航空精密偶件電加工重熔層控制方法研究

劉卿華 陶敏 楊武奎/襄陽航泰動力機器廠

0 引言

金屬零件在進行電切削加工時，加工表面會產(chǎn)生殘留物，這些殘留物即為零件加工表面的重熔層。重熔層的產(chǎn)生導致金屬表層質(zhì)地變得不穩(wěn)定、組織脆性大、可能存在微裂紋，如圖1[1]所示。工作中長期承受載荷的金屬零件，在重熔層的影響下易發(fā)生斷裂而造成事故。同時，重熔層還會影響金屬零件銳邊在使用過程的穩(wěn)定性，可能導致銳邊掉塊。

航空精密偶件是控制飛機油泵做功的關(guān)鍵零件，形狀復雜，裝配精度及性能要求非常高，其裝配間隙通常僅有幾微米，必須同時滿足滑動性和密封性要求，工作中若發(fā)生卡滯，將造成嚴重的飛行事故，而精密偶件銳邊的脫落掉塊是引發(fā)卡滯的關(guān)鍵因素之一。因此，此類零件電加工表面產(chǎn)生的重熔層需要被徹底去除。目前，國內(nèi)去除重熔層較穩(wěn)妥的方法主要有機械加工磨削、熱處理淬火和化學腐蝕（使用重熔層去除液）[2]，但這三種方法對于型腔復雜且電加工后基本無加工余量的航空精密偶件是不適用的。為此，本文進行了不同加工參數(shù)下的電加工試驗，通過電子顯微鏡測量重熔層厚度值，總結(jié)各種工藝參數(shù)下加工后的重熔層厚度值的變化趨勢，以提出航空精密偶件重熔層的控制方法。

1 重熔層的形成

電加工時，極間介質(zhì)的電離擊穿形成放電通道，脈沖電源使通道間的電子高速奔向正極，正離子奔向負極。電能變成動能，動能通過碰撞又轉(zhuǎn)化為熱能。于是，在通道內(nèi)，正極和負極表面分別成為瞬時熱源，分別達到很高的溫度。正負極表面的高溫除使工作液汽化、熱分解汽化，也使金屬材料熔化直至沸騰汽化。這些汽化后的工作液和金屬蒸汽瞬間體積猛增，迅速熱膨脹，拋出金屬，達到去除零件余量的目的。同時，工作液和金屬材料的熔化、汽化、熱膨脹產(chǎn)生了很高的瞬時壓力。通道中心的壓力最高，壓力高處的熔融金屬液體和蒸汽就被排擠、拋出。熔化和汽化了的金屬在拋離電極（加工中基體材料接負極，工具電極接正極）表面時向四處飛濺，除大部分拋入工作液中收縮成小顆粒外，有一小部分飛濺、鍍覆、吸附在電極表面（基體金屬表面）上，形成所謂的重熔層。熔融材料拋出后，在電極表面形成單個脈沖的放電痕，熔化區(qū)未被拋出的材料冷凝后殘留在電極（基體金屬）表面，形成熔化凝固層（重熔層的一部分），熔化凝固層下面是熱影響層，再往下才是無變化的材料基體。金屬在進行電加工后表面及深層依次為電腐蝕層（重熔層）、過渡區(qū)域、基體金屬。

2 電切削參數(shù)對重熔層厚度影響

選擇航空精密偶件的試件材料為GCr15，硬度HRC58 ～64，要求加工厚度為20mm 的型腔，選用線切割進行加工，最終表面粗糙度達Ra1.6μm。分別選擇快走絲機床ST121 系統(tǒng)參數(shù)庫的粗加工參數(shù)C120、中加工參數(shù)C105、精加工參數(shù)C004（脈寬、脈間、電流、電壓和切割效率有顯著的區(qū)別）進行電加工試驗，并使用電子顯微鏡對試驗件電加工表面的重熔層進行測量。

調(diào)整電加工機床加工參數(shù)為粗加工參數(shù)C120（脈寬ON 25、脈間OFF 21、電流峰值IP 7.0 間隙電壓基準SV 03、切割效率60mm/min），進行試件1 的加工試驗。如圖2 所示，電子顯微鏡測量加工后的重熔層厚度為0.069 ～0.093mm，重熔層呈復熔球顆粒及塊狀特征，堆積分布在切割面邊緣，重熔層與基體界限明顯，表面粗糙度達Ra6.3μm。

調(diào)整電加工機床加工參數(shù)為中加工參數(shù)C105（脈寬ON 15、脈間OFF 11、電流峰值IP 7.0 間隙電壓基準SV 03、切割效率39mm/min），進行試件2 的加工試驗。如圖3 所示，電子顯微鏡測量加工后的重熔層厚度為0.018 ～0.027mm。重熔層呈膠泥狀覆在切割面邊緣，重熔層與基體界限不太明顯，表面粗糙度達Ra3.2μm。

調(diào)整電加工機床加工參數(shù)為精加工參數(shù)C004（脈寬ON 06、脈間OFF 07、電流峰值IP 3.0 間隙電壓基準SV 02、切割效率20mm/min），進行試件3 的加工試驗。如圖4 所示，電子顯微鏡測量加工后的重熔層厚度為0.006mm左右，重熔層呈細微收縮狀，與基體界限模糊，表面粗糙度達Ra2.5μm。

將上述試驗的測量數(shù)據(jù)進行整理，如表1 所示，從中總結(jié)出電加工重熔層產(chǎn)生的規(guī)律：隨著電加工參數(shù)和切割效率的增大，重溶層越來越厚；在保持加工設備、加工介質(zhì)、電極狀態(tài)符合規(guī)定要求的前提下，根據(jù)被加工零件的精度及工藝要求，選擇相應的脈沖電源加工參數(shù)，可以合理控制重熔層厚 度。

從圖5 可以看出，重熔層厚度和表面粗糙度隨著切割效率的下降而下降，其中重熔層厚度值下降幅度大于表面粗糙度的下降幅度。

3 航空精密偶件的重熔層去除方法

上述試驗數(shù)據(jù)表明，選擇精加工參數(shù)C004 對航空精密偶件進行電加工，重熔層厚度可控制在0.006mm 左右，表面粗糙度達Ra2.5μm。而為了防止航空精密偶件在使用過程中銳邊重熔層掉塊造成卡滯，應采取措施去除重熔層。但航空精密偶件尺寸和形位公差的精度很高，加工槽型的線切割工序一般都安排在精加工后進行，已不允許再實施熱處理淬火和化學腐蝕等工藝措施；如果采用機床磨削加工方式去除重熔層，砂輪外形尺寸受線切割所加工型腔形狀和尺寸的限制，也不宜選用。綜合考慮后決定選擇手工研磨微量去除余量的方法來去除重熔層。為此進行試驗，分別選擇粒度為500 #、800 #、1000 #的砂紙，沿線切割面對重熔層進行往復均勻研磨，單邊去處量不小于0.01mm。研磨后測量重熔層，如表2 所示，均未發(fā)現(xiàn)殘余重溶層，且800 #、1000 #砂紙研磨后的粗糙度滿足零件不大于Ra1.6μm的最終要求。圖6 為選擇800 #砂紙研磨后的放大圖，線切割面未見重熔層，重熔層已被去除。

圖2 粗加工參數(shù)加工后重熔層

圖3 中加工參數(shù)加工后重熔層

圖4 精加工參數(shù)加工后重熔層

表1 不同電加工參數(shù)下的試驗和測量表

圖5 重熔層厚度和表面粗糙度的關(guān)系

經(jīng)過上述試驗和測量，確定了在加工工藝中采取兩項措施，就可以消除航空精密偶件表面的重熔層：

1）電加工參數(shù)選擇精加工參數(shù)，切割效率≤20mm/min，從而將重溶層厚度控制在0.01mm 以內(nèi)。

2）選擇粒度不小于800 #的砂紙對電加工表面進行均勻研磨，單邊去除量不小于0.01mm。

上述電加工參數(shù)僅供參考，實際參數(shù)應依照電加工設備、加工介質(zhì)、電極狀態(tài)等具體情況進行設定。

4 結(jié)束語

國外對電加工重熔層的危害早有認識和嚴格的規(guī)定，對零件電加工后表面微觀質(zhì)量，分別按不同的使用部位規(guī)定了嚴格的驗收標準。例如，美國GEAE公司《P29TF73-S1 特種加工表面完整性的技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：F 類即圓盤、線軸、軸桿特征的旋轉(zhuǎn)部件，不允許有母材裂紋和重熔層；E 類即渦輪機螺旋槳組件的螺旋或條狀冷卻孔，母材裂紋允許0.051mm，重熔層最大深度0.203mm[1]。關(guān)于重熔層的質(zhì)量控制在我國航空航天工業(yè)的重要零部件上已有應用，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)精細化生產(chǎn)的發(fā)展，可以預見到對電加工微觀質(zhì)量的認識會越來越清晰，電加工的質(zhì)量控制規(guī)范也會逐步形成并廣泛推廣和應用。

表2 不同研磨條件下 的試驗和測量表

圖6 研磨后重熔層已被去除