低沖擊分離裝置微孔電火花加工技術(shù)研究

鐘曉紅,陳濟(jì)輪,張 揚,張 昆,張萬剛,沈 巖

(首都航天機(jī)械公司,北京100076)

低沖擊分離裝置進(jìn)氣管座圓周均布2個直徑0.2 mm的高精度“剪切銷孔”,要求加工精度高、加工一致性好、孔口及全貌無毛刺且保持銳邊,否則將無法實現(xiàn)瞬間同時剪斷“剪切銷”,進(jìn)而不能實現(xiàn)級間段分離,最終導(dǎo)致飛行試驗失敗?！凹羟袖N孔”的貫入面是M45X1.5螺紋面,并經(jīng)過熱處理,由于產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)和狀態(tài),采用常規(guī)的機(jī)械加工方法根本無法完成,擬采用微細(xì)電火花加工技術(shù)攻克低沖擊分離裝置高精度剪切銷孔的加工難題。

1 設(shè)備改造

原有微細(xì)電火花加工機(jī)床的配備不能滿足剪切孔的加工要求,為此對機(jī)床進(jìn)行了技術(shù)改造及優(yōu)化。完成了高精度高速旋轉(zhuǎn)軸(圖1)、微孔陶瓷芯的選型與匹配,實現(xiàn)其在現(xiàn)有機(jī)床的安裝,解決了微細(xì)電極的主軸伺服系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)等問題;配置多級精密介質(zhì)過濾系統(tǒng),解決了微細(xì)加工的過濾問題(圖2)。

2 微細(xì)電極在線制作試驗

2.1 BEDG電極磨削法

圖1 高速旋轉(zhuǎn)軸配置前后對比圖

在微細(xì)電火花加工中,微細(xì)工具電極的制備是一項非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前主要通過BEDG塊電極電火花軸向、徑向(常稱為“電火花反拷加工”)、EEDG刃口電極電火花磨削法[1]制作微細(xì)工具電極。

圖2 導(dǎo)向、過濾改造

試驗微孔加工主要采取BEDG方法,按進(jìn)給方式的不同,BEDG塊電極電火花磨削法分為軸向進(jìn)給磨削法[1]和徑向進(jìn)給磨削法[2]。徑向進(jìn)給磨削法是以垂直放置的塊電極(反拷塊)的右側(cè)表面作為主要工作面,反拷塊材料選擇純鎢或鎢基合金等,高速旋轉(zhuǎn)的工具電極沿垂直塊電極主要工作面的方向進(jìn)給,進(jìn)行放電磨削(圖3a)。軸向進(jìn)給磨削法是根據(jù)放電磨削所需的去除量設(shè)定工具電極軸線與塊電極右表面之間的距離,工具電極一邊旋轉(zhuǎn)、一邊沿軸線方向垂直向下進(jìn)給,進(jìn)行放電磨削(圖3b)。

圖3 BEDG塊電極電火花徑向/軸向進(jìn)給磨削法原理圖

2.2 BEDG電極磨削試驗結(jié)果

徑向進(jìn)給磨削法的優(yōu)點是加工速度快,但由于塊電極與工件之間為面放電,放電面積太大,導(dǎo)致微細(xì)工具電極表面粗糙度較差。由圖4a可看出,微細(xì)軸部分表面凹凸不平,尺寸一致性很差,這主要是由于塊電極表面不平和塊電極材質(zhì)不均勻引起的。

軸向進(jìn)給法磨削過程中,存在由于微細(xì)工具電極旋轉(zhuǎn)運動的周期性和放電加工區(qū)的局部性引起的磨削不均勻問題。圖4b是采用該方法磨削的直徑70 μ m的微細(xì)工具電極?？煽闯?加工的微細(xì)工具電極有一定的錐度,用這樣的微細(xì)工具電極加工微小孔或微三維結(jié)構(gòu),會帶來一定的形狀誤差。

為了發(fā)揮兩種進(jìn)給方法的優(yōu)點,微細(xì)工具電極制備試驗中綜合應(yīng)用了兩種進(jìn)給方法:開始階段采用徑向進(jìn)給法提高制備效率,在結(jié)束階段采用軸向進(jìn)給法對微細(xì)軸進(jìn)行表面修整。這樣,既能消除微細(xì)工具電極表面凹凸不平的現(xiàn)象,又不會出現(xiàn)較大的錐度。

圖4 BEDG塊電極電火花徑向/軸向進(jìn)給磨削工具電極(180×)

圖5是結(jié)合兩種進(jìn)給方法的優(yōu)點在線磨削制作的微細(xì)工具電極,經(jīng)CCD視覺顯微系統(tǒng)放大檢測及階梯電極反拷的實況照片。圖5a是純鎢階梯電極180倍放大檢測圖,其最下端階梯電極直徑為0.071 5 mm,長徑比為65。圖5b是純鎢材料微細(xì)工具電極下端180倍放大檢測圖,電極直徑為0.053 7 mm,長徑比為48。制備過程采用了BEDG法在線精密磨削微細(xì)工具電極粗-半精-精反拷工藝和塊電極電火花反拷損耗精密補償工藝,提高了制備微細(xì)工具電極的加工效率,確保了微細(xì)工具電極的加工一致性、長徑比等關(guān)鍵特性。

圖5 微細(xì)工具電極CCD顯微系統(tǒng)放大檢測及階梯電極反拷實況照片

3 微小孔微細(xì)電火花加工試驗

試驗選用純鎢電極(鎢含量≥99.96%);工件材料為1Cr18Ni9Ti,厚度1 mm;工作液為電火花專用煤油;試驗采用正極性加工;電極轉(zhuǎn)速2 000 r/min;限流電阻 1 000 Ω。

3.1 開路電壓對加工效率和電極相對損耗率的影響試驗

當(dāng)CC放電電容分別取470、2 200、10 000、47 000 pF時,改變電源的開路電壓對不銹鋼材料進(jìn)行微小孔加工試驗。從圖6可看出,當(dāng)微小孔的直徑和工件厚度一定時,材料加工速度與開路電壓成正比;隨著開路電壓的升高,材料的去除率顯著提高。從圖7可看出,電極相對損耗率隨著開路電壓的升高而逐漸增大。

圖6 開路電壓對加工速度的影響

3.2 放電電容對加工效率和電極相對損耗率的影響試驗

對于RC馳張式脈沖電源來說,其放電能量可近似地用其所存儲的能量來代替[2],即:

式中:WC為單個脈沖放電能量;C為標(biāo)稱電容的容值;C′為離散電容的容值;U為RC電源的工作電壓?？芍?在利用RC脈沖電源進(jìn)行微細(xì)電火花加工時,單個脈沖放電能量的大小與開路電壓和放電電容直接相關(guān)。

圖7 開路電壓對電極相對損耗率的影響

本試驗對不同放電電容下微細(xì)電火花加工的工藝規(guī)律進(jìn)行了研究。圖8和圖9分別是根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)繪制的放電電容對加工速度、電極相對損耗率的影響數(shù)據(jù)曲線。從圖8可看出,在不同的開路電壓下,加工效率均隨著放電電容的增大而增大。從圖9可看出,在不同的開路電壓下,電極相對損耗率均隨著放電電容的增大而增大。

圖8 放電電容對加工速度的影響

圖9 放電電容對電極相對損耗率的影響

3.3 電極轉(zhuǎn)速對加工效率和電極相對損耗率的影響試驗

電極旋轉(zhuǎn)可改善加工性能,獲得穩(wěn)定的放電狀態(tài)。本試驗采用直流電機(jī)驅(qū)動的NR-303P旋轉(zhuǎn)主軸,轉(zhuǎn)速為0～4 000 r/min連續(xù)可調(diào)。

圖10是根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)繪制的電極旋轉(zhuǎn)速度對加工速度的影響數(shù)據(jù)曲線?？煽闯?在不同的開路電壓下,加工效率均隨著電極旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大;電極相對損耗率受電極旋轉(zhuǎn)速度的影響效果較小。

圖10 電極旋轉(zhuǎn)速度對加工速度的影響

3.4 電極材料對加工效率和電極相對損耗率的影響試驗

在微細(xì)電火花加工中,電極材料的選擇也非常重要,直接影響加工效率、電極相對損耗率、加工穩(wěn)定性、加工精度和加工表面粗糙度。分別選取直徑70 μ m的純鎢、紅銅、黃銅材料的電極進(jìn)行試驗,結(jié)果表明:純鎢材料的電極加工效率最高且電極相對損耗率最低,而黃銅材料的電極加工效率最低且電極相對損耗率最高。這是因為鎢具有熔點高、硬度大、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性,尤其是其熔點高達(dá)3 380℃,可大大降低電極損耗。因此,進(jìn)行微細(xì)電火花加工時應(yīng)優(yōu)先選擇熔點高、硬度大、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料作為電極材料。

4 樣件加工

4.1 樣件結(jié)構(gòu)及加工要求

圖11 進(jìn)氣管座結(jié)構(gòu)簡圖

進(jìn)氣管座樣件如圖11所示,進(jìn)氣管座的2個直徑0.2 mm的“剪切銷孔”的貫入面是M45X1.5螺紋面,并經(jīng)過熱處理(33～38 HRC)。微小孔位置精度高,要求全貌無毛刺且保持銳邊,采用常規(guī)機(jī)械加工方法根本無法加工。

4.2 微細(xì)電極制作

采用BEDG在線磨削法制作進(jìn)氣管座微細(xì)階梯加工工具電極,電極材料為純鎢,粗加工直徑為0.08±0.01 mm,精加工直徑為0.16±0.01 mm(圖12)。

圖12 樣件加工階梯電極

4.3 樣件微孔加工

利用之前微孔加工試驗的結(jié)果,采用不同參數(shù)對直徑0.2 mm的微小孔系列進(jìn)行加工試驗,各微小孔的加工工藝指標(biāo)見表1,加工情況見圖13。

表1 不同工藝參數(shù)加工直徑0.2 mm微孔的加工工藝指標(biāo)

從試驗結(jié)果看,采用強加工參數(shù)加工微孔的效率較高,但有時孔邊會有一些加工缺陷。弱加工參數(shù)加工微孔的效果較理想,但加工效率低。

綜合試驗結(jié)果,同時為了滿足剪切孔銳邊無毛刺的要求,采取了粗、精加工組合的方案。粗加工利用較強加工參數(shù)(C460)形成開放的通道,然后采用弱參數(shù)(C440)進(jìn)行精加工,同時達(dá)到去除粗加工強放電可能形成的加工缺陷,滿足進(jìn)氣管座剪切孔的加工要求。

圖13 微小孔試驗加工情況放大圖(180×)

5 微細(xì)孔的在線檢測技術(shù)

采用微細(xì)電火花加工機(jī)床自身配備的CCD顯微系統(tǒng),對進(jìn)氣管座直徑0.2 mm的剪切孔進(jìn)行在線檢測,有效避免因離線、二次安裝引起的測量和安裝誤差。圖14是選用粗、精方案加工的直徑0.2 mm的微小孔放大180倍的檢測圖像截圖,圖中顯示加工微孔的尺寸滿足設(shè)計要求,且微孔保持銳邊且無毛刺。

圖14 CCD顯微系統(tǒng)檢驗微孔尺寸及界面

6 微小孔多余物清理

為了徹底清除零件加工后的煤油附著物,設(shè)計制作了微小孔高壓清洗裝置,成功地解決了微小孔加工完成后清除內(nèi)壁表面存在懸浮物的難題。與宏觀尺寸加工不同,直徑0.1～0.3 mm的微小孔孔徑微小且深徑比大,微細(xì)電火花加工完畢后,由于微觀效應(yīng)使微小孔內(nèi)壁表面懸浮的加工產(chǎn)物難以清除。需采取措施把工件表面清理干凈,尤其是電火花加工微小孔內(nèi)部的加工產(chǎn)物、煤油等雜質(zhì)。圖15是微小孔清理前后的效果對比,圖16是微小孔高壓清洗流程原理及固定工裝。

圖15 微小孔清理前后效果對比

圖16 微小孔高壓清洗流程原理及其實現(xiàn)工裝

7 結(jié)束語

采用微細(xì)電火花加工技術(shù)加工的低沖擊分離裝置剪切銷孔,微小孔全貌保持銳邊無毛刺,尺寸及位置精度都滿足圖紙技術(shù)要求。該方法已成功應(yīng)用于型號產(chǎn)品低沖擊分離裝置高精度剪切銷孔的批量生產(chǎn)中,產(chǎn)品一次合格率為100%。

[1]王振龍.微細(xì)加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2]趙萬生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.