浮動(dòng)壁火焰筒群孔電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化

許 帥，于 冰

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110063）

浮動(dòng)壁火焰筒群孔電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化

許 帥，于 冰

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110063）

針對(duì)浮壁式火焰筒沖擊孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝特性進(jìn)行了研究和分析，通過正交試驗(yàn)法證明了難加工材料、多空間自由度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等小孔特征加工的工藝可行性，同時(shí)也為高速電火花加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

浮動(dòng)壁式火焰筒；沖擊孔；電火花高速打孔

火焰筒是燃燒室的承溫部件，筒體壁上開有各種功能孔，實(shí)現(xiàn)在其間氣液兩相流穩(wěn)定高效的燃燒，并與冷氣摻混，以滿足出口溫度分布需要；同時(shí)，壁面采取有效的冷卻防護(hù)措施，防止燒壞。為了保證各種功能孔的使用效果，尤其是分布在筒體壁上的沖擊孔的冷卻效用，對(duì)沖擊孔、對(duì)流孔等制造技術(shù)提出了更高的要求。

國內(nèi)外普遍認(rèn)為機(jī)械加工小孔的難度較高，是精密加工領(lǐng)域的難題。由于電火花、電解、激光、電子束、超聲波及其他復(fù)合特種加工技術(shù)具有無切削力或切削力小、不受工件材料硬度及強(qiáng)度等機(jī)械性能影響等特點(diǎn)，故可解決難加工材料的小孔加工難題，滿足高精尖端制品的加工需求[1]?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多地要求在難加工材料上加工小孔，如燃燒室火焰筒上的沖擊孔、渦輪葉片氣膜孔、發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴上的噴油孔、渦輪靜子葉片上的各類型孔及型槽等，這些小孔都是分布在錐面及空間面上，難以進(jìn)行機(jī)械加工[2]。

目前，針對(duì)燃燒室火焰筒筒體壁上呈空間角度分布的沖擊孔，大多采用激光方式進(jìn)行加工。激光加工能力較強(qiáng)、成本低、生產(chǎn)效率高，但由于激光的燒熔作用，孔內(nèi)的表面粗糙度不均勻，易形成較厚的重熔層，實(shí)測孔徑往往小于孔的實(shí)際通流直徑；且激光加工后，小孔下方端口有熔瘤堆積，上方端口邊緣毛刺眾多，后期需進(jìn)行人工打磨處理，大大增加了工作量，降低了生產(chǎn)效率。

為了更有效地解決激光加工后遺留的質(zhì)量隱患，加工出更高質(zhì)量的沖擊孔，提出了電火花加工方法。本文針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)浮動(dòng)壁式火焰筒沖擊孔的電火花加工技術(shù)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，采用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，通過正交試驗(yàn)法研究了加工參數(shù)與小孔成形精度、表面粗糙度及加工效率的關(guān)系，尋找最佳加工參數(shù)，并驗(yàn)證了實(shí)施該技術(shù)的可行性，從而保證氣膜冷卻的應(yīng)用效果。

1 工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在高壓（150 V）和沖液壓力（6.8 MPa）保持恒定的狀態(tài)下，設(shè)計(jì)了以高速電火花小孔加工電流（平均電流）、脈沖寬度、脈沖間隔、伺服進(jìn)給等工藝參數(shù)為四因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，構(gòu)成L9 （34）的正交試驗(yàn)表。其中，高速電火花小孔加工時(shí)間、電極損耗、孔徑間隙作為輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此可

忽略不計(jì)。但為了得到符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)論，輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)通常會(huì)選取能夠達(dá)到要求范圍內(nèi)的參數(shù)，如孔徑間隙可等同于放電間隙。我們通常會(huì)選取能夠達(dá)到孔徑間隙公差范圍內(nèi)的參數(shù)組合，這就要求技術(shù)人員不僅要有足夠的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，還需進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)，并在最終加工完成的試片中選擇符合要求的試片進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

試驗(yàn)在多軸數(shù)控高速電火花小孔機(jī)床上進(jìn)行。加工試片材料為GH3536，其尺寸為40 mm×20 mm×1.2 mm。工作液為去離子水。試驗(yàn)時(shí)，7種沖擊孔孔徑的4個(gè)加工工藝參數(shù) （因素）都分別設(shè)置3個(gè)不同的參數(shù)條件，且均滿足加工孔徑尺寸的要求，這些參數(shù)條件分別作為正交試驗(yàn)中4個(gè)因素的3個(gè)水平，進(jìn)而完成正交試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)（表1）。

表1 火焰筒沖擊孔加工正交試驗(yàn)條件

從試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法考慮，且僅考查4個(gè)因素對(duì)重熔層厚度的影響效果，而不考查因素間的交互作用，因此，選取L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和結(jié)果見表2～表8。

表2 1.1 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表3 1.2 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表4 1.3 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表5 1.4 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表6 1.5 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表7 1.6 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表8 1.8 mm孔正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 工藝試驗(yàn)分析

2.1 重熔層厚度T值的確定

電火花放電加工過程中會(huì)存在各種隨機(jī)干擾因素，重熔層厚度的檢測結(jié)果也存在著不確定性，故在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上需將隨機(jī)干擾因素考慮進(jìn)去，這就要求在任一組參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下，重熔層厚度的檢測需重復(fù)進(jìn)行幾次，甚至幾十次。本試驗(yàn)將每種孔徑的沖擊孔參數(shù)試驗(yàn)列為一組，且每組試驗(yàn)的重熔層厚度是由20個(gè)沖擊孔的檢測結(jié)果的平均值所得。

2.2 T總、Ki和R值的計(jì)算

（1）T總為各組試驗(yàn)的重熔層厚度T值之和。

（2）Ki為每個(gè)工藝參數(shù)（因素）中第i個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的重熔層厚度T值之和。同一因素的Ki之和應(yīng)等于T總，故可以此來驗(yàn)算Ki的計(jì)算是否有誤。

每個(gè)因素的K1、K2、K3反映了該因素相應(yīng)水平的加工效果。本試驗(yàn)的重熔層厚度T值應(yīng)越小越好，故各因素的K1、K2、K3中數(shù)值最小的相應(yīng)水平即為最優(yōu)水平。由各因素最優(yōu)水平組成的試驗(yàn)條件稱為最優(yōu)水平組合（表9）。通常，最優(yōu)水平的組合不在已做過的正交試驗(yàn)中，但也存在個(gè)別情況的時(shí)候，如本試驗(yàn)的1.4 mm孔徑的正交試驗(yàn)方案，其最優(yōu)水平組合就在已做的9個(gè)試驗(yàn)條件之中，即條件2（表6）。

表9 7種孔徑正交試驗(yàn)方案的最優(yōu)水平情況表

（3）極差R為各因素中Ki的最大值與最小值之差。其大小反映了該因素變化時(shí)的試驗(yàn)指標(biāo)變化范圍，極差越大，說明該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大，重要程度越高。7種孔徑正交試驗(yàn)方案的因素主次關(guān)系見表10。

表10 7種孔徑正交試驗(yàn)方案的因素主次順序

3 工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將正交試驗(yàn)優(yōu)選出的7組最優(yōu)水平組合工藝參數(shù)應(yīng)用于浮壁式火焰筒沖擊孔的電火花加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中。同時(shí)，針對(duì)7種孔徑的沖擊孔加工，在以往加工實(shí)驗(yàn)中再各自選取一組加工效果較好的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并與最優(yōu)水平組合進(jìn)行比較。最優(yōu)水平組合工藝參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 7種孔徑加工工藝參數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)比

利用上述14組參數(shù)分別在14個(gè)試片上進(jìn)行對(duì)應(yīng)孔徑的沖擊孔加工，每個(gè)試片均加工20個(gè)孔。加工完成后，檢測每個(gè)沖擊孔的重熔層厚度，進(jìn)而得到每組沖擊孔的重熔層平均厚度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。從表11可看出，每種孔徑?jīng)_擊孔的兩組參數(shù)組合中，由正交試驗(yàn)優(yōu)選出的最優(yōu)水平組合工藝參數(shù)加工出的孔的重熔層厚度指標(biāo)較好，是該沖擊孔的理想?yún)?shù)組合，該結(jié)論驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的理論結(jié)果。

此外，由1.8 mm孔徑的沖擊孔重熔層平均厚度可看出，該沖擊孔的兩組加工指標(biāo)差異很小，僅相差0.01 μm，這可由標(biāo)準(zhǔn)偏差σ來判斷分析。樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ反映了該批試驗(yàn)的指標(biāo)分散程度，由變值系統(tǒng)性誤差和隨機(jī)性誤差決定。誤差越大，σ越大；反之，σ越小。其表達(dá)式為：

式中：n為加工孔的數(shù)量；xi為加工第i個(gè)孔的重熔層厚度；xˉ為加工孔的重熔層平均厚度。

根據(jù)加工結(jié)果可算出：σ13=1.536 μm，σ14=3.273 μm。σ13＜σ14，說明試驗(yàn)號(hào)13的參數(shù)組合優(yōu)于試驗(yàn)號(hào)14的參數(shù)組合，同表11的結(jié)論相符，再次驗(yàn)證了正交試驗(yàn)理論結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)7種不同孔徑的沖擊孔加工參數(shù)，分別設(shè)計(jì)了7組正交試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）每組沖擊孔加工產(chǎn)生重熔層的影響因素主次順序不同，說明電火花加工機(jī)理不具備一致性，且影響其一致性的因素較多。除本試驗(yàn)涉及的電參數(shù)外，還有很多非電參數(shù)，如沖液壓力、電網(wǎng)電壓、環(huán)境溫度等，都是影響電火花加工一致性的因素。

（2）本試驗(yàn)基于L9（34）正交試驗(yàn)表考查了4個(gè)因素對(duì)重熔層厚度的影響效果，不考查因素間的交互作用。因此，本試驗(yàn)僅能證明單一因素對(duì)考查指標(biāo)的影響效果，而不能作為概況性的試驗(yàn)結(jié)論。

（3）基于電火花加工的特性，單一因素對(duì)重熔層厚度的影響為非線性。因此，組合因素對(duì)重熔層厚度的影響意義更重大。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證了正交試驗(yàn)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒沖擊孔電火花小孔加工工藝參數(shù)的優(yōu)化具有可行性，符合工藝要求。

（5）通過正交試驗(yàn)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，確定了優(yōu)化后的電火花小孔加工工藝參數(shù)，有效控制了電火花小孔加工產(chǎn)生的重熔層厚度，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒沖擊孔的加工質(zhì)量，并在工程上獲得應(yīng)用。

[1] 楊秀娟，劉寶琪，任萍，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)浮壁式燃燒室制造技術(shù)[J].中國科技博覽，2010（35）：403-404.

[2] 楊彥濤，李自鵬，黃志偉.特種加工技術(shù)在微小孔加工中的應(yīng)用 [J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，22 （1）：49-51.

Process Parameters Optimization of EDM for the Shock Holes on Floating Wall Flame Tube

Xu Shuai，Yu Bing
（Shenyang Liming Aero-engine(Group)Corporation Ltd，Shenyang 110063，China）

The structure and processing are researched and analyzed for the shock holes on floating wall flame tube.The feasibility of processing technology is proved on hole's features of difficult machining material，more space of freedom，complex structure using orthogonal test.And it provides the techinical support for wide application of high speed EDM technology.

floating wall flame tube；shock hole；high speed electrical-discharge machining

TG661

A

1009－279X（2014）03－0062-04

2014-04-10

許帥，男，1977年生，工程師。