通过微电火花加工技术在1Cr18Ni9Ti材料上制备出高质量、高长宽比（>20）且直径小于100μm的微孔的突破性进展

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Breakthrough to fabricate high-quality and large aspect ratio (>20) microhole with sub-100μm diameter on 1Cr18Ni9Ti by micro electrical discharge machining

微电火花磨削中采用三段式电极创新设计，通过电极结构优化与电参数协同调控，成功加工出直径约80μm、比例试超过20的高精度深微孔，有效解决材料低热导率和高绝缘性导致的碎屑堆积难题，显著提升表面完整性和尺寸一致性。

　　

戴鹏飞|陈明哲|李正凯|唐佳静

山东工业大学机械工程学院，淄博，255000，中国

摘要

在合金材料上钻出直径小于100μm且高长径比（>10）的孔是一项具有挑战性的任务，尤其是在需要保证优异的形状或尺寸精度时。尽管如此，微电火花加工（micro-EDM）技术仍然是应对这一挑战的最有前景的方法。在这项工作中，通过机载电火花磨削技术创新设计并制造了一种可行的三段式（TST）电极，该电极包括牺牲段、碎屑容纳段和形状保证段。通过对间隙流场的综合模拟、放电波形的获取以及元件特性分析，揭示了TST电极在改善碎屑分布和保持放电稳定性方面的作用机制，从而实现了深微孔的钻削。TST电极的有效性还通过显著提高微孔内壁的表面完整性和残余应力得到了验证。在此基础上，系统研究了涉及电极深度依赖性提升方式、基于电压-频率转换的伺服进给策略以及TST电极几何优化的优质微孔钻削工艺。最后，在难以切割的合金材料1Cr18Ni9Ti上进行了钻削实验，成功钻出了直径约为80μm、长径比超过20的微孔，且微孔的直径一致性偏差小于5μm，显示出高精度。本研究的目的是充分利用微电火花加工的技术潜力，以解决高质量微孔制造的极端瓶颈问题。

引言

在气体膜冷却[1]、柴油发动机喷嘴[2]、喷墨打印机[3]等工业领域，对直径从几十微米到几百微米、长径比较大的通孔的需求日益迫切。同时，为了满足耐腐蚀性、轻量化和热稳定性的要求，广泛采用了高性能超级合金，包括镍基超级合金[4]、Inconel 718[5]和钛合金[6]。然而，由于这些材料的难以切割特性，制造具有上述尺寸特性的微孔存在极大困难。目前的微孔制造方法包括机械加工、微电化学加工（micro-ECM）、微电火花加工（micro-EDM）和激光加工。

微钻削和微冲压是机械加工领域中两种典型的微孔制造技术。这两种方法的最大优点是相对较高的孔形精度和加工效率。然而，允许的直径和长径比水平通常受到微工具材料和形状的影响[7]，且难以避免毛刺现象[8]。此外，在微钻削或微冲压过程中，由于切削力的存在以及微工具的低刚性，很难同时钻出直径较小且长径比较大的微孔[9],[10]。因此，超小直径的孔只能在薄箔上实现[11],[12]。

与机械加工方法不同，以激光加工、微电化学加工（micro-ECM）和微电火花加工（micro-EDM）为代表的一些非传统加工方法有效解决了微工具刚性低的问题，因为它们依靠热能或化学溶解来去除材料，而不需要较大的切削力。激光加工凭借其超高能量密度成为高效制造微孔的潜在技术。目前，在100μm~200μm的直径范围内，可实现的长径比约为23[13],[14]。然而，其最大的缺点是形状精度较低，孔的入口和出口之间存在明显的尺寸差异，入口附近会出现喇叭形[15]。此外，当使用飞秒（fs）激光时，钻削效率会大大降低。尽管提出了一些策略，如水辅助激光钻削[16],[17]、背面水辅助激光钻削[18]、水射流引导激光钻削[19]、径向偏振激光钻削[20]、双路径圆形扫描[21]和压力条件调节[22]来改善这些问题，但在激光钻削微孔时，尺寸和形状精度的可控性仍然不令人满意。

微电化学加工（micro-ECM）作为一种通过阳极溶解去除材料的方法，在微孔钻削中具有独特优势，例如去除重铸层[23]、提高表面完整性[24]和减少微孔的圆度误差[25]。此外，一些研究利用该技术制造了直径几微米的微孔[26]，甚至能够制造出具有复杂内部结构的微孔[27]。然而，微电化学加工难以制造长径比较大的微孔。在超声振动的辅助下，实现了相对理想的长径比12.3，孔的尺寸较大，入口直径为440μm，出口直径为320μm[28]。对于大多数情况，尤其是当微孔直径小于100μm时，可实现的长径比主要在5以下[29],[30]，并且会出现明显的喇叭口现象[31]。尽管采用了各种改进措施，如非导电掩膜[32]、缩回式尖端工具[33]和静电诱导进给[34]，但微电化学加工中的杂散电流腐蚀现象仍会对微孔精度产生负面影响。

微电火花加工（micro-EDM）通过连续脉冲放电去除微孔材料，可以加工所有导电材料，无论其硬度或强度如何。此外，随着磨削技术的发展，包括块状电火花磨削（BEDG）[35]、主动送丝电火花磨削（AS-WEDG）[36]、切向送丝电火花磨削（TF-WEDG）[37]和双镜像送丝切向送丝电火花磨削（TMTF-WEDG）[38],[39]，精密磨削大长径比电极变得更加可行。因此，微电火花加工已成为微孔钻削最有前景的技术之一。在微电火花加工中，如何有效去除放电间隙中的碎屑是最受关注的问题，因为它决定了微孔的可实现长径比和质量。超声振动辅助已被证明是一种有效的策略，可以改善碎屑去除效果并提高微孔的长径比。采用了不同的振动模式，如超声圆振动（UCV）[40]、纵向-扭转超声振动（LTV）[41]和结合行星运动的超声振动[42]。在这种情况下，通常需要在机床上配置额外的超声振动装置，并合理优化振动参数，从而增加了加工过程的复杂性。因此，还提出了一些其他方法，如雾化去离子水射流[43]和原位混合工艺[44]。实际上，在钻到一定深度后，几乎不可能将碎屑从微孔中完全清除。因此，微电火花加工的研究重点应转向如何调节放电间隙中碎屑的运动和分布，及时减少即将发生放电位置的碎屑浓度。

总之，每种方法在效率、精度和深微孔加工能力方面都存在不同程度的技术限制。图1详细展示了现有技术所能实现的微孔加工水平。随着微孔直径的减小和长径比的增加，钻削难度显著增加，可以清楚地看到，钻出直径小于100μm且高长径比（>10）的孔仍然是一个研究空白，相关研究也非常少。在这项研究中，为了解决上述挑战，提出并详细研究了包括新型三段式（TST）电极、电极深度依赖性提升方式和基于电压-频率转换的伺服进给策略在内的系统微电火花加工工艺。通过实验验证了直径小于100μm、长径比大于20的微孔钻削的可行性。本研究旨在阐明碎屑运动及其对放电稳定性的影响机制，这极大地决定了微孔的加工质量和可实现深度。研究结果有望为利用微电火花加工制造高质量深微孔提供新的见解。

部分摘录

材料

本研究选择了难以切割的钢材料1Cr18Ni9Ti作为工件材料，其化学成分列于表1中。由于含有Ti元素，1Cr18Ni9Ti的热导率较低，这给钻削直径小于一百微米且长径比较大的微孔带来了很大挑战。使用直径为500μm的钨棒作为电极，并根据实验要求将其磨削到相应尺寸

开路电压对深微孔钻削性能的影响

对于微电火花加工方法来说，1Cr18Ni9Ti材料难以加工的原因不仅在于其低热导率，还在于加工过程中产生的氧化钛，因为氧化钛通常具有较高的绝缘强度。在微电火花加工中，开路电压是决定间隙击穿强度的关键因素，因此本研究首先分析了开路电压对微孔钻削性能的影响。

结论

为了满足极端制造领域对微孔的需求，本研究系统地研究了在1Cr18Ni9Ti材料上钻削直径小于100μm、长径比大于20的微孔的微电火花加工工艺。采用新型的三段式（TST）电极加工策略，深入探讨了保证放电稳定性和孔加工性能的工艺路线。主要结论如下：

• (1)
  基于机载电极磨削技术和多模式脉冲

CRediT作者贡献声明

陈明哲：研究、数据管理。李正凯：方法论、资金获取、概念构思。唐佳静：撰写-审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。戴鹏飞：撰写-初稿、研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52105464和52005308）、山东省自然科学基金（项目编号ZR2024ME254）、中国博士后科学基金（项目编号2024M760852）、山东省博士后创新项目（项目编号SDCX-ZG-202400239）以及山东省高等学校青年科技创新计划（项目编号2023KJ332）的支持。