航空精密工件電火花加工微型方窗口研究

北京航科發(fā)動機控制系統(tǒng)科有限公司 呂紅梅 張 喆 李 歡

在航空航天領域中，細長桿類零件的應用非常廣泛，經常作為活塞桿、間隙活門等使用，在燃油調節(jié)器中起著十分重要的作用。但是高精度要求和微型窗口結構也給加工帶來了很大困難，對于一般窗口采用銑床或加工中心加工，精密窗口一般采用高精度線切割機床加工。本文主要介紹微型方窗口電火花加工方法。

1 微型窗口加工存在的問題

XXXX軸是某型號燃油調節(jié)器關鍵零組件，同時其組件也是某航空型號產品中的重要件。離心飛重伺服系統(tǒng)、加速三維凸輪及轉速設定三維凸輪均安裝于燃油調節(jié)器上，具體結構如圖1所示。

圖1 燃油調節(jié)器某零組件Fig.1 A certain workpiece of fuel regulator

具體工作原理為：軸組件內部為典型噴嘴-擋板控制結構，定壓油經過節(jié)流器變成伺服油，伺服油通過出油窗口流入低壓腔。離心飛重感受發(fā)動機轉速，向上輸出軸向力，推動分油活門組件向上移動，改變出油窗口開度來改變伺服腔油壓，帶動加速三維凸輪及轉速設定三維凸輪軸向移動，以給出適合發(fā)動機要求的燃油流量。微型窗口在這里起了非常大的作用。

XXXX軸零件在外圓上有3個特別小的徑向窗口，長度為（0.7±0.1）mm，寬度為（1.6±0.12）mm，而且最關鍵的是窗口拐角處要求尖邊Rmax=0.05mm，具體如圖2所示。

圖2 軸零件外形圖Fig.2 Shape of the axis part

窗口在圓周方向上均布，尺寸小，若采用銑床和加工中心銑削的辦法則刀具無法制作，而線切割機床無法實現切孔在圓周上的均布，且不是通孔，傳統(tǒng)的機械加工方法都達不到零件的設計要求。電火花加工的工藝特點是利用極間火花放電時產生的電腐蝕現象，靠高溫熔化和汽化金屬進行蝕除加工。一般使用較軟的紫銅等電極對導電的難加工材料（如硬質合金、耐熱合金、不銹鋼、淬火鋼等用普通方法難以加工或無法加工）進行加工。

由于電火花加工是一種非接觸式加工，加工時不受工具和工件剛度限制，因而有利于實現微細的窗口加工。但加工時由于存在尖邊放電現象，工具電極會產生損耗，且Rmax= 0.05mm，圓角0.05mm處電極磨損最快，會影響加工精度，無法保證最大圓角的要求。而且零件是氮化零件，加工時窗口處總有崩邊現象。尖邊倒圓過大和窗口崩邊都嚴重影響某型號泵的調試參數。試制階段首批零件加工完成后，試驗時參數不達標，全部報廢。如何解決高硬度微型窗口尖邊加工的問題已經迫在眉睫。

2 加工方案的調整與優(yōu)化

對試驗得到的大量數據加以分析，嘗試通過以下3個方面進行調整和改善。

2.1 多電極更換法加工

根據零件加工的特點和需求，采用了多電極更換法。多電極更換法是指根據一個型腔在粗、中、精加工中放電間隙各不相同的特點，采用幾個不同尺寸的工具電極完成一個型腔的粗、中、精加工。在加工時，首先用粗加工電極蝕除大量金屬，然后更換電極進行中、精加工；對于加工精度高的型腔，往往需要較多的電極來精修型腔。

多電極更換加工法的優(yōu)點是仿形精度高，尤其適用于尖角、窄縫多的型腔模加工。它的缺點是需要制造多個電極，并且對電極的重復制造精度要求很高。另外，在加工過程中，電極的依次更換需要有一定的重復定位精度。

粗加工時采用粗加工電極（圖3（a）），電極的材料是紫銅，加工時易產生磨損，尤其是在尖角處，如果始終用一個電極加工，方孔的圓角處會達到0.1～0.3mm，且形狀不規(guī)矩，不能滿足設計圖要求。精加工時采用的電極材料是銅鎢合金，這種合金的電極磨損慢。精加工實際上就是用電極修整一下最終尺寸和尖角（圖3（b）），所以對保證Rmax=0.05mm起了重要作用。

2.2 電極的結構設計和材料選取

為了降低在精加工時電極的磨損，在粗加工時選用普通的紫銅作為電極材料，精加工時選用了材料較硬的銅鎢合金，以減少精加工時電極尖邊處的磨損。確立了加工方法后，根據多電極更換法的加工特點來設計電極的結構和尺寸，如圖4所示。

圖3 電極加工示意圖Fig.3 Diagram of electrode machining

圖4 粗、精加工電極的結構及尺寸Fig.4 Structure and size of rough and finishing machining electrodes

電極采用高精度線切割機床加工，電極的使用位置四周尖角為R= 0.01mm，保證電極的四周是尖邊，從而為加工合格零件提供了有效保證。加工時，操作者需要及時檢查電極圓角處磨損情況，如可以取下夾頭到投影儀處投影尖角情況，如果電極R處磨損，則要及時更換，這樣才能保證加工后尖角處的尺寸。依據實踐經驗，粗加工電極每加工3個孔更換1次，而精加工電極每加工2個孔更換1次。圖4中5.3mm×6mm的方形能夠在安裝電極后起到找正的作用，可最大程度減小由于夾頭、電極重新安裝和零件轉動造成的誤差。

2.3 加工參數的優(yōu)化

工具電極與工件表面之間需保持一定的放電間隙，通常是幾微米至幾十微米。如果間隙過大，極間電壓不能擊穿間介質，則不會產生電火花放電;如果間隙過小，很容易造成短路。在設計電極時，間隙大小對形狀精度也有影響，間隙越大，則復制精度越差，特別是對于復雜形狀的加工表面更是如此，如電極為尖角時，由于放電間隙等距離，工件為圓角。因此，為了減少加工尺寸誤差，就必須提高加工要求，縮小放電間隙，另外還必須盡可能使加工過程穩(wěn)定。

針對此類零件的特點，分為粗加工和精加工，粗加工時選取放電間隙是0.05mm，精加工時選取放電間隙是0.02mm。其他加工參數可參考以下數據：

（1）脈沖寬度（TA）：一般來說，在峰值電流一定的條件下，脈寬越大，表面質量越差，但電極損耗越小，所以粗加工時選擇600ms，精加工時逐漸減小至200ms。

（2）脈沖間隔（TB）：脈間增大時，電極損耗會增大，但有利于排渣。本機設有EDM自動匹配功能，一般情況下脈間由自動匹配而定，若發(fā)現積碳嚴重時可將自動匹配后的脈間再加大一檔，例如自動匹配后的脈間為3ms，選擇 4ms。

（3）高壓電流（BP）：高壓脈動的主要作用形式是先導擊穿，有利于加工穩(wěn)定和提高加工效率。一般加工時，高壓電流選為0～2A，在加工大面積或深孔時可適當加大高壓電流，以利于加工穩(wěn)定和提高加工效率，如加工時選擇高壓電流為1A。

（4）低壓電流（AP）：在脈寬和脈間一定時，低壓電流增大，加工速度提高，電極損耗增大。低壓電流的選擇根據電極放電面積而確定，若電流密度過大，則容易產生電弧燒傷，因此一般選擇低壓電流，使得通過電極加工表面每平方厘米面積的電流不超過6A，選擇4A。

（5）間隙電壓：粗加工時選取較低值，以提高加工效率；精加工時選取較高值，以利于排渣。一般情況下由EDM自動匹配即可。

（6）伺服敏感度：機頭上升、下降時間一般由EDM自動匹配，在積碳嚴重時，可以減少下降時間或加大上升時間。

根據以上條件，編制程序如下：

3 結論

通過多電極更換加工方法，電極的結構設計和材料選取分粗、精加工，加工參數的優(yōu)化。反復試驗，最終零件的窗口加工效果良好，能夠達到設計圖要求，并保證了窗口邊緣沒有崩邊。

在電火花成型加工領域，微型加工和尖邊加工是普遍存在的加工難題。本文針對此類問題，以某一航空部件為例，對電加工的方法、電極設計和加工參數等方面進行闡述，在其他特種加工行業(yè)可進行引用和推廣。