CN104107969A - 分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺 - Google Patents
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Abstract
一种利用分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺，属于先进制造技术特种加工领域，其特征在于是一种利用水基工作液和铜/镍复合电极进行电火花小孔加工的工艺，本发明不需要对电火花小孔加工机床进行任何改造，仅仅利用新型的水基分散剂工作液和黄铜管状电极的外表面电镀一层熔点高于内部基础材料的金属镍，形成复合电极，这种电镀工艺成熟，工作液核心原材料价格低廉，配置简单实用，经济而易实现，且利用较少的投入就能较大幅度地提高电火花小孔加工的加工速度、深径比、加工质量和降低工具相对损耗率。不仅提高电火花小孔加工速度、深径比，而且降低了工具电极损耗，改善了加工质量，具有广阔的应用前景和推广价值。
Description
技术领域
本发明一种利用分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺，属于先进制造技术的特种加工领域，具体涉及一种利用自来水加分散剂的分散剂工作液和铜/镍复合电极进行电火花小孔加工的工艺，本发明不仅提高了电火花小孔加工的加工速度、深径比，而且降低了工具电极损耗，改善了加工质量，具有广阔的应用前景和推广价值。
背景技术
电火花加工技术自上世纪40年代问世以来，经过不断地发展和进步，已经成为一种比较成熟的技术，广泛应用于民用、国防等领域，在现代制造工业中有着不可替代的地位和作用。与其它传统加工方法相比，电火花加工中工具和工件不产生直接的接触作用，因此对工具材料的刚度和强度要求较低，可以实现以柔克刚，适合于任何难切削导电材料的加工，而不受被加工材料硬度的限制。
高速电火花小孔加工是上世纪80年代后期发展起来的一种新型、高效的深小孔加工工艺，它可以用于线切割零件的预穿丝孔、喷嘴以及耐热合金等难加工材料的小、深孔加工，并且其应用领域日益扩大。高速电火花小孔加工一般采用空心的铜管作为工具电极，高压水基工作液作为加工介质，工作液(1～10Mpa)通过中空管状电极直接注入到加工区，使火花放电间隙中的电蚀产物(如金属小屑，气泡等)被高速流动的工作液迅速冲走，以解决电火花小孔加工过程中排屑困难的问题。尽管采用高压冲液和电极旋转等措施，但是当加工小孔深度较大时，沉积在加工区底部的小碎屑不容易被高压水冲走,容易造成加工碎屑堆积，加工速率降低，甚至不能加工，使加工小孔的深径比受到了限制。电火花小孔加工的另一问题是工具电极的损耗，加工中工具电极会不同程度的电蚀，这不仅会增加加工成本，而且工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响，由于集肤效应等的影响，使圆柱形工具电极沿径向外边缘的电蚀量大于内部，使工具电极的加工端变为锥形，最终导致被加工小孔的锥度变大，加工质量变差。为了改善小孔加工时的排屑条件，保证加工过程稳定，提高加工速度和加工质量，许多研究中采用电磁或超声振动的方法，使工具电极在沿轴向进给的同时产生振动，即所谓的电磁或超声电火花复合加工，在一定程度上取得了不同程度的效果。但无论电磁振动或超声振动法，往往需要增加附加装置，造成加工成本的上升。因此，亟需寻找既成本低廉又能很好地改善排屑条件，提高加工速度、深径比、降低工具电极损耗和提高加工质量的方法。
目前电火花小孔加工用工具电极大都使用冷拔的多孔黄铜管，常用的工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。工作液主要功能是压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀除物排出。工作液不仅对加工效率、精度、电极损耗等工艺指标直接产生影响,而且环保、安全、经济性、使用寿命,也对工作液提出了更高要求。
发明内容
本发明一种利用分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺目的在于：为了解决上述现有技术中存在的问题，提出一种在电火花小孔加工中采用水基分散剂工作液和复合电极，实现改善排屑能力，提高加工速度和深径比，在减小工具电极相对损耗的同时，提高孔的加工精度的技术方案，如附图1所示。
本发明一种利用分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺，其特征在于是一种利用水基分散剂工作液和铜/镍复合电极进行电火花小孔加工的工艺，其具体工艺步骤为：
1)水基分散剂工作液的研制
水基分散剂工作液，其配方如表1所示，表2为所用分散剂的性能。
表1工作液的配方
表2T‐225分散剂性能
T‐225分散剂规格如下：
牌号：泰和55719‐33‐0产地：山东枣庄
主要成份：马来酸酐，丙烯酸，丙烯酸羟丙酯
分散剂工作液配制工艺:首先准备一个25～35L的塑料桶和一个1L的量筒；在塑料桶中加入20～25L的自来水，用量筒取0.5～1.0L的T‐225分散剂倒入塑料桶中，用塑料棒或是橡胶棒搅拌3～5分钟，待充分融合后置于常温下以待使用；
T‐225分散剂能够很好地分散那些难溶解于液体的固体小颗粒并且环保、无腐蚀、易长期保存，此外，自来水取之方便，分散剂价格便宜所需量少，因此经济性能好。
2)铜/镍复合工具电极的制备
选用多孔黄铜管状电极作为基体在其外层镀覆其他金属材料制备为复合工具电极。基体工具电极选用：直径为φ2mm冷拔的多孔黄铜管，外层金属选用：金属Ni元素，
方法：电镀，
镀层厚度：0.02mm，
电解液配制及选用：
硫酸镍200-250g.L‐1
氯化镍30-35g.L‐1
硼酸30-35g.L‐1
糖精0.5-0.8g.L‐1
温度50-60摄氏度
十二烷基磺酸钠0.05-0.08g.L‐1
电镀工艺过程：首先对黄铜电极表面进行除油清洁，而后在浓度为10％的硫酸溶液中进行活化操作，严格掌握时间3-5s，最后把普通黄铜管状电极置入已配置好的电镀液槽中，并接入直流电源的负极作为阴极如附图2的10所示，作为阳极的镍料接入直流电源的正极如附图2的9所示，镀镍开始。
3)进行电火花小孔加工
利用1)研制的水基分散剂工作液和2)制备的铜/镍复合电极进行电火花小孔加工，脉冲电源正极接被加工工件，负极接制备的铜镍复合电极，工作液压力为3.5MPa，加工电流的变化范围是5-25A，电流脉冲宽度的范围是8-80μs，被加工工件范围为所有的导电的金属固体材料；
4)测量与计算
小孔加工完后，关闭电火花加工机床，用游标卡尺测量孔的深度和电极的损耗量，用数字秒表记录其加工时间，计算出单位时间内加工孔的深度，即为电火花小孔加工的加工速度,同时计算出电极的相对损耗和深径比，相对电极损耗是单位时间工具电极的损耗量除以单位时间加工孔的深度的百分数，而深径比是加工孔的深度与孔直径的比值。
本发明一种利用分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺的优点在于：不需要对电火花小孔加工机床进行任何改造，仅仅利用新型的水基分散剂工作液和黄铜管状电极的外表面电镀一层熔点高于内部基础材料的金属镍，形成复合电极，这种电镀工艺成熟，工作液核心原材料价格低廉，配制简单实用，经济而易实现，且利用较少的投入就能较大幅度地提高电火花小孔加工的加工速度、深径比、加工质量和降低工具电极相对损耗。水基分散剂工作液与铜/镍复合电极电火花小孔加工原理图如附图3所示。进行电火花小孔加工之后，收集了从加工间隙排出的两种电介质溶液,分别置于两个容器中，经过5min后观察得：自来水中电蚀颗粒已沉淀，而T‐225分散剂工作液电蚀颗粒均匀分布于工作液中。在电火花小孔加工中，由于电蚀产物的沉积作用，使得加工屑不易抛出和排出，因而影响加工速度和深径比。在自来水工作液加入分散剂后，均一分散那些难溶于水中的有机、无机等加工屑固体颗粒，同时能够防止加工屑颗粒的沉降和凝聚，形成安定悬浮液，有利于电蚀颗粒的排出，从而提高了加工速度和深径比。由于复合电极中外层镍的熔点高于内层基体黄铜的熔点，其耐蚀性比黄铜好，因此使复合工具电极材料耐蚀性高，这样不仅使复合电极的电极损耗减小，而且，由于复合电极外层电蚀量减小，使加工孔的喇叭口变小，提高了加工精度。综上，分散剂工作液使工件材料蚀除率和孔的深径比增大，复合工具电极由于耐蚀性的提高等原因使得相对电极损耗大大降低，两者的相互作用还使被加工孔的质量提高。
本发明与现有技术相比较，具有以下显著特点：
(1)采用分散剂工作液和铜/镍复合工具电极进行电火花小孔加工时，能够提高工件的小孔加工速度，与使用黄铜电极和自来水工作液相比，加工速度可以提高50％—70％。
(2)在提高加工速度的同时降低了工具电极的损耗，使得相对电极损耗也大幅度的降低，降幅可达150％—200％。
(3)采用分散剂工作液和铜/镍复合电极后，使得电蚀产物顺利排出，因此大大提高了小孔加工的深径比。
(4)分散剂工作液的配制和复合工具电极的制备简单可靠，成本低，为其在电火花小孔加工中的推广应用提供了条件。
附图说明
附图1电火花小孔加工示意图
图中：1‐伺服系统，2‐旋转头，3‐铜/镍复合工具电极，4‐导向器，5‐工件，6‐泵，7‐分散剂工作液，8‐脉冲电源
附图2铜基电极镀覆镍原理图
图中：9‐阳极(镍棒)，10‐阴极(铜管)。
附图3复合电极与水基分散剂工作液加工原理示意图
图中：11‐铜/镍电极，12‐分散剂工作液，13‐工件，14‐加工碎屑。
附图4不同加工方案加工速度对比
附图5不同加工方案相对电极损耗对比
附图6传统型与改进型方案深径比对比。
具体实施方式
实施方式1
下面结合试验和具体实施方式对本新技术作进一步详细说明。
本试验在D703F电火花小孔加工机床上进行，采用正极性加工(工件和工具电极分别接脉冲电源的正、负极)，辅以高压(3.5MPa)工作液冷却排屑，工具电极旋转转速为120r/min。工件为不锈钢(1Cr18Ni9Ti)，工件厚度为80mm，工具电极为直径为φ2mm多孔黄铜管状电极和直径为φ2.02mm Cu/Ni多孔复合电极。工作液介质经水泵加压后，作用到中空旋转管状电极上，在电极的工作端高速喷出，将火花放电产生的电蚀产物冲走。脉冲电源的脉冲宽度选为35μm，改变电流强度，进行不同工作液与工具电极的加工试验。
1)水基分散剂工作液的研制
水基分散剂工作液，其配方如表3所示,表4为所用分散剂性能：
表3工作液的配方
表4T-225分散剂性能
T-225分散剂规格如下：
牌号：泰和55719-33-0 产地：山东枣庄
主要成份：马来酸酐，丙烯酸，丙烯酸羟丙酯
分散剂工作液配制工艺:首先准备一个25L的塑料桶和一个1L的量筒；而后在塑料桶中加入20L的自来水，用量筒取0.5L的T-225分散剂倒入塑料桶中，最后用塑料棒或是橡胶棒搅拌5分钟，待充分融合后置于常温下以待使用；
T-225分散剂能够很好地分散那些难溶解于液体的固体小颗粒并且环保、无腐蚀、易长期保存，此外，自来水取之方便分散剂价格便宜所需量少因此经济性能好。
2)铜/镍复合工具电极的制备
选用多孔黄铜管状电极作为基体在其外层镀覆其他金属材料制备为复合工具电极。
基体工具电极选用：直径为φ2mm冷拔的多孔黄铜管，外层金属选用：金属Ni元素。
方法：电镀
镀层厚度：0.02mm
电解液配制及选用：
硫酸镍200g.L-1
氯化镍30g.L-1
硼酸30g.L-1
糖精0.5g.L-1
温度50摄氏度
十二烷基磺酸钠0.05g.L-1
电镀工艺过程：首先对黄铜电极表面进行除油清洁，而后在浓度为10％的硫酸溶液中进行活化操作，严格掌握时间3-5s，最后把普通黄铜管状电极置入已配置好的电镀液槽中，并接入直流电源的负极作为阴极如附图2的10所示，作为阳极的镍料接入直流电源的正极如附图2的9所示，镀镍开始。
3)进行电火花小孔加工
利用1)研制的水基分散剂工作液和2)制备的铜/镍复合电极进行电火花小孔加工，脉冲电源正极接被加工件，负极接制备的铜镍复合电极，工作液压力为3.5MPa，加工电流的变化范围是5-25A。研究结果表明，当脉冲能量一定时，都会有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽，本试验最佳脉宽为35μs，被加工工件为不锈钢(1Cr18Ni9Ti)；实验方案如表5所示。
表5实验方案
| 方案 | 工作液 | 工具电极 |
| 传统型 | 自来水 | 黄铜多孔管 |
| 改进型 | 水基分散剂 | Cu/Ni多孔复合电极 |
4)测量与计算
小孔加工完毕，关闭电火花加工机床，用游标卡尺测量孔的深度，用数字秒表记录其加工时间，计算出单位时间内加工孔的深度，即为电火花小孔加工的 加工速度。分别采用两种方案进行加工，得到加工速度随加工电流变化关系如表6所示，关系曲线如附图4所示。
表6不同加工方案的加工速度
由附图4可以看出,采用改进型方案后加工速度提高50％～70％。分析其原因是,在电火花小孔加工中,电极丝直径需比加工孔的直径小一些,且小孔放电加工时的放电状态复杂、排屑困难,所以加工效率较低。在电火花小孔加工中，由于电蚀产物的沉积作用，使得加工屑不易抛出和排出，因而影响材料去除率。在自来水电介质工作液中加入分散剂后，分散剂能够降低液-液和固-液间的界面张力，能够均一分散那些难溶于水中的有机、无机等加工屑固体颗粒，同时能够防止加工屑颗粒的沉凝和凝聚，形成安定悬浮液，有利于碎屑排出，从而提高了加工速度。
分散剂T-225对电蚀产物的作用和良好的储存性能
进行电火花加工之后,收集从加工间隙排出的两种电介质溶液,分别置于两个容器中,经过30天后观察可得:自来水工作液中电蚀颗粒已沉淀,且为较大的颗粒状。而T-225分散剂工作液沉淀部分颗粒细而小,其余部分电蚀颗粒均匀分布于工作液中。将电蚀产物晾干后,得到的蚀除颗粒,加入分散剂后所形成的颗粒均匀且细小,以自来水为电介质所形成的颗粒较大,且大小不均匀。这表明加入分散剂T-225后使得电蚀产物凝结的机率大大降低,增加蚀除颗粒分布的均匀性。此外，长时间放置后，分散剂工作液作为工作介质的蚀除颗粒仍然能保持颗粒的均匀性，说明以分散剂T-225配制的水基分散剂工作液有良好的储存性能，较长的保质期。
实施方式2
1)水基分散剂工作液的研制
水基分散剂工作液，其配方如表7所示，表8为所用分散剂性能：
表7工作液的配方
表8T-225分散剂性能
T-225分散剂规格如下：
牌号：泰和55719-33-0 产地：山东枣庄
主要成份：马来酸酐，丙烯酸，丙烯酸羟丙酯
分散剂工作液配制工艺:首先准备一个35L的塑料桶和一个1L的量筒；在塑料桶中加入25L的自来水，用量筒取1.0L的T-225分散剂倒入塑料桶中，用塑料棒或是橡胶棒搅拌5分钟，待充分融合后置于常温下以待使用；T-225分散剂能够很好地分散那些难溶解于液体的固体小颗粒并且环保、无腐蚀、易长期保存，此外，自来水取之方便分散剂价格便宜所需量少因此经济性能好。
2)铜镍复合工具电极的制备：
选用多孔黄铜管状电极作为基体在其外层镀覆其他金属材料Ni制备为复合工具电极。
基体工具电极选用：直径为φ2mm冷拔的多孔黄铜管
外层金属选用：金属Ni元素
方法：电镀
镀层厚度：0.02mm
电解液配制及选用：
硫酸镍250g.L-1
氯化镍35g.L-1
硼酸35g.L-1
糖精0.8g.L-1
温度60摄氏度
十二烷基磺酸钠0.08g.L-1
电镀工艺过程：首先对黄铜电极表面进行除油清洁，而后在浓度为10％的硫酸溶液中进行活化操作，严格掌握时间3-5s，最后把普通黄铜管状电极置入已配置好的电镀液槽中，并接入直流电源的负极作为阴极如附图2的10所示，作为阳极的镍料接入直流电源的正极如附图2的9所示，镀镍开始。
3)进行电火花小孔加工
利用1)研制的水基分散剂工作液和2)制备的铜/镍复合电极进行电火花小孔加工，脉冲电源正极接被加工件，负极接制备的铜/镍复合电极，工作液压力为3.5MPa，加工电流的变化范围是5-25A。研究结果表明，当脉冲能量一定时，都会有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽，本试验最佳脉宽为35μs，被加工工件为不锈钢(1Cr18Ni9Ti)；实验方案如表9所示。
表9实验方案
4)测量与计算
小孔加工完毕，关闭电火花加工机床，用游标卡尺测量孔的深度和电极的损耗量，用数字秒表记录其加工时间，计算出单位时间内加工孔的深度和单位时间工具电极的损耗量，计算得单位时间工具电极的损耗量除以单位时间加工孔的深度的百分数即为相对电极损耗率。分别采用两种方案进行加工，得到不同加工方案相对电极损耗率随电流变化如表10所示，关系曲线如附图5所示。
表10相对电极损耗
由图5可以看出，采用改进型方案后相对电极损耗率降低150％～200％。实验中还发现加工一定时间后，改进型电极加工端仍然可以保持姣好的圆柱度。分析其原因是,黄铜电极的熔点虽然较低，但其导热性好，所以耐腐蚀性也好。镍的熔点比黄铜的高，但导热性没有黄铜好，为了充分利用镍的高熔点与铜的高导热系数，以达到低的相对损耗，故采用Cu/Ni的复合材料作为工具电极，这样的复合材料不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小。
实施方式3
1)水基分散剂工作液的研制
水基分散剂工作液，其配方如表11所示，表12为所用分散剂性能：
表11工作液的配方
表12T-225分散剂性能
T-225分散剂规格如下：
牌号：泰和55719-33-0 产地：山东枣庄
主要成份：马来酸酐，丙烯酸，丙烯酸羟丙酯
分散剂工作液配制工艺:首先准备一个30L的塑料桶和一个1L的量筒；在塑料桶中加入23L的自来水，用量筒取0.75L的T-225分散剂倒入塑料桶中，用塑料棒或是橡胶棒搅拌5分钟，待充分融合后置于常温下以待使用；T-225分散剂能够很好地分散那些难溶解于液体的固体小颗粒并且环保、无腐蚀、易长期保存，此外，自来水取之方便分散剂价格便宜所需量少因此经济性能好。
2)铜镍复合工具电极的制备
选用多孔黄铜管状电极作为基体在其外层镀覆其他金属材料Ni制备为复合工具电极，如附图2所示。
基体工具电极选用：直径为φ2mm冷拔的多孔黄铜管
外层金属选用：金属Ni元素
方法：电镀
镀层厚度：0.02mm
电解液配制及选用：
硫酸镍230g.L-1
氯化镍33g.L-1
硼酸33g.L-1
糖精0.6g.L-1
温度55摄氏度
十二烷基磺酸钠0.06g.L-1
电镀工艺过程：首先对黄铜电极表面进行除油清洁，而后在浓度为10％的硫酸溶液中进行活化操作，严格掌握时间3-5s，最后把普通黄铜管状电极置入已配置好的电镀液槽中，并接入直流电源的负极作为阴极如附图2的10所示，作为阳极的镍料接入直流电源的正极如附图2的9所示，镀镍开始。
3)进行电火花小孔加工
利用1)研制的水基分散剂工作液和2)制备的铜/镍复合电极进行电火花小孔加工，脉冲电源正极接被加工件，负极接制备的铜镍复合电极，工作液压力为3.5MPa，加工电流的变化范围是5-25A，。研究结果表明，当脉冲能量一定时，都会有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽，本试验最佳脉宽为35μs被加工工件为不锈钢(1Cr18Ni9Ti)；实验方案如表13所示。
表13实验方案
4)测量与计算
小孔加工完毕，关闭电火花加工机床，用游标卡尺测量加工孔的深度和孔的直 径，计算出加工孔的深度与孔直径的比值即为深径比。分别采用表13的两种实验方案进行加工，得到不同实验方案的加工深径比如表14所示，关系曲线如附图6所示。
表14不同实验方案的加工深径比
| 实验方案 | 深径比 |
| 传统型 | 26 |
| 改进型 | 35 |
由附图6可以看出复合电极与分散剂工作液加工深径比提高了30％多。分析其原因是，在电火花小孔加工中，随着加工深度的增加，小孔的锥度也随着增加，当深度超过一定数值后，被加工工件的孔口尺寸就不再扩大，但此时由于电蚀产物的沉积，愈来愈难排出，最终将导致加工停止。采用分散剂工作液后，由于减少了电蚀产物的沉降，更有利于碎屑的排出，使得加工得以继续进行，因此提高了深径比。
Claims (1)
1.一种利用分散剂工作液与铜/镍电极的电火花小孔加工工艺，其特征在于是一种利用水基分散剂工作液和铜/镍复合电极进行电火花小孔加工的工艺，其具体工艺步骤为：
1)水基分散剂工作液的研制
水基分散剂工作液，其配方为：
表1工作液的配方
T-225分散剂性能
T-225分散剂规格如下：
牌号：泰和55719-33-0 产地：山东枣庄
主要成份：马来酸酐，丙烯酸，丙烯酸羟丙酯
分散剂工作液配制工艺:首先准备一个25～35L的塑料桶和一个1L的量筒；在塑料桶中加入20～25L的自来水，用量筒取0.5～1.0L的T-225分散剂倒入塑料桶中，用塑料棒或是橡胶棒搅拌3～5分钟，待充分融合后置于常温下以待使用；
T-225分散剂能够很好地分散那些难溶解于液体的固体小颗粒并且环保、无腐蚀、易长期保存，此外，自来水取之方便分散剂价格便宜所需量少因此经济性能好。
2)铜镍复合工具电极的制备
选用多孔黄铜管状电极作为基体在其外层镀覆其他金属Ni材料制备为复合工具电极。
基体工具电极选用：直径为φ2mm冷拔的多孔黄铜管
外层金属选用：金属Ni元素
方法：电镀
镀层厚度：0.02mm
电解液配制及选用：
硫酸镍200-250g.L-1
氯化镍30-35g.L-1
硼酸30-35g.L-1
糖精0.5-0.8g.L-1
温度50-60摄氏度
十二烷基磺酸钠0.05-0.08g.L-1
电镀工艺过程：首先对黄铜电极表面进行除油清洁，而后在浓度为10％的硫酸溶液中进行活化操作，严格掌握时间3-5s，最后把普通黄铜管状电极置入已配置好的电镀液槽中，并接入直流电源的负极作为阴极如附图2的10所示，作为阳极的镍料接入直流电源的正极如附图2的9所示，镀镍开始；
3)进行电火花小孔加工
利用1)研制的水基分散剂工作液和2)制备的铜镍复合电极进行电火花小孔加工，脉冲电源正极接被加工件，负极接制备的铜镍复合电极，工作液压力为3.5MPa，加工电流的变化范围是5-25A，电流脉冲宽度的范围是8-80μs，被加工工件范围为所有的导电的金属固体材料；
4)测量与计算
小孔加工完毕，关闭电火花加工机床，用游标卡尺测量孔的深度和电极的损耗量，用数字秒表记录其加工时间，计算出单位时间内加工孔的深度，即为电火花小孔加工的加工速度,同时计算出电极的相对损耗和深径比，相对电极损耗是单位时间工具电极的损耗量除以单位时间加工孔的深度的百分数，而深径比是加工孔的深度与孔直径的比值。
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