數(shù)控電火花加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

陳濟(jì)輪

(首都航天機(jī)械公司工藝研究所,北京 100076)

數(shù)控電火花加工技術(shù)屬工件與電極非接觸式加工,由于具有加工難切削材料、復(fù)雜形狀及低剛度零件、可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)等特點(diǎn),因此在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域,尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件難加工材料的帶葉冠整體式渦輪盤(pán)的加工研制中,發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,是一種不可替代的加工技術(shù)。

為了提高運(yùn)載火箭和航空型號(hào)的運(yùn)載能力和整體性能,必須使用高性能、高可靠性的發(fā)動(dòng)機(jī)。整體式渦輪盤(pán)是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,它在高溫、高轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行,強(qiáng)烈的熱沖擊與交變載荷的承載,其工作狀況非常惡劣,渦輪盤(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性與否直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)劣、可靠性的高低。因此,整體式渦輪盤(pán)加工技術(shù)歷來(lái)都是國(guó)內(nèi)外航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

數(shù)控電火花加工技術(shù)由于能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制,完成復(fù)雜的空間軌跡進(jìn)給運(yùn)動(dòng),靈活地解決小通道葉片加工過(guò)程中電極與葉片的干涉問(wèn)題,所以,是目前帶葉冠整體式渦輪盤(pán)研制中非?？煽慷掷硐氲募庸し椒?。

空間防御體系的動(dòng)力系統(tǒng)需大量采用具有輕質(zhì)、快速響應(yīng)等性能先進(jìn)的姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)。這類姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃料推進(jìn)劑的小噴管、微小噴嘴、噴注器均大量采用了微小的拉瓦爾式型面結(jié)構(gòu)以及直徑0.1～0.3 mm的高精度微小孔結(jié)構(gòu),數(shù)控電火花微細(xì)加工被認(rèn)為是這類高精度微小型面和微小孔的可靠加工方法,應(yīng)用前景廣闊。

隨著我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)高性能數(shù)控電火花加工設(shè)備的需求也越來(lái)越大,大量高性能數(shù)控電火花加工設(shè)備在國(guó)防科技工業(yè)中的工程應(yīng)用,也為數(shù)控電火花加工技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。

1 數(shù)控電火花成形加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)整體渦輪盤(pán)的制造是發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于整體渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工精度要求高,尤其是葉片工作表面為空間曲面,形狀復(fù)雜,特別是為適應(yīng)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作條件,因此,廣泛采用鈦合金、高溫合金等高性能金屬材料和鈦基、鈦鋁化合物基復(fù)合材料。新材料的應(yīng)用影響了整體渦輪盤(pán)的可加工性,整體渦輪盤(pán)的機(jī)械制造加工面臨越來(lái)越強(qiáng)的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法已很難勝任,必須應(yīng)用現(xiàn)代特種制造加工技術(shù)。

航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)采用帶葉冠整體式渦輪盤(pán)先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給新型號(hào)帶來(lái)優(yōu)越性能的同時(shí),對(duì)零件的加工制造也帶來(lái)了嚴(yán)重的困難。整體帶葉冠式渦輪盤(pán)從設(shè)計(jì)角度來(lái)看,具有以下典型特征:①一般都采用高溫合金(如高溫鎳基合金GH4169)、鈦合金等難加工材料;②結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,為半封閉帶葉冠結(jié)構(gòu),甚至采用帶葉冠兩級(jí)輪盤(pán)連體結(jié)構(gòu);③尺寸精度高,形位公差要求嚴(yán)格。要實(shí)現(xiàn)帶葉冠整體式渦輪盤(pán)的加工,要解決如下工藝難點(diǎn):①解決葉片加工時(shí)的干涉問(wèn)題;②解決葉片加工時(shí)葉型的完整性問(wèn)題,無(wú)論葉盆、葉背、葉尖都不能出現(xiàn)接痕現(xiàn)象;③保證葉型加工精度和葉片重心與渦輪盤(pán)中心的一致性好;④保證渦輪盤(pán)葉底徑圓和葉頂徑圓的圓度,不能出現(xiàn)“鋸齒狀”的正多邊形。

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制、發(fā)展、使用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為滿足第四代戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)以及未來(lái)高推比新概念發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求,除采用先進(jìn)技術(shù)減少飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、機(jī)載設(shè)備的重量外,關(guān)鍵是要求發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)到10這一級(jí),重點(diǎn)突破發(fā)動(dòng)機(jī)部件的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝等方面的關(guān)鍵技術(shù)。其中在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪上采用整體渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)(包括整體葉輪、整體葉環(huán))是重要措施。美國(guó)聯(lián)合攻擊機(jī)JSF的升力風(fēng)扇、艾利遜公司XTC16/1A核心機(jī)均采用了渦輪整體渦輪盤(pán)。英國(guó)、德國(guó)、意大利和西班牙合作研制的EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)采用了整體渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)。

美國(guó)、俄羅斯以及歐空局的航天及先進(jìn)導(dǎo)彈武器發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的整體式渦輪盤(pán)均大量采用了帶葉冠設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),也大量應(yīng)用了多軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形加工技術(shù)。如美國(guó)普惠(Pratt&Whitney)發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工材料的整體渦輪盤(pán)隼槽,采用了多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工技術(shù)(圖1)。美國(guó)空軍的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃(AFT)將整體式渦輪盤(pán)加工技術(shù)列為一項(xiàng)重要的核心應(yīng)用技術(shù),并在綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃(IHPTET)中進(jìn)一步提出美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)將在2020年之前全部采用整體式渦輪盤(pán)設(shè)計(jì)方案,并采用了數(shù)控電火花成形加工技術(shù)完成這類輪盤(pán)的加工(圖2)。M TU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司不僅是德國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)先制造商,同時(shí)也是全球最好的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)服務(wù)提供商。在M TU慕尼黑制造廠里,他們采用了數(shù)控電火花成形加工技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)靜子進(jìn)行精密加工(圖3)。

圖1 普惠公司的PW 4000渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2 某航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶葉冠整體靜葉柵

圖3 德國(guó)MTU公司加工的帶葉冠靜子

俄羅斯“能源”號(hào)運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵整體式渦輪盤(pán),早在上個(gè)世紀(jì)80年代就已采用了帶葉冠的整體結(jié)構(gòu),通過(guò)組合靠模電火花成形加工方法,實(shí)現(xiàn)了帶葉冠整體渦輪盤(pán)的加工。隨著俄羅斯國(guó)力的增強(qiáng),其航天型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)帶葉冠式整體渦輪盤(pán)制造時(shí),已基本淘汰了落后的組合拷模方法,逐步大量采用了瑞士阿奇夏米爾公司制造的數(shù)控電火花成形加工設(shè)備。歐空局著名的瑞典VOLVO航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司為歐空局阿里安-5火箭配套生產(chǎn)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。該公司研制的“火神”(volcain)發(fā)動(dòng)機(jī)、“火神-2”(volcain-2)發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)以及新研制的“芬奇”(V INCI)(圖5)等系列航天發(fā)動(dòng)機(jī)中,其氫、氧渦輪泵的多級(jí)整體式渦輪盤(pán)、導(dǎo)向靜葉柵環(huán)等核心部件,也都已采用了整體帶葉冠的結(jié)構(gòu),并通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工方法來(lái)完成加工,取得了很好的效果(圖6)。據(jù)了解,瑞典VOLVO航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司加工這類核心渦輪盤(pán)的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工設(shè)備的主要供應(yīng)商為日本牧野公司和瑞士阿奇夏米爾公司。

圖4 “火神-2”發(fā)動(dòng)機(jī)的氫渦輪泵

圖5 “芬奇”發(fā)動(dòng)機(jī)的氧渦輪泵

圖6 “火神”發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用數(shù)控電火花方法加工

國(guó)外大航程高速魚(yú)雷,如英國(guó)“旗魚(yú)”(Spearfish)最大航程40 km,能以高達(dá)70節(jié)的速度(水深50m時(shí))攻擊目標(biāo),成為目前最先進(jìn)的重型反艦/反潛魚(yú)雷之一,其21TP04發(fā)動(dòng)機(jī)可輸出近800 kW的功率,采用了整體式渦輪盤(pán)等先進(jìn)技術(shù),同時(shí)也采用了多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工技術(shù)。

為了提高我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)新一代運(yùn)載火箭、航空型號(hào)的運(yùn)載能力和整體性能,也必須使用高性能、高可靠性的發(fā)動(dòng)機(jī)。帶葉冠整體式渦輪盤(pán)由于有可以平衡渦輪盤(pán)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的高達(dá)數(shù)噸的軸向力、能消除渦輪盤(pán)高速運(yùn)行時(shí)葉片斷裂現(xiàn)象的發(fā)生以及大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率,因此也已經(jīng)陸續(xù)被我國(guó)先進(jìn)的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)所采用。

數(shù)控電火花成形加工可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制,能完成非常復(fù)雜的空間軌跡進(jìn)給運(yùn)動(dòng),靈活地解決小通道葉片加工過(guò)程中電極與葉片的干涉問(wèn)題。因此,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工技術(shù)是目前能實(shí)現(xiàn)帶葉冠整體式渦輪盤(pán)工程化生產(chǎn)唯一的加工應(yīng)用技術(shù),其在國(guó)內(nèi)外航空航天型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

除此之外,數(shù)控電火花成形加工技術(shù)還在航空航天精密薄壁零件、難加工材料零件的型腔加工等也具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如載人航天宇航服;發(fā)動(dòng)機(jī)的活門(mén)座、活門(mén)殼體;慣導(dǎo)系統(tǒng)撓性陀螺儀中的接頭細(xì)頸精密薄壁小盲孔加工等,均需要采用數(shù)控電火花成形加工技術(shù)。

2 數(shù)控電火花微細(xì)加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)控電火花微細(xì)加工技術(shù)是精密機(jī)械工程和精密儀器科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)之一,在航空航天、醫(yī)療生物工程、微型機(jī)器人、微型傳感器等眾多領(lǐng)域中,解決了微電子、微結(jié)構(gòu)、難加工材料、新型材料的微制造技術(shù)難題,發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用。

由于傳統(tǒng)的機(jī)械加工過(guò)程存在著宏觀的切削力,因此在加工微小零件,特別是微米尺度零件時(shí),易產(chǎn)生變形、發(fā)熱等問(wèn)題,表面易產(chǎn)生應(yīng)力而影響產(chǎn)品的使用性能。而數(shù)控電火花微細(xì)加工技術(shù)是依靠放電微燒蝕而非機(jī)械接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工,無(wú)加工宏觀應(yīng)力,因此,它對(duì)一般加工方法難以克服的微細(xì)工具與工件的加工變形難題能迎刃而解。由于數(shù)控電火花微細(xì)加工的這些技術(shù)特點(diǎn),因此在微小零件的加工制造方面中有著不可替代的優(yōu)越性。

日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞士、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)都有很多關(guān)于特種微細(xì)加工的研究成果,并進(jìn)入工程應(yīng)用。世界一些國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、以色列等也在不同程度地開(kāi)展空間飛行器系統(tǒng)的研發(fā)力度,并取得了重大甚至是突破性的進(jìn)展。如空間姿/軌控推進(jìn)裝置的氧化劑、燃燒劑等推進(jìn)劑的微型噴嘴、噴注器等,核心部組件多材料均為高溫合金或鈦合金等難加工材料,直徑約百微米級(jí),微小零件內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸空間極其有限,且要保證推進(jìn)裝置達(dá)到優(yōu)越的推進(jìn)性能,微小噴嘴以及噴注器噴射的氧化劑、燃燒劑必須要控制精確的撞擊角度、撞擊距離,達(dá)到優(yōu)越的燃燒劑推進(jìn)效果。采用了拉瓦爾式三維異型面結(jié)構(gòu),這樣特殊要求,一般傳統(tǒng)的機(jī)械加工甚至精密的數(shù)控加工由于易產(chǎn)生變形、發(fā)熱等問(wèn)題,基本上不易實(shí)現(xiàn)加工。因此,一般需要沒(méi)有宏觀的切削力作用且屬于非接觸式加工的數(shù)控電火花微細(xì)加工方法來(lái)完成。

數(shù)控電火花微小孔加工在電火花微細(xì)加工技術(shù)中又是一個(gè)重要的分支。如運(yùn)載火箭箭體中,有一些零件整體尺寸雖大,但局部具有微小孔結(jié)構(gòu)。如運(yùn)載火箭箭體氣封限流片;航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜冷卻孔;姿控發(fā)動(dòng)機(jī)噴注孔;發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒壁面的冷卻小孔等,都需采用數(shù)控電火花高速微小孔加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)控電火花微小孔加工技術(shù)的特點(diǎn)是孔徑精度高,精度一般可達(dá)±2.5μm,孔的圓度可達(dá)0.5μm;對(duì)于孔徑≥0.12 mm的微小孔,一般需采用專用的管電極,管電極旋轉(zhuǎn)且管內(nèi)沖液加工方式,這樣能大大提高加工速度,深徑比也較大,易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。若微小孔孔徑≤0.10mm,則需要采用“反銬電極”的方式實(shí)現(xiàn)微小孔的加工,深徑比一般可達(dá)10∶1,但加工效率較低。但無(wú)論如何,數(shù)控電火花加工微小孔均比激光加工微小孔的質(zhì)量好得多。

3 數(shù)控電火花加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問(wèn)題

如上所述,數(shù)控電火花加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用,而且隨著我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)數(shù)控電火花加工設(shè)備的需求也越來(lái)越大,應(yīng)用前景廣闊。進(jìn)口國(guó)外的設(shè)備一般都具有良好的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度和方便的工藝數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)進(jìn)口設(shè)備的故障率也很低、運(yùn)行可靠。與之相對(duì)應(yīng),我國(guó)數(shù)控電火花加工技術(shù)及設(shè)備與國(guó)外相比存在著明顯的不足,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)需要發(fā)展國(guó)產(chǎn)4～5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控電火花成形加工設(shè)備。

整體式渦輪盤(pán)采用帶葉冠設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是當(dāng)代航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì),而目前多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工又被認(rèn)為是加工這類小通道的帶葉冠整體式渦輪盤(pán)的唯一加工方法,加快發(fā)展4～5軸高精度多軸聯(lián)動(dòng)國(guó)產(chǎn)數(shù)控電火花成形加工設(shè)備、并盡快投入市場(chǎng)使用勢(shì)在必行。

(2)國(guó)內(nèi)設(shè)備工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的工藝指導(dǎo)性有待進(jìn)一步提高。

對(duì)用戶來(lái)說(shuō),在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,一般都希望通過(guò)借助利用設(shè)備自身的工藝數(shù)據(jù)庫(kù),來(lái)獲得理想的加工效果。利用工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的前提是設(shè)備制造商必須通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證加工規(guī)準(zhǔn)的一致性和可靠性。同時(shí)設(shè)備自身的幾何運(yùn)動(dòng)精度保持性、脈沖電源性能的優(yōu)劣、控制系統(tǒng)的可靠性,又是做好工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的必要條件,這樣設(shè)備提供的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)才是準(zhǔn)確可靠的,加工指導(dǎo)性強(qiáng),用戶可方便放心地使用,這方面國(guó)內(nèi)與國(guó)外存在著不小差距。

另外,在鈦合金材料數(shù)控電火花加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)方面,差距則更大。在某種意義上講,正是由于進(jìn)口數(shù)控電火花成形加工設(shè)備具有鈦合金材料的良好加工性能,已成為某些型號(hào)研制中的救命稻草,這是令人深感憂慮的事實(shí)。

(3)國(guó)產(chǎn)化適合數(shù)控電火花加工用的高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)有待提高。

適合數(shù)控電火花加工用的高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)至少滿足以下幾個(gè)條件:適合長(zhǎng)時(shí)間在浸油狀態(tài)下正常可靠工作;除具備任意角度分度功能外,還具備并能承擔(dān)伺服運(yùn)動(dòng)軸的功能;角向定位精度≤14.4″。目前適合數(shù)控電火花加工用的國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)還有待提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中,數(shù)控電火花加工技術(shù)已在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)研制中發(fā)揮了重要作用,解決了很多型號(hào)研制中技術(shù)關(guān)鍵,取得了很好的成效。隨著國(guó)防科技工業(yè)需求的增大,型號(hào)零件配套數(shù)量的增加,數(shù)控電火花加工的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。發(fā)展國(guó)產(chǎn)多軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工設(shè)備以及適合電火花加工的高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),有利于解決型號(hào)關(guān)鍵零部件的加工研制與批產(chǎn)的“瓶頸”問(wèn)題,形成型號(hào)關(guān)鍵部件的批生產(chǎn)能力。

進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)控電火花成形加工設(shè)備工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的研究開(kāi)發(fā),尤其是建立適合鈦合金材料的工藝數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)推動(dòng)數(shù)控電火花加工技術(shù)在國(guó)防科技工業(yè)加工中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 張昆,陳濟(jì)輪,鐘曉紅.帶葉冠渦輪盤(pán)數(shù)控電火花加工工藝優(yōu)化研究與應(yīng)用[C]//第12屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:76-80.