閉式變截面異型通道復(fù)合特種加工技術(shù)應(yīng)用研究

■ 郭坤 徐江龍 廖旺 曾雪晴 葉成思 吳建 / 中國航發(fā)南方

閉式整體流道件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在新一代渦軸發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用越來越多，對于閉式異型通道，“電火花加工（EDM）+磨粒流”復(fù)合特種加工技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

在新一代渦軸發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)部件中，整體閉式徑向擴(kuò)壓器零件承擔(dān)著引流、轉(zhuǎn)能的重要用途。該零件有30余處閉式變截面異型通道，長約150mm，截面比高達(dá)1∶10，通道輪廓有20多組截面數(shù)據(jù)，喉部輪廓度要求為±0.02mm，表面粗糙度要求為Ra0.6。

針對渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部分徑向擴(kuò)壓器零件開展閉式變截面異型通道的加工，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過引入電火花加工（EDM）自動化工具、磨粒流先進(jìn)設(shè)備，開展了“EDM＋磨粒流”復(fù)合加工工藝研究，解決了閉式復(fù)雜變截面通道零件的加工質(zhì)量差、效率低的難題，并建立起適用于閉式復(fù)雜變截面通道加工的提高質(zhì)量和效率的方案。

閉式變截面異型通道的加工技術(shù)特點(diǎn)

步驟繁瑣，周期長

閉式復(fù)雜變截面通道的EDM存在電極裝夾、找正困難等問題。每加工一個(gè)通道，都需要更換電極，且夾具分度定位精度差。EDM工序的加工周期通常需要30天。

閉式變截面異型通道特征零件

消耗量大

閉式深窄腔通道散熱效果不好，采用銅電極加工時(shí)受熱影響較大。粗加工時(shí)單個(gè)電極僅能加工3個(gè)通道；精加工時(shí)，采用2個(gè)銅電極分上下部分進(jìn)行，單個(gè)零件加工需要更換30根電極進(jìn)行加工。

質(zhì)量不穩(wěn)定

由于電極找正困難，導(dǎo)致零件加工通道位置度不合格。電極供應(yīng)商無法保證電極制造精度，加工損耗過大，局部損耗不一致，加工參數(shù)未優(yōu)化且不穩(wěn)定，導(dǎo)致零件不符合輪廓度±0.02mm的標(biāo)準(zhǔn)。

手動拋光難度大

EDM加工完后，通道中附著一層重熔層，需要手工拋修，但通道型面復(fù)雜，拐角處無法進(jìn)行拋修，導(dǎo)致重熔層殘留。此外，通道截面復(fù)雜，截面小而深，手工拋修易導(dǎo)致通道輪廓超差。

復(fù)合特種加工技術(shù)總體思路

自動加工，以機(jī)換人

首先，減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床24h不間斷加工，引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)的3R標(biāo)準(zhǔn)夾頭和基準(zhǔn)球，電極找正時(shí)系統(tǒng)自動進(jìn)行偏移補(bǔ)償。然后，引入自動機(jī)械刀庫和A軸伺服轉(zhuǎn)臺，通過國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的代碼進(jìn)行EDM的程序編制，實(shí)現(xiàn)自動電極抓取和自動旋轉(zhuǎn)分度，實(shí)現(xiàn)24h不間斷加工。

優(yōu)化電極，高效低耗

為了減少電極消耗量，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過對不同放電間隙及不同材料電極的加工進(jìn)行試驗(yàn)，收集零件表面質(zhì)量、加工時(shí)間、電極損耗等信息，確定電極間隙和電極壽命，從而減少電極消耗，降低電極成本[1]。

過程優(yōu)化，穩(wěn)質(zhì)提效

為了提高零件質(zhì)量穩(wěn)定性及加工效率，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過加工過程數(shù)據(jù)表，查看程序每工步加工情況，以此分析EDM的加工狀態(tài)；通過設(shè)置小電流定時(shí)加工，提高加工效率；收集定時(shí)加工后通道輪廓欠加工情況，將該值預(yù)先補(bǔ)償進(jìn)放電間隙，同時(shí)采用變量編程方式對每一個(gè)通道自動進(jìn)行電極消耗補(bǔ)償，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

EDM與磨粒流復(fù)合應(yīng)用

EDM的粗糙度要求越高，需要的加工時(shí)間越長。為了縮短零件加工周期，去除通道表面重熔層，EDM將零件粗糙度加工到Ra1.3 ～1.5，再通過磨粒流將零件粗糙度加工到Ra0.6 ～0.8。磨粒流拋光可保持通道一致性，對重熔層拋光起到最優(yōu)效果。

復(fù)合特種加工技術(shù)實(shí)施情況

在“EDM＋磨粒流”復(fù)合加工方案實(shí)施過程中，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過以下方式提高了零件的加工效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

零點(diǎn)快換系統(tǒng)和伺服轉(zhuǎn)臺驅(qū)動

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)采用了FROM 400和QX6五軸精密電火花成形機(jī)，通過代碼進(jìn)行自動抓刀和自動分度。加工流程包括：自動調(diào)刀—自動找正電極偏移—自動加工—自動分度—自動調(diào)刀。通過進(jìn)行一個(gè)往復(fù)流程，可以保證設(shè)備無人工干預(yù)地持續(xù)運(yùn)作。

石墨電極取代銅電極

石墨電極導(dǎo)電性好，熱膨脹小，放電時(shí)幾乎不發(fā)生受熱變形。同時(shí)，石墨電極材料放電去除材料效率高，形狀保持較好，放電間隙均勻，脈沖利用率高，可以保持高效放電加工。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過3組放電間隙（0.2mm、0.3mm、0.4mm）試驗(yàn)，確定使用粗、精電極放電間隙均為0.3mm的石墨電極進(jìn)行加工，加工時(shí)間從每件350h縮短到每件300h，且石墨電極形狀保持較好，精加工后的電極還可用于進(jìn)行粗加工，節(jié)約了70%的電極成本。

定時(shí)加工

EDM是一個(gè)不斷腐蝕的過程，每一個(gè)粗糙度（VDI）放電條件的加工都是將上一級VDI的表面修整后再加工到相應(yīng)的輪廓值[2]。由于VDI22以上的電參數(shù)去除余量能力弱，加工到相應(yīng)輪廓值會耗費(fèi)大量時(shí)間，所以采用定時(shí)加工方案可大大提高加工效率。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析確定了定時(shí)加工方案和輪廓欠加工值。通過大量試驗(yàn)，對定時(shí)加工小電流參數(shù)進(jìn)行定時(shí)加工，確定VDI20程序段定時(shí)加工10min、VDI18程序段定時(shí)加工18min、VDI16程序段定時(shí)加工20min，并對最終輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，輪廓欠加工的數(shù)值為0.02mm。加工時(shí)間從每件300h縮短到每件280h。

間隙補(bǔ)償

流道輪廓度可以控制流道形狀和流量大小，對零件極其重要，而影響EDM精度和效率的主要因素是放電間隙選擇和電極損耗的確定[3]。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過使用同一根電極采用相同放電間隙依次加工不同通道，在線測量前后通道的輪廓差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出電極的間隙補(bǔ)償值，再采用變量編程方式，對電極損耗進(jìn)行補(bǔ)償。通過收集大量數(shù)據(jù)確定單個(gè)通道的粗加工電極損耗為0.01mm，單個(gè)通道的精加工電極損耗為0.015mm。最終采用變量編程方式對電極損耗和輪廓補(bǔ)償進(jìn)行加工補(bǔ)償，加工質(zhì)量和效率均有所提高。

“EDM＋磨粒流”復(fù)合加工

EDM表面質(zhì)量在VDI22以上的情況時(shí)，加工時(shí)長會成倍增加。采用“EDM+磨粒流拋光”復(fù)合加工，不僅能提高零件的表面粗糙度，而且能在很大程度上提高加工效率，同時(shí)磨粒流拋光可以去除流道表面的重熔層，增加零件的抗疲勞性能[4]。通過大量數(shù)據(jù)的收集和分析，確立了復(fù)合方式為先將EDM粗糙度加工到Ra1.3 ～1.5，再進(jìn)行磨粒流拋光，粗糙度可達(dá)到Ra0.6 ～0.8，加工時(shí)間從每件280h縮短到每件210h。閉式流道內(nèi)重熔層完全去除。

實(shí)施效果

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過復(fù)合特種加工技術(shù)在閉式變截面異型通道的實(shí)施，采用“EDM＋磨粒流拋光”，使徑向擴(kuò)壓器零件生產(chǎn)效率提高了3倍以上，不良產(chǎn)品率降低80%以上，電極成本降低70%，相關(guān)技術(shù)和制造模式可以在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。