方形切縫扭簧電解線切割加工試驗研究*

唐 成，房曉龍，許崇長，曾永彬

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.天津航空機(jī)電有限公司，天津 300308）

為獲得更大的機(jī)動性，飛行控制系統(tǒng)通過驅(qū)動配平舵機(jī)，帶動調(diào)整片或水平安定面使桿力動態(tài)配平補償，用以消除不平衡力矩，操縱飛機(jī)姿態(tài)，保持飛機(jī)穩(wěn)定[1]。扭簧是配平舵機(jī)的關(guān)鍵零件，為配平舵機(jī)提供精確的扭矩梯度特性，使飛行員感受靈敏的操縱力感[2]。方形切縫扭簧是一種新的扭簧結(jié)構(gòu)，沿圓周方向均勻分布有螺旋上升的貫穿式方形溝槽。與傳統(tǒng)扭簧相比，方形切縫扭簧具有結(jié)構(gòu)靈巧、緊湊，便于端面安裝等優(yōu)點，且已廣泛用于各類戰(zhàn)機(jī)、直升機(jī)配平舵機(jī)[3]。方形切縫扭簧力學(xué)特性受制造精度影響顯著。作為循環(huán)載荷作用下的高疲勞壽命和高可靠性要求零件，加工表面嚴(yán)格禁止有重鑄層、微裂紋存在[4]。上述高精度、高表面質(zhì)量加工要求給常規(guī)制造技術(shù)（機(jī)械加工、激光加工、電火花線切割等）帶來諸多困難。

機(jī)械加工高彈性金屬材料易形成殘余應(yīng)力、毛刺，零件熱處理后易變形[5]，嚴(yán)重影響扭簧的力學(xué)特性。激光加工利用高溫熔化氣化金屬切割出切縫[6]，切縫易熱變形，切縫表面存在重鑄層[7]；電火花線切割加工利用火花放電產(chǎn)生的高溫熔化氣化去除材料，扭簧切縫同樣存在熱變形和表面重鑄層等問題[8–9]。重鑄層是熔融材料在零件表面快速冷卻形成的淬火鑄造組織，內(nèi)部常含有微裂紋，在交變載荷的作用下，微裂紋易擴(kuò)展以致零件發(fā)生斷裂破壞，嚴(yán)重降低扭簧的疲勞壽命[10–11]。因此，激光加工和電火花線切割技術(shù)均無法直接用于無重鑄層零件的加工。方形切縫扭簧的高效精密加工已成為制約其應(yīng)用和配平舵機(jī)性能提高的瓶頸。

電解線切割加工采用金屬絲作為工具陰極[12]。加工時，工件接電源正極，電極絲接電源負(fù)極，基于金屬電化學(xué)陽極溶解原理去除材料，通過線電極的多軸數(shù)控運動加工出直縫、窄槽等結(jié)構(gòu)[13]。電解線切割加工繼承了電解加工的諸多優(yōu)點：加工過程不受材料力學(xué)性能限制；加工表面無應(yīng)力、無重鑄層、無微裂紋；工具電極無損耗，可重復(fù)使用。電解線切割加工工件時，加工間隙通常僅有數(shù)μm到數(shù)十μm，其電解產(chǎn)物排出困難，軸向沖液是電解線切割中最常用的促進(jìn)加工產(chǎn)物排出的方法[14]。Qu等[15]采用用直徑為0.1mm的電極絲加工1.8mm厚的鈦合金，切縫側(cè)面間隙為150μm。Klocke等[16]將兩根電極絲絞合作為陰極工具，同時配合軸向沖液，在40mm厚的鉻鎳鐵合金上進(jìn)行電解線切割，切割速率可達(dá)20mm2/min。He等[17]開展了軸向沖液電解線切割加工鈦鋁合金試驗，驗證軸向沖液電解線切割是一種有效的加工方法。從上述工藝特點看，電解線切割技術(shù)特別適合方形切縫扭簧的加工。

本文采用扭簧毛坯低速旋轉(zhuǎn)、相對電極絲低速直線進(jìn)給的組合運動方式進(jìn)行螺旋狀電解線切割加工，同時輔以沿電極絲軸向高速沖液帶走加工間隙內(nèi)加工產(chǎn)物，以實現(xiàn)穩(wěn)定加工。設(shè)計專用裝置，優(yōu)化工藝參數(shù)和工藝方案，最后實現(xiàn)高精度扭簧樣件的加工。

電解線切割加工方形切縫扭簧原理

方形切縫扭簧切縫為螺旋上升的貫穿結(jié)構(gòu)，根據(jù)電解線切割工藝特點，采用工件超低速旋轉(zhuǎn)，同時配合低速直線進(jìn)給的復(fù)合運動方式進(jìn)行加工，圖1為方形切縫扭簧旋轉(zhuǎn)切割示意圖，其電解液從進(jìn)液口匯入沖液腔體，經(jīng)過沖液腔體的緩沖作用后，從下方的噴嘴高速噴出，將匯流的電解液轉(zhuǎn)化成軸向噴射的電解液束，包裹住電極絲。為了避免機(jī)械鉆孔、電火花穿孔可能產(chǎn)生加工應(yīng)力，同時提高加工效率，采用陣列管電極加工電解線切割加工用穿絲孔。

從運動學(xué)角度分析，方形切縫加工過程實際上是扭簧上任一點做螺旋線運動的過程，是旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的復(fù)合運動。因此，實際加工速度則是工件旋轉(zhuǎn)速度和直線進(jìn)給速度的合速度。通過控制工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給運動平臺的速度就能夠加工出不同螺距的方形切縫。

如圖2所示，以扭簧毛坯外表面上點的線速度為工件的實際加工速度Vl（μm/s），工件外表面切縫一圈的長度為工件旋轉(zhuǎn)一圈的切割長度La（mm）。DS表示扭簧毛坯外徑（mm），P表示方形切縫的螺距（mm），那么，

若工件實際加工速度Vl為設(shè)定可知，那么加工一圈所需要的時間ta（s）為：

加工一圈，工件軸向進(jìn)給距離是一個螺距，因此，可得工件直線進(jìn)給速度VF（μm/s）：

工件外表面點的徑向線速度VS（μm/s）為：

由于螺距和工件外徑相差幾個數(shù)量級，因此選擇諧波減速器降低扭簧的轉(zhuǎn)速。諧波轉(zhuǎn)速器200000∶1的減速比，則伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速Sl（r/min）為：

所需要加工方形切縫扭簧毛坯外徑為68mm，螺距為4mm，圈數(shù)為5圈，當(dāng)工件實際加工速度為10μm/s，則工件直線進(jìn)給速度為0.187μm/s，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為561.911r/min，當(dāng)工件實際加工速度為20μm/s，則工件直線進(jìn)給速度為0.374μm/s，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為1123.249r/min。

方形切縫扭簧電解線切割加工系統(tǒng)

圖1 方形切縫扭簧旋轉(zhuǎn)切割示意圖Fig.1 Schematic of wire electrochemical machining square slotted torsional spring

方形切縫扭簧旋轉(zhuǎn)電解線切割加工系統(tǒng)如圖3所示，包括數(shù)控系統(tǒng)、加工電源、軸向沖液裝置、電解液循環(huán)系統(tǒng)、XYZ進(jìn)給平臺、螺旋切割加工裝置及控制系統(tǒng)6個部分。軸向沖液裝置安裝在機(jī)床的橫梁上保持位置固定，扭簧毛坯通過連接軸套與旋轉(zhuǎn)進(jìn)給平臺連接，螺旋切割加工裝置安裝在機(jī)床的XYZ進(jìn)給平臺上，通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整扭簧毛坯與軸向沖液裝置的相對位置。扭簧工件連接脈沖電源正極，電極絲連接負(fù)極。

軸向沖液電解線切割裝置如圖3（a）所示，包括電極絲固定裝置、沖液腔和二維微調(diào)平臺3個部分。電極絲繞過固定裝置的上下導(dǎo)向輪并穿過沖液腔，通過上下緊固螺母固定。電解液從進(jìn)液口泵入沖液腔體，經(jīng)過沖液腔體的緩沖作用后，從下方的噴嘴高速噴出，將匯流的電解液轉(zhuǎn)化成軸向噴射的電解液束。二維微調(diào)平臺可從兩個方向調(diào)整噴嘴與電極絲的相對位置，以保證從噴嘴噴出的電解液束將電極絲包裹在中心。

圖2 距離與速度的合成關(guān)系Fig.2 Composite relations of distance and velocity

螺旋切割加工裝置如圖3（b）和 （c）所示，包括連接軸套和旋轉(zhuǎn)進(jìn)給平臺兩個部分。其中超低速旋轉(zhuǎn)進(jìn)給平臺包括定位安裝盤、聯(lián)軸器、諧波減速器、伺服電機(jī)、進(jìn)給運動平臺等。為了使得加工轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度匹配以實現(xiàn)特定的螺旋運動軌跡，采用高精度的進(jìn)給運動平臺實現(xiàn)直線運動，選用AKM13C–AKC2R–00型號的伺服電機(jī)控制工件轉(zhuǎn)速。采用諧波減速器來作為減速裝置，以實現(xiàn)高精度、超低轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運動，減速器傳動比200000∶1，從而大幅度降低伺服電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速來滿足試驗需求。伺服電機(jī)控制器采用Kollmorgen公司的AKD–B00306–NBAN–0000控制器，通過Kollmorgen WorkBench軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制和實時監(jiān)控。連接軸套的作用是連接定位安裝盤與扭簧毛坯。連接軸套的內(nèi)徑與扭簧毛坯的內(nèi)徑一致，外徑略大于扭簧毛坯，兩端的螺紋開孔分別與定位安裝盤和扭簧毛坯相匹配。

圖3 方形切縫扭簧電解線切割加工系統(tǒng)Fig.3 Wire electrochemical cutting system for square slit torsion spring

方形切縫扭簧電解線切割加工試驗

1 穿絲孔管電極電解加工

在進(jìn)行方形切縫扭簧軸向沖液電解線切割加工前，需要在距離扭簧毛坯端面3.5mm處沿徑向預(yù)先加工出半徑為0.5mm的穿絲孔。針對以50CrVA彈簧鋼為材料的壁厚6mm方形切縫扭簧，開展管電極電解加工穿絲孔試驗研究，原理示意圖如圖4所示。試驗采用流量為12L/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3電解液，管電極采用外徑0.76mm、內(nèi)徑0.4mm的304不銹鋼管，初始加工間隙為0.3mm，試驗探究加工電壓和進(jìn)給速度對孔的入、出口直徑和孔型的影響。

圖4 多管電極電解加工原理示意圖Fig.4 Schematic of multi-tube electrochemical drilling

由圖5可知，當(dāng)進(jìn)給速度恒定時，電壓與孔徑正相關(guān)，即電壓值越大，孔徑越大。當(dāng)電壓值恒定時，進(jìn)給速度與孔徑負(fù)相關(guān)，即進(jìn)給速度越大，孔徑越小。

圖5 電壓和速度對入-出口直徑的影響Fig.5 Influence of voltage and speed on hole diameter of ertrance and exit

由圖6的入–出口孔形可以看出，進(jìn)給速度過快或者過慢都對孔形有不利影響，孔形整體質(zhì)量均比中等進(jìn)給速度時的孔形差，且進(jìn)給速度對孔形的影響效果十分顯著；另外，當(dāng)進(jìn)給速度一定時，電壓增大可以改善孔形，但電壓過大會使孔徑增大較多，導(dǎo)致加工一致性較低。

圖6 電壓和速度對入-出口孔型的影響Fig.6 Influence of voltage and speed on hole type of entrance and exit

綜合考慮電壓與進(jìn)給速度對于孔徑與孔形的影響，盡量選擇低速進(jìn)給與低電壓配合，或者高速進(jìn)給與高電壓配合，因此，選擇進(jìn)給速度0.6mm/min，加工電壓14V，加工出方形切縫扭簧解線切割預(yù)穿絲孔，如圖7所示，平均孔徑為0.96mm。

2 穩(wěn)定電解線切割加工電壓分析

根據(jù)姚羊洋等[18]軸向沖液電解線切割加工試驗研究，本試驗采用直徑0.5mm的鉬絲作為電解線切割用線電極，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl和5%的NaNO3的混合溶液作為電解液，脈沖頻率1kHz，占空比60%，沖液壓力1MPa，噴嘴直徑為0.8mm。試驗采用實際進(jìn)給速度為5μm/s、10μm/s、15μm/s、20μm/s，探究不同進(jìn)給速度下實現(xiàn)穩(wěn)定加工所需加工電壓的變化，圖8所示為4種進(jìn)給速度下不發(fā)生短路的最低電壓，可知，最低不短路電壓會隨著進(jìn)給速度的增加而增加。為保證加工正常進(jìn)行，進(jìn)給速度增加的同時應(yīng)保證單位時間內(nèi)的材料蝕除量相應(yīng)增大，若不能滿足這一要求，就會使得電極絲與工件之間的加工間隙越來越小，最終導(dǎo)致短路。因此，需要提高加工電壓來增大單位時間內(nèi)的材料蝕除量，保證工件穩(wěn)定加工。若采用20μm/s的加工速度，則加工電壓至少為30V 。

3 工藝優(yōu)化及樣件加工

試驗中發(fā)現(xiàn)，50CrVA工件在加工過程中出現(xiàn)表面剝落和生銹的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工件的加工質(zhì)量。為了解決這個問題，針對加工工藝過程提出兩項改進(jìn)措施。（1）對工件表面進(jìn)行絕緣處理，采用電泳工藝，涂敷材料為環(huán)氧樹脂漆。環(huán)氧樹脂及其固化物力學(xué)性能高，具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力，分子結(jié)構(gòu)致密；附著力強(qiáng)，對金屬具有優(yōu)良的附著力；固化收縮率小，線脹系數(shù)也很小，所以固化后體積變化不大；具有優(yōu)良的電絕緣性和優(yōu)良的抗化學(xué)藥品性。（2）去除加工軌跡絕緣層。加工軌跡上的表面絕緣層會阻擋電極絲的進(jìn)給，去除加工軌跡絕緣層可以避免因表面絕緣層的阻擋造成的短路，有效避免損傷電極絲和工件。另一方面，保留加工軌跡外的表面絕緣層可以很好地保護(hù)非加工區(qū)域，避免二次腐蝕，改善表面質(zhì)量。方形切縫扭簧的加工工藝流程如圖9所示。

4 加工結(jié)果分析

選擇工件實際加工速度20μm/s，則工件直線進(jìn)給速度為0.374μm/s，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為1123.249r/min。參照上述試驗結(jié)果，以0.5mm的鉬絲作為工具電極，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl和5%的NaNO3的混合溶液為電解液，加工電壓30V，脈沖頻率1kHz，占空比60%，沖液壓力1MPa，噴嘴直徑為0.8mm，進(jìn)給速度20μm/s，加工出平均縫寬為1.006mm的方形切縫扭簧結(jié)構(gòu)，在顯微鏡下觀察到切縫縫寬均勻，切縫兩側(cè)直線度較好（圖10）。方形切縫扭簧切縫共5圈，總切割長度超過1m，每圈等長度取4個測量點，共取20個測量點測量切縫寬度，如表1所示，表中最大測量值為1039μm，最小測量值為967μm，即上偏差0.039mm，下偏差0.033mm，在±0.05mm公差內(nèi)。后續(xù)用于實際生產(chǎn)，還需建立工藝規(guī)范，解決工藝和設(shè)備穩(wěn)定性問題。

圖7 穿絲孔加工實物Fig.7 Machined holes

結(jié)論

（1）提出扭簧低速旋轉(zhuǎn)+直線進(jìn)給的組合運動方式進(jìn)行方形切縫扭簧電解線切割加工，分析了組合運動學(xué)特性，設(shè)計了專用運動裝置，建立了方形切縫扭簧電解線切割加工試驗系統(tǒng)。

（2）試驗研究了進(jìn)給速度和加工電壓參數(shù)對管電極電解加工穿絲孔孔徑大小與孔型的影響，選擇進(jìn)給速度為0.6mm/min，加工電壓為14V的加工參數(shù)組合加工出陣列穿絲孔。

（3）采用涂覆絕緣涂層避免了50CrV材料電解加工中極易出的非加工面腐蝕現(xiàn)象，試驗研究了加工電壓對電解線切割加工速度的影響，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)和改進(jìn)的工藝流程，成功加工出平均縫寬為1.006mm、尺寸偏差在±0.05mm內(nèi)、表面質(zhì)量較好的方形切縫扭簧樣件。

圖8 進(jìn)給速度與加工電壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between feed speed and machining voltage

圖9 方形切縫扭簧加工工藝流程Fig.9 Processing flow of square slit torsion spring

圖10 加工樣件及顯微鏡下的切縫Fig.10 Machining samples and microscopic slits

表1 方形切縫扭簧切縫寬度Table 1 Slit width of square slotted torsional spring