特种加工微小孔技术

【摘要】揭示了微小孔加工的主要技术难点，简述了国内、外特种加工技术加工微小孔的研究与应用，围绕采用各种特殊方式对微小孔加工的关键技术及适用范围进行了论述。

最后，指出了目前微小孔加工技术中有待进一步解决的问题和研究方向。

关键词：特种加工；微小孔；难加工材料
在航空、航天制造业中，频繁应用到众多带有微小孔的零件，而且对微小孔的精度要求也是越来越高，被加工零件所采用的绝大多数材料是难加工材料，其中包括硬质合金、金刚石及其它高分子复合材料等，因此，又相继开发出一些新的微小孔加工技术。

目前国内外对微小孔的界定为：直径为φ0.1~1.0mm的孔称为小孔，直径<φ0.1mm的孔称为微孔。

本文主要针对目前特种加工微小孔技术及其应用做一简要的讨论。

1.激光加工微小孔
1.1 主要工艺特点
（1）加工速度快，效率高、热影响范围窄、切削区变形小。

（2）因激光的集聚特性使光斑尺寸很小，理论可达到1μm以下。

输出功率可分档调节，故能进行直径中1μm以上的微孔加工，深径比>10。

（3）采用非接触激光加工，可加工低刚度、弹性恢复大的零件:如薄壁件、软金属件等;，亦可对难于加工部位进行打孔，无工具损耗，易于实现加工自动化。

（4）由于激光的穿透性，所以它能够实现通过透明材料，对其它材料进行加工，用于满足特殊场合的需要。

（5）经激光加工的被加工表面粗糙度较差，且成型孔的尺寸精度、定位精度不高。

（6）在表面光泽或透明材料上打孔时，需要预先涂覆吸光剂或进行表面喷砂处理，以增强被加工材料的吸光效果。

1.2应用
目前，激光打孔已在难加工材料和孔系加工中获得较广泛的应用。

（1）仪器、仪表中各种宝石轴承孔的加工
（2）RP 技术快速成型设备喷嘴孔的加工
（3）化纤喷丝板孔系的加工
（4）航空发动机涡轮叶片冷却孔的加工
（5）高分子复合材料孔的加工
2.电火花加工微小孔
2.1 主要的工艺特点
（1）能加工任何导电材料的各种不同截面形状的微小孔,最小孔径或槽宽可达5μm。

（2）尺寸精度可达1μm，表面粗糙度达Ra0.32μm，电火花微小孔磨削可达Ra0.08μm
（3）加工微小孔时电极与工件间无机械力作用，故可加工薄壁、弹性件等低刚度零件，也可在斜面上加工，还可加工一些弯孔。

（4）电火花加工的速度极低，加工的成本比较高，用于加工微小孔的电极、特别是异形微孔电极的制造难度较大，其电极的装夹也相当困难。

（5）与常规电火花加工相比，微小孔电火花加工电极很小、很细，现场加工需要配用导向装置，且加工间隙很小、排屑相当困难，单个脉冲能量极小，电极相对损耗较大，总是采用正极性加工。

2.2电极的主要制造方法
微小孔电火花加工用的电极要选刚性好、容易矫直、损耗小的材料，现场常用的有银钨合金、铜钨合金、钨、钼、黄铜丝等。

主要制造方法
（1）采用硬质合金拔丝模或金刚石拔丝模冷拔制各种截面形状的微小电极，此方法效率高、适用于大批量生产。

（2）利用精密电火花线切割方法整体加工异形微小电极，此方法制造周期短、精度和刚度都比较好。

（3）电火花反考加工微细的整体电极，此方法主要用于单件生产，加工用电极定位装夹方便。

2.3配备电源
在电火花加工微小孔中，由于受到被加工表面的制约，单个
脉冲放电能量必须很小，一般为10-5~10-7J。

通常微小孔加工的峰值放电电流为数百毫安，因此脉冲电源的放电时间应为10-6~10-8S，脉冲频率应为10-2~102HZ范围内。

对于小孔加工采用大功率场效应管作为开关元件的独立式脉冲电源，使用自适应控制系统。

对于微孔的加工采用易获得纳秒级窄脉冲宽度的Rc弛张式脉冲电源。

在放电回路的设计上要尽量使离散电容和布线电感减至最小，以免其改变脉冲宽度和电流波形，引起加工过程不稳定和加工表面粗糙度较差题。

2.4常用工作液
由于微小孔电火花加工间隙很小，通常为10-1~101μm数量级，要提高排屑能力，应使用粘度低、流动性好的液体介质做工作液。

目前常用的工作液有轻质煤油、去离子水、蒸馏水、稀释乳化液等。

2.5使用设备
为避免电弧放电、短路或碰撞以获得较高的加工质量和加工精度，使用设备需配备进给速度小于0.1μm/s（微孔加工时使用）的微量进给机构，并有足够的灵敏性、随动性和快速性，同时要时时注意和避免电极爬行和侧向振动。

另外加工设备的主轴还应采用轴向微振动及低速旋转运动，有周期性的定时抬动电极机构，提高排屑，进而提高加工精度和加工效率。

目前使用设备的关键主件均采用陶瓷材料，以减少低放电回路的寄生电容，从而将放电能量降低到极限，可获得亚微米级的形状精度和表面粗糙度。

如加工使用的电极采用φ300以下细金属丝，设备自身可进行微细电极的成型加工，加工微孔的深径比达10以上。

2.6电火花超声复合加工
电火花超声复合加工是在电火花加工的基础上施加轴向超低频微振动，一般使用频率为20KHz-30KHz，从而使加工过程稳定，孔的加工精度、表面粗糙度明显改善，加工速度亦可提高数倍至数十倍，深径比最高达70以上。

如俄罗斯04ΣΠ20微小孔电火花加工机床，它使用可调频率的超声振动，采用场效应管独立式脉冲电源，用离子水作工作介质，钨合金做电极，在硬质合金上加工出φ0.04mm的深微孔，精度±2μm，Ra0.1~0.4μm，工效提高5~8倍。

3．电解加工微小孔
3.1电解加工微小孔的特点
（1）可加工任何导电材料，不受材料强度、硬度、脆性、韧性、熔点、导热性等的限制。

（2）加工表面无残余应力和变形，加工后的孔口无非边和毛刺。

（3）因工具阴极理论上无损耗，所以可以长期使用，也可以加工各种异形孔。

（4）加工表面粗糙度较好，一般情况下可达Ra0.8~0.2μm。

精度比较差，最高可达到±0.025μm.
（5）工具阴极的制造较为复杂，使用的电解液有腐蚀作用，需要增加防护，电解产物有污染，要进行妥善的后置处理。

3.2电解加工小孔的工艺方法
常用的工艺方法是采用成型管作阴极进行电解加工，成型管阴极外截面形状与被加工孔的截面形状相似，成型管进给，电解液从成型管内孔喷射出。

在加工园孔时，还要求成型管以一定的速度旋转，以提高孔的形状精度。

该工艺方法主要适用于淬火钢、不锈钢、钛合金、高温合金及硬质合金等难加工材料的深小孔（包括异形孔）加工，深径比最高可达300。

如国外采用钛管电极使用稀硫酸电解液，电解加工飞机发动机上的冷却孔，孔的尺寸为φ0.4~0.3mm，深径比达到3，加工速度为3mm/min。

3.3电解加工微孔的工艺方法
在电解加工微孔的过程中，采用双层绝缘细管、射流电解液进行微孔的加工，取得了相当可喜的成果，并通过大量的试验研究使得利用电解方式加工微孔有了较大的突破，如美国使用绝缘细管电解加工的工艺方法已成功的在96μm的钨板上加工出φ24μm 的微孔，加工时间为4.5min。

再如，用射流电解液技术可加工出φ0.076~0.80mm的微小孔。

目前，该技术已成功用于涡轮叶片冷却孔的加工，深径比达到50，加工速度可达3mm/min。

4. 电子束加工微小孔
4.1特点
（1）功率密度高，可加工高硬度、高强度、高韧性、高脆性、高熔点的金属材料和非金属材料，加工使用的功率密度大约为109W/cm2
（2）能量可集聚成φ1μm以下的光斑，故可加工数微米的孔，孔的加工效率很高，这主要取决于被加工件的移动速度。

（3）能实现通过磁场或电场对电子束的强度、位置进行直接控制，便于实行自动化加工，主要用于园孔加工，也可用于加工异形孔、锥孔、窄缝等。

（4）该种工艺方法属于非接触加工，因此工件本身不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。

（5）在真空状态下进行，特别适合于加工易氧化的材料或纯度要求极高的单晶体、半导体等材料。

（6）该种工艺方法需要一套专用设备和真空系统，价格比较贵，应用于生产还有一定的局限性。

4.2应用状况
目前电子束加工的最小孔为中1μm ，较适合的加工范围为φ0.04~1.20mm深径比一般为5~10，由于孔的加工效率高，加工材料的范围广，因而获得广泛的应用。

如在0.1mm厚的BT20板料上加工φ0.2mm的孔，其加工速度高达3000个/秒。

新型航空发动机上万个大小不等的冷却孔也采用数字控制的电子束打孔设备加工，效率很高。

在欧盟国家还出现了在高分子复合材料上用电子束加工微孔的专用设备，将电子枪发射的云状电子束分成数百道小电子束同时对材料进行孔的加工，速度高达5万孔/秒，孔的尺寸为中30~120μm.间，且可随时调整。

利用电子束在磁场中发生偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，控制电子速度和磁场强度，还可加工出各种曲率的定向弯孔。

5.超声加工微小孔
5.1主要特点
（1）适用于加工各种硬脆材料，特别是一些不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、宝石、半导体材料等。

对于导电的超硬材
料如淬火钢、工具钢、硬质合金等也可进行加工，相比之下生产率较低。

（2）一般情况下加工精度较好，通常可达0.02mm表面粗糙度很高，可达Ra0.4~0.1μm且加工表面无烧伤和残余应力，孔的加工尺寸在φ0.1mm以下，最小可达φ0.03mm深径比一般可达10~20。

（3）可加工各种端面截形的异形孔。

（4）工具很细，制造装夹很困难，工具容易磨损，轴向尺寸控制难度较大，因此不易加工出精确的盲孔。

5.2应用
微小孔的超声加工主要用于硬脆性的非金属材料。

如使用外径φ0.32mm内径为φ0.18mm的不锈钢管做工具，在厚12mm 的玻璃板上同时加工出10个φ0.41mm的小孔，管状工具内孔通入磨料悬浮液，磨料颗粒的平均直径为0.013mm。

超声加工还被广泛用于金刚石模具的变截面园孔和异形孔的加工。

为提高超声加工硬质合金、高温合金、及各种工具钢等金属材料的加工速度，并提高加工质量，常采用超声复合加工。

如采用超声电火花加工或超声电解加工方法加工RP设备同轴送粉环形喷嘴窄缝孔、喷丝板或其它金属零件上的微小孔、窄缝及微小异形孔，收到了比较好的效果。

另外，也常常采用超声研磨及超声抛光作为金刚石拔丝模微小孔等的精加工方法。

参考文献
1．安立宝、高霁.特种加工微小孔的难点及其技术对策[J]航空制造技术,1996（5）。

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