基于放电加工的大深径比钨孔加工方法研究

马利政李树枝

摘要：大深径比小孔难加工材料工件的加工一直是机械加工领域的难题之一。放电加工的非接触式加工、无明显宏观作用力等特点，使其在加工深孔，尤其在加工难加工材料大深径比孔时具有明显的优势。然而，放电加工过程中也存在工具电极损耗大、加工效率低等局限性问题。本文通过探究试验采用放电加工与金属键合相结合的加工方法，用线形成型电极分别在两片钨板上加工出截面为半圆形的凹槽；通过金属溅射的方法在两片钨板的被加工表面镀上一层金属镍；最后采用高温金属键合的方法将两部分凹槽对合形成一个完整的圆孔。实现对大深径比难加工钨材料小孔零件放电加工工艺技术的研究。

关键词：放电加工；大深径比小孔；溅射；金属键合。

1放电加工

放电加工又称电火花加工，该加工方法使浸没在工作液中的工具电极和零件之间不断产生脉冲性的火花放电，依靠每次放电时产生的局部、瞬时高温把金属材料逐次微量的蚀除，进而将工具电极的形状反向复制到零件上[1-2]。放电加工与传统的机械加工方法完全不同，它是利用电火花来进行加工的一种特种加工方法。放电加工在对一些高硬度导电难加工材料的加工有较大优势[3]。

大深径比小孔零部件广泛应用于高铁、飞机、精密机床等领域。在大深径比难加工材料钨孔的加工中，由于孔的深径比超过50：1，甚至超过80：1，工件为难加工钨材料。传统的机械加工方法，例如钻削、铣削、磨削很难加工如此大深径比的孔以及高硬度的钨材料。[4]

本文根据大深径比难加工材料钨孔的加工特点和加工要求，通过探究试验采用放电成型加工与金属键合相结合的加工方法，设计特殊的线形成型电极，综合多种加工工艺实现对难加工材料大深径比小孔的加工。首先第一步是利用放电加工的方法，用线形成型电极分别在两片钨板上加工出截面为半圆形的凹槽；第二步是通过金属溅射的方法在两片钨板的被加工面上镀上一层金属镍；最后一步则是采用高温键合的方法将两部分凹槽对合形成一个完整的圆孔形。加工方案示意图如图1所示。

图1加工方案示意图

2半圆形凹槽放电加工

采用线形成型电极分别在两片钨板上加工出截面为半圆形的凹槽，放电加工完的钨板工件如图2所示。将凹槽置于显微镜下观测凹槽的形状和尺寸。凹槽的截面形状及尺寸测量结果如图3所示。选取多个位置测量凹槽截面半圆半径在301μm至305μm范围内。放电成型加工的精度符合要求。

图2放电成型加工完的钨板工件图3截面为半径0.3mm半圆的凹槽

3表面金属溅射

金属溅射是用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。[5-6]

将放电成型加工完成的两块钨板放入溅射仪中间位置，加工面向上。把镍靶安装到溅射仪上，调整溅射镍靶的方向，使其正对工件。镍靶和工件安装放置完毕后，将整个溅射腔封闭起来，用真空泵将溅射腔抽成真空，让溅射腔中放置工件的平台旋转起来。设置合适的电流、电压值，开始溅射镀镍过程，保持溅射过程功率在150千瓦左右。溅射时间持续大约45分钟，为防止溅射时间过长，导致工件温度过高损伤镀层，试验采用间歇性镀膜。[7]

通过金属溅射操作，可在放电成型加工完的钨板表面包裹一层厚度为1.5μm左右的镀层，整个钨板呈现为金属镍的银白色。

4钨板高温键合

4.1高温键合原理

物理含义：将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使两块材料键合成一体的技术。[8]

图4高温键合过程图5高温键合完的工件

高温键合机主要由三部分组成：加压装置、加热装置、抽真空装置。加压装置包括仪器上面的预紧部分和下面的液压部分，键合前对工件进行预紧。[9]

4.2高温键合过程

钨板键合主要过程是将两块钨板凹槽对合后放入键合机中，放入之后将上面的预紧盖轻轻的压在工件上，这个过程一定要保证两块钨板不发生错位滑动。预紧盖盖好之后，将四周的螺栓拧紧，保证整个容器的气密性。启动抽真空泵，对键合容器进行抽真空，抽真空泵一直运行，直到整个键合过程完成。实际键合操作过程如图4所示。

键合后工件如图5所示，两片长20mm，宽5mm，高50mm中间位置带有半圆形凹槽的钨板，通过高温键合形成一个长20mm，宽10mm，高50mm完整工件。工件的中间为直径为0.6mm，深度50mm的长直通孔，孔的深径比超过80：1。

4.3键合质量分析与检测

使用结合力测量装置对键合完工件进行键合强度检测，检测结果表明采用上述加工工艺，在镀膜厚度为1.5μm左右时键合工件的结合强度为8.2MPa，结合强度满足大部分应用需求。

5结论

本文针对深径比超过80：1的大深径比钨孔零件基于放电加工技术的加工工艺进行研究。采用特殊加工工艺实现大深径比钨孔的加工。根据大深径比难加工材料钨孔的加工特点和应用要求采用放电加工、金属溅射及高温键合相结合的加工工艺方法，最终实现了大深径比难加工材料钨孔的加工。加工完成后对两块钨板键合力和键合后孔的形状精度进行检测，得到的结果均符合工件的应用需求，证明本文所述加工工艺方法就有较好可行性。

参考文献：

[1]张勤河，张建华，杜如虚.电火花成形加工技术的研究现状和发展趋势[M].中国机械工程，2005（17）：1586-1588.

[2]魏引焕，张晓燕.影响电极损耗和使用寿命的因素分析与对策[J].机床与液压，2009.

[3]贾宝贤，王振龙，赵万生.基于特种加工的微小孔加工技术[J].电加工与模具，2005（2）：1-5.