電火花微精成形加工工藝的研究

朱紅鋼,陳 陽,王煥琴,徐 佩

(西安航空發(fā)動機(集團)有限公司研制中心,陜西西安 710021)

電火花微精成形加工是現(xiàn)代加工技術(shù)中的一個新領(lǐng)域,主要是指對工件尺寸＜200μm的軸孔和溝槽型腔的電火花成形加工。航空發(fā)動機中各種精密的型孔、型槽、型腔對加工精度和表面粗糙度的要求都較高,如發(fā)動機的噴嘴點火口、動環(huán)結(jié)合面的儲油槽、精細(xì)氣膜散熱孔等微細(xì)零件。為了滿足這些精密零件的加工要求,必須合理選擇電參數(shù)和分配加工余量。在分配加工余量時,不僅要考慮每次加工后遺留下來的加工量和表面粗糙度的大小,而且還必須考慮所選參數(shù)的平均放電間隙的大小。要獲得較高的零件尺寸精度,必須保證放電間隙的一致性好。如果加工過程中能保持放電間隙不變,則可通過搖動加工對放電間隙進行補償,從而獲得較高的加工精度。與普通機械加工不同,實現(xiàn)微精加工的一個重要條件是,首次電火花加工量分配和電參數(shù)的放電間隙大小選擇的工藝分配。這也是我們在制造現(xiàn)場不斷追求的目標(biāo)。隨著航空發(fā)動機這類零件不斷增多,需要對微精加工工藝及電源參數(shù)的精準(zhǔn)控制投入更多的工藝研究。

1 電火花微精成形加工的工藝特點

電火花微精成形加工在原理上與通常電火花加工沒有什么區(qū)別,但由于加工對象都是一些尺寸小、精度高的零件,因此在加工特征上呈現(xiàn)出一些與通常電火花加工不同之處。其工藝特點為:

(1)在普通電火花成形加工中一般采用粗、中、精分檔加工方式。粗加工采用大電流、低損耗的參數(shù),而中、精加工電極相對損耗大,但一般情況下中、精加工余量較少,因此電極損耗也極小,可通過加工尺寸控制進行補償,或在不影響精度時予以忽略。

(2)電火花正常加工中,在產(chǎn)生加工屑和排除加工屑達到平衡的條件下才能順利進行。實際中往往以犧牲加工速度去排除碳屑,例如在中、精加工時采用高電壓、大停歇脈波等。另一個影響排屑的因素是加工面形狀復(fù)雜,使排屑路徑不暢通。唯有創(chuàng)造良好排屑的條件,對癥采取一些方法來有效處理。

(3)加工時,放電脈沖時間長,有利于降低電極損耗。電火花機粗加工一般采用長放電脈波和大電流放電,加工速度快,電極損耗小。在精加工時,小電流放電必須減小放電脈波時間,這樣不僅加大了電極損耗,也大幅度降低了加工速度。

(4)對機床伺服機構(gòu)的性能要求極高。由于放電間隙小,一般只在數(shù)微米范圍,且放電過程不夠穩(wěn)定,因此要求電火花加工設(shè)備的伺服系統(tǒng)(包括間隙狀態(tài)監(jiān)測)和執(zhí)行機構(gòu)有迅疾的響應(yīng)速度和控制靈敏度,正常放電時能以微步距跟蹤材料蝕除速度,發(fā)生非正常放電時又能迅速回退,消除間隙的異常狀態(tài),保護電極及工件。

(5)電極的制備、安裝、定位找正難度增大。

(6)排屑困難,不易獲得穩(wěn)定的火花放電狀態(tài)。

2 影響航空零件電火花微精成形加工精度的主要因素

電火花加工時,電極與工件之間存在著一定的放電間隙。如果加工過程中放電間隙保持不變,則可通過修正電極的尺寸對放電間隙進行補償,以獲得較高的加工精度。然而,放電間隙的大小實際上是變化的,影響著零件的加工精度。主要表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)表面粗糙度的影響。電火花加工表面粗糙度取決于放電蝕坑的深度及其分布的均勻程度,只有在加工表面產(chǎn)生淺而分布均勻的放電蝕坑,才能保證加工表面有較小的表面粗糙度值。為了控制放電凹坑的均勻性,需要采用等能量放電脈沖控制技術(shù),即檢測間隙電壓擊穿下降沿,控制放電脈沖電流寬度相等,用相同的脈沖能量進行加工,從而使加工表面粗糙度微觀上均勻一致。

(2)加工間隙(側(cè)面、底面間隙)的影響。加工間隙的大小及其一致性直接影響電火花成形加工的加工精度。只有掌握每個規(guī)準(zhǔn)的加工間隙和表面粗糙度的數(shù)值,才能正確設(shè)計電極的尺寸,確定收縮量及加工過程中的規(guī)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

(3)加工斜度的影響。在加工過程中,無論是型孔、還是型腔,側(cè)壁都有斜度,形成斜度的原因除電極側(cè)壁本身在技術(shù)要求或制造中原有的斜度外,一般都是由電極的損耗不均勻以及“二次放電”等因素造成的。

(4)電極損耗的影響。由于電極損耗而形成錐度,這種錐度反映到工件上,就形成了加工斜度。

(5)工作液臟污程度的影響。工作液越臟,“二次放電”的機會就越多,同時由于間隙狀態(tài)惡劣,電極回升的次數(shù)必然增多。這兩種情況都將使加工斜度增大。

(6)沖油影響。采用沖油加工時,電蝕產(chǎn)物由已加工面流出,增加了“二次放電”的機會,使加工斜度增大。

(7)加工深度的影響。隨著加工深度的增加,加工斜度也隨著增加,但不成比例關(guān)系。當(dāng)加工深度超過一定數(shù)值后,被加工件的上口尺寸就不再擴大了,即加工斜度不再增加。不同的加工對象對加工斜度的要求也不同。在型腔加工中,由于本身要求有一定的拔模斜度,則對加工斜度的要求并不嚴(yán)格。對于直壁沖模,則要求加工斜度較嚴(yán)格。只要掌握影響加工斜度的規(guī)律,即可達到預(yù)定的要求。

(8)楞角倒圓的原因及規(guī)律。電極尖角和楞邊的損耗,比端面和側(cè)面的損耗嚴(yán)重,所以隨著電極楞角的損耗導(dǎo)致楞角倒圓,加工出的工件不可能得到清楞。而且,隨著加工深度的增加,電極楞角倒圓的半徑增大。但超過一定加工深度,其增大的趨勢逐漸緩慢,最后停留在某一最大值上。

楞角倒圓的原因除電極的損耗外,還有放電間隙的等距離性。凸尖楞電極由于尖角放電的等距離性,必然使工件產(chǎn)生圓角;凹尖楞電極的尖點根本不起放電作用,但由于積屑也會使工件凸楞倒圓。因此,即使電極完全沒有損耗,由于間隙放電的等距離性,仍然不可能得到完全的清楞。如果要求倒圓半徑很小,必須要縮小放電間隙。

3 航空零件電火花微精成形加工工藝的研究

電火花成形加工機床要實現(xiàn)微精加工,就要采取同步的高速處理控制技術(shù)。主要包括兩方面:一是放電控制,能準(zhǔn)確快速地檢測放電現(xiàn)象;二是驅(qū)動控制,現(xiàn)在適應(yīng)電火花成形加工的數(shù)控系統(tǒng)控制參數(shù)越來越多,實時性要求高。微精成形加工中要實時監(jiān)測放電狀態(tài)來控制伺服進給與回退,同時還要控制擺動軌跡,并要依據(jù)放電狀態(tài)的好壞來實時調(diào)整參數(shù)。另外,電火花微精成形加工的工藝性非常強,影響因素多,因此其控制軟件較復(fù)雜?；鸹ǚ烹姳旧硎禽^強的電磁干擾源,因此導(dǎo)致工況環(huán)境較惡劣。國產(chǎn)的電火花成形機床數(shù)控系統(tǒng)較之國外的數(shù)控系統(tǒng)還有一些差距,但北京市電加工研究所生產(chǎn)的N850五軸五聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形機床采用的迪蒙NC數(shù)控系統(tǒng)緊跟國外發(fā)展趨勢,其數(shù)控系統(tǒng)的功能達到了國外的先進水平。我們很多關(guān)鍵件的工藝實驗都是在該設(shè)備上完成的,某些工藝指標(biāo)已超過了國外的指標(biāo)。

阿奇夏米爾FO53HSFS電火花成形機床的電源具有的SPAC單元,即具有短路脈沖清掃功能。該單元能以特殊手段控制電源輸出,對加工間隙內(nèi)出現(xiàn)的短路、電弧予以及時清理,從而排除短路,獲得穩(wěn)定的正常加工狀態(tài)。還有諸如放電能量專家功能,使機床能根據(jù)加工狀態(tài)自行調(diào)整加工工藝參數(shù),以獲得最佳的工藝效果。這樣的控制策略在實際加工中非常有效。

4 電火花微精成形加工典型零件實驗

4.1 某航空零件

4.1.1 加工零件要求

圖1是某航空零件需電火花成形加工的局部圖。加工要求主要有:表面粗糙度 Ra0.8μm,需要很精確地確定電規(guī)準(zhǔn);加工尺寸精度要求嚴(yán)格,位置公差為±0.02mm,型槽寬度尺寸公差為±0.01mm。

圖1 某航空零件局部圖

4.1.2 電極要求及裝夾方式

(1)電極材料的選擇。選擇電極材料時應(yīng)滿足以下條件:①高導(dǎo)電性;②能有效地蝕除金屬;③較小的自身損耗;④易于加工成形;⑤電極材料應(yīng)滿足高熔點。通過對幾種電極材料熔點的對比,在實驗中選用的電極材料為銅鎢合金。

(2)裝夾方式的選擇。在夾頭選擇上,使用了EROWA的V型夾頭來裝夾電極。為了保證電極裝夾的一致性,裝夾后用千分表檢測電極的平行度和垂直度,要求所有誤差均小于0.005 mm,以保證零件尺寸的要求。

4.1.3 加工要點

(1)加工準(zhǔn)備及要求。①工作液沖刷方式:無沖液、浸油加工;②電極定位要求:A面垂直跳動小于0.005 mm;③電極選擇:單電極加工,一次加工成形;④電極更換頻率:每加工4個槽更換一次電極;⑤電極接觸零件端面對刀后移動距離:2.02mm+電極實測長度尺寸+放電間隙;⑥粗精加工電規(guī)準(zhǔn)選擇:根據(jù)型槽的面積、型槽的形狀、電極尺寸縮放量、加工表面粗糙度值等,由機床內(nèi)置的智能專家系統(tǒng)自動選擇粗精加工的電規(guī)準(zhǔn),具體電規(guī)準(zhǔn)見表 1;⑦加工方式的選擇:在兩種加工方式DOWN(直朝下)、DOWN/ORB(邊朝下邊平動)中,選擇邊朝下邊平動的加工方式。

表1 粗精加工對應(yīng)的電規(guī)準(zhǔn)值

(2)加工后存在的問題。加工后發(fā)現(xiàn)零件表面粗糙度值與試驗階段相比明顯變大,兩側(cè)銳邊出現(xiàn)微細(xì)鋸齒邊,銳邊尖角處出現(xiàn)R圓弧(最大達R 0.36 mm,但要求尺寸為R 0.1mm),尺寸2.02±0.02 mm偏大,見圖2。

圖2 加工后狀態(tài)

(3)問題的分析。加工后的主要問題是表面粗糙度值過大,銳邊出現(xiàn)鋸齒,并有燒蝕現(xiàn)象,且尖角處R很大。由于零件加工部分厚度只有1.3 mm,在電規(guī)準(zhǔn)294的粗加工下,大部分余量已被燒蝕掉了,雖然之后有小規(guī)準(zhǔn)的精加工,但其所用的小規(guī)準(zhǔn)加工時間非常短。在對兩次加工中每個電規(guī)準(zhǔn)的加工時間統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn),粗加工電規(guī)準(zhǔn)294的加工時間占總加工時間的70%以上,而精加工電規(guī)準(zhǔn)180加工時間只有不到5min,總加工耗時為36 min。在這樣短的加工時間內(nèi),要達到搖動修整表面的目的,顯然是不可能的。

(4)通過大量的工藝探索和參數(shù)校正實驗后,得出以下幾點體會:①表面粗糙度值與粗加工參數(shù)選擇密切相關(guān)。以往粗加工最大規(guī)準(zhǔn)選為294,加工能量大,對應(yīng)的表面粗糙度值為 Ra2.8μm。實際加工過程中,在加工初期階段,電極與工件的接觸不是面接觸,而是線接觸。若電規(guī)準(zhǔn)偏大,勢必導(dǎo)致單位面積內(nèi)放電能量過大,有些零件甚至出現(xiàn)積碳和燒傷,在顯微鏡下放大30倍能明顯發(fā)現(xiàn)重熔層和型槽的上邊緣處的鋸齒。測量后發(fā)現(xiàn)表面粗糙度值超差。②通過增加平動方式修整零件表面。經(jīng)仔細(xì)分析后,可將電參數(shù)適當(dāng)減少,從中選出一個粗加工參數(shù)和一個精加工參數(shù)進行加工。但由于參數(shù)的減小使電極單邊放電間隙也一并減小了,這有可能導(dǎo)致型孔尺寸的縮小,達不到圖紙要求。因此,必須加上平動方式來彌補。在平動量的選擇方面,以往加工中平動量選擇為:粗加工不平動,精加工小量平動。③電極尖點修復(fù)。粗加工電規(guī)準(zhǔn)232在銅鎢合金/鋼工藝曲線圖表中,相對體積損耗1%～5%的等損耗區(qū)內(nèi)。但由于加工初期電流密度過大,且在大電規(guī)準(zhǔn)下,尖端損耗尤為明顯,電極尖點處就已出現(xiàn)圓弧了。再繼續(xù)進行加工,雖然兩銳邊的位置沒變,但實際加工出來的型槽與零件定位面的距離卻增加了(圖3)。尖點處圓弧的出現(xiàn)和尺寸2.02 mm的超差,所以在精加工完后,必須再增加角度鎖定指令,采用ANGUL模式平動方式加大平動量來修正角部。

圖3 電極損耗后的尺寸變化

4.1.4 整改后效果

在修補已加工的型槽時,對已修復(fù)試驗件在30倍顯微鏡下觀測,發(fā)現(xiàn)孔壁上無明顯重熔層,銳邊清晰可見,尖角處 R為0.006 mm,表面粗糙度值為Ra0.8μm,尺寸2.02±0.02mm的實測值為2.005～2.025mm,符合設(shè)計圖要求(圖4)。

4.2 某機動環(huán)零件

4.2.1 零件加工要求

圖4 優(yōu)化參數(shù)后的型孔照片

某機動環(huán)零件在成品規(guī)范中分解為兩道工序 :第一道工序為電火花加工窄槽(圖5),尺寸1mm,深 0.6mm,數(shù)量 30個;第二道工序為電火花加工貯油槽槽型(圖 6),φR1、φR2的型槽深0.01mm,精度達到微米級,對電火花加工而言,屬于精密加工范疇。

前期主要對工裝、電極、設(shè)備3類做了細(xì)致的技術(shù)分析和生產(chǎn)準(zhǔn)備。

圖5 機動環(huán)零件窄槽

4.2.2 加工要點

4.2.2.1 工裝

工裝分兩部分:用于零件裝夾定位的定位夾具和用于電極連接的夾持工裝。

定位夾具是由于圖紙尺寸和設(shè)計尺寸要求極嚴(yán),無法制造取消了可拆卸的定位夾具,改為直接定位在機床臺面上。電極的夾持工裝是電極夾持及電極修整的關(guān)鍵附件。在電火花成形加工中,由于電極型面尺寸較小,無法找正,需要制造一個附加基準(zhǔn)(隨行夾具),并保證夾具和電極之間的連接可靠。在電火花線切割加工直至最后電火花成形加工時都以此為定位基準(zhǔn)。這種隨行夾具由于采用統(tǒng)一基準(zhǔn)的原理,故可控性和重復(fù)性好,裝拆過程無需調(diào)整可保證位置精度,減小了輔助調(diào)整時間。鑒于隨行夾具的特點,我們選擇了這種方便的快速可換夾具。這種夾具由若干卡盤和夾頭組成?？ūP最少放置兩個,一個用于電極制造可安裝在電火花線切割機床上,另一個安裝在電火花成形機床上加工工件。

圖6 機動環(huán)零件貯油槽

使用快換夾具的作用和優(yōu)點:

(1)定位精度高,安裝簡單方便?？烧{(diào)夾具是由操作者憑經(jīng)驗校正電極相對工件的垂直度和平面度。如果電極外形規(guī)則,操作較容易,但費時間。我們使用的電極形狀復(fù)雜且型面較小,不易裝夾。把夾持部分做成較大方形,鑲?cè)肟鞊Q夾具的定位板里,操作者僅按定位板找正相對工件的位置即可。

(2)自動化程度高,縮短裝夾和待機時間。由于電極采用快換夾具進行裝夾、校正和加工。電極在電火花線切割加工后,測出加工中的定位誤差,通過程序編制,隨電極一起送到電火花成形加工機床上,在加工中進行補償。由此可見,快換夾具能節(jié)省調(diào)整時間,簡化安裝校正過程,提高定位精度。重復(fù)定位精度可控制在2μm,滿足定位夾緊及圖紙要求。

4.2.2.2 電極

在銅、石墨、銅鎢合金這3種常用電極材料中選擇。由于銅電極相對損耗大,銅鎢合金雖損耗小但制造較困難,故選擇了EDM-AF-5、平均粒徑小于1 μm的POCO石墨電極。該電極具有強度高、加工表面粗糙度值小、加工速度高、損耗低的特點,適合動環(huán)這類特別精細(xì)且精度要求很高的零件,加工后效果良好。

4.2.3 參數(shù)選擇

加工表面要求高的零件,在參數(shù)選擇上需采用無損耗的參數(shù)進行加工。無損耗加工即損耗率不大于1%,要實現(xiàn)這個目的,必須使用電極正極和長脈寬進行加工,而間歇應(yīng)該設(shè)置為能保持穩(wěn)定加工的最小值。電極進入無損耗狀態(tài)后,表面就覆蓋上銀色的涂層,這是工件金屬附著在上面的結(jié)果。如果覆蓋太厚了,則會使電極變大,在其表面形成凸起,并改變它的形狀(圖7)。要滿足以上要求,就要使用短脈寬、低能量,這樣在工件表面上形成的蝕坑較小。因此,電參數(shù)選擇:ON為20,OFF為40,IP為2.0。

圖7 過多的覆蓋物在電極表面形成凸起

4.2.4 加工后效果

加工后,對零件的30個貯油槽逐一進行了檢查,尺寸范圍控制在0.020～0.018 mm,表面粗糙度值為Ra1.6μm,符合設(shè)計圖要求,達到了預(yù)期的效果。

5 總結(jié)

在實際加工中,一般通過大功率、粗加工的規(guī)準(zhǔn)來解決加工速度的矛盾,而用小能量脈沖規(guī)準(zhǔn)的中、精加工解決表面粗糙度的矛盾。目前,為了解決加工表面粗糙度和加工速度的基本矛盾,有的采用將一個脈沖能量分散為若干個通道、同時在多點放電的方法,但實際應(yīng)用中多回路加工法的電極制造困難,電氣系統(tǒng)也較為復(fù)雜,一些形狀復(fù)雜的工具電極也難以分割。

[1] 曹鳳國等.電火花加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.