2O3磨料浓度增加而降低。采用SiC混粉工作液加工时，SiC会在高温高压下局部分解再形成石墨及其他碳单质[22]，如碳微粒或加工屑等电蚀产物分散至加工区，引起二次放电等非正常放电，且碳微粒随着SiC磨料浓度增加而增加，使非正常放电更易发生，电极损耗随之增加。

2.1.3 混粉浓度对孔径的影响

图10是加工孔出入口直径与混粉浓度关系图。与自来水中加工的情况相比较，添加Al2O3磨料后，加工孔入口孔径随着Al2O3磨料混粉浓度增加而扩大；添加SiC磨料后，加工孔出口孔径随着SiC磨料混粉浓度增加而减小。SiC磨料混粉浓度增加使二次放电更易发生，加工孔入口处也更易发生二次放电；Al2O3磨料混粉浓度增加会导致排屑越发困难，降低加工效率，延长加工时间，加工孔入口处发生二次放电的几率变大，入口孔径也逐渐扩大。

图10 加工孔出入口直径与混粉浓度关系图

图11是在同一倍数下拍摄的各混粉浓度对应的加工孔剖面图，可见加工孔入口处均有“扩孔”现象，并且随着Al2O3磨料混粉浓度的增加，其加工孔的锥度越来越明显，而SiC磨料的添加提高了穿孔速度，所加工的孔锥度很小。

图11 加工孔出入口直径与混粉浓度关系图

2.1.4 混粉浓度对孔壁表面粗糙度的影响

将加工孔沿轴向剖开，用MITAKA非接触形貌仪测量孔壁表面粗糙度Ra。孔壁表面粗糙度与混粉浓度的关系如图12所示，相比自来水中加工的情况，添加Al2O3磨料会恶化孔壁表面粗糙度，而添加SiC磨料会改善表面粗糙度；随着两种磨料混粉浓度的增大，孔壁表面粗糙度值均逐渐增大。

图12 孔壁表面粗糙度与混粉浓度关系图

2.2 粒径对加工效果的影响

为研究粒径大小对加工性能的影响，将粒径均为1、10、20 μm的Al2O3和SiC磨料分别配置成浓度2 g/L的混粉工作液进行加工，并测量加工结果。

2.2.1 粒径对加工效率的影响

由式（1）计算得到的各粒径对应MRR与磨料粒径关系见图13。可见，随着Al2O3和SiC磨料粒径的增大，MRR均降低。

图13 MRR与磨粒粒径关系图

根据式（2）和式（3）计算得到的各粒径对应管电极加工端直径和放电间隙见表7。

表7 不同粒径对应出口直径和管电极加工端直径及放电间隙

图14和图15分别是放电间隙和侧壁放电间隙与磨料粒径的关系图。可见，随着磨料粒径的增大，放电间隙和侧壁放电间隙均增大，但增幅较小，这可能是因为随着极间放电的进行，磨粒粒径越大，越易被击碎。

图14 放电间隙与磨料粒径关系图

图15 侧壁放电间隙与磨料粒径关系图

2.2.2 粒径对电极损耗的影响

根据式（6）计算各粒径对应的REWR，得到的REWR与磨料粒径关系见图16。可见，RWER随着Al2O3磨粒的粒径增大呈下降趋势，随着SiC磨粒的粒径增大而增大。下文将就其原因作分析。

图16 RWER与磨料粒径关系图

图17是添加2 g/L混粉浓度的Al2O3磨料后采样电压值随着时间变化的情况。可见，粒径分别为1、10 μm的Al2O3磨料，其加工时间及短路频率相近。粒径为1、10 μm时，对应电极损耗基本一致；粒径为20 μm时，电脉冲无法击穿Al2O3颗粒，阻碍了电脉冲对工件的有效放电，电极损耗随之减少；磨粒对加工屑排出及电极进给的阻碍效果增强，短路越发频繁，使电极频繁抬刀，延长放电间隔。

图17 添加2 g/L浓度Al2O3磨料的采样电压值和加工时间关系

图18是添加2 g/L浓度SiC磨料的采样电压值随着时间变化的情况。可见，随着SiC磨粒的粒径增大，短路现象较少。加工区的SiC磨粒被极间放电击碎，并被高温分解析出碳微粒而形成电蚀产物。这些具有导电性的电蚀物与磨粒增加了放电间隙的导电性，使放电间隙极易被击穿。磨料粒径的变化对放电间隙和侧壁放电间隙的影响较小 （图14和图15），电蚀产物的流动性不能被有效改善，又因磨料粒径越大越会阻碍电蚀产物排出，使二次放电等非正常放电发生几率变大，电极损耗随之增加。

图18 添加2 g/L浓度SiC磨料的采样电压值和加工时间关系

2.2.3 粒径对孔径的影响

图19是加工孔出入口直径与磨料粒径关系图。可见，磨料粒径增大扩大了入口孔径；Al2O3磨料粒径增大逐渐扩大了出口孔径，而SiC磨料粒径增大却逐渐减小了出口孔径。粒径越大，越会阻碍加工屑的排出且SiC磨粒在加工过程中产生碳微粒，加上磨料粒径增大不能明显扩大放电间隙和侧壁放电间隙，电蚀产物流动性得不到有效改善，使入口处的二次放电几率变大，导致入口直径扩大。

图19 加工孔出入口直径与磨料粒径关系图

2.2.4 粒径对孔壁表面粗糙度的影响

孔壁表面粗糙度与磨料粒径的关系见图20。可见，随着两种磨料的粒径增大，孔侧壁表面粗糙度值呈现了先减小后增大的趋势。

图20 孔壁表面粗糙度与磨料粒径关系图

3 结论

本文采用导电性和粒径不同的Al2O3和SiC磨料分别与自来水混合成不同浓度的工作液并使用微小管电极进行微小深孔加工，研究了磨料导电性、混粉浓度和粒径对加工效率、电极损耗、加工孔径及孔壁表面粗糙度的影响，得出如下结论：

（1）添加导电性较好的SiC磨料有利于提高加工效率、减小出入口孔径、降低孔壁表面粗糙度；添加不导电的Al2O3磨料有利于降低电极损耗。

（2）受射流带动，磨料在电加工蚀除材料的同时会在孔壁上留下刮痕甚至嵌入孔壁，有效证明了磨料对工件有冲蚀作用，可去除侧壁的重铸层，并在一定程度上提高加工效率。

（3）随着SiC磨料混粉浓度增大，加工效率提高，电极损耗、出入口直径差和孔壁表面粗糙度值均增大；随着SiC磨料粒径增大，加工效率降低，但电极损耗和出入口直径差增大，而孔壁表面粗糙度值先减小后增大；SiC磨料粒径为1 μm、混粉浓度为8 g/L时，穿孔速度最快，加工效率相比于自来水中的提高了32%；SiC磨料粒径为1 μm、混粉浓度为2 g/L时，出入口直径差和孔壁表面粗糙度值最小，相比于自来水加工的分别减小9.4%和28%。

（4）随着Al2O3磨料混粉浓度增大，加工效率降低和电极损耗均降低，而出入口孔径扩大、孔壁表面粗糙度值增大；随着Al2O3磨料粒径增大，加工效率和电极损耗均减小，而出入口孔径扩大、孔壁表面粗糙度先减小后增大；Al2O3磨料粒径为20 μm、混粉浓度为2 g/L时，电极损耗最小，相比于自来水中的减小了43%。

（5）放电能量的大小、二次放电的多寡、孔壁粘着的磨粒多少以及磨粒对孔壁刮擦产生的刮痕深浅等综合地影响着孔壁表面粗糙度值的大小。