浮動壁火焰筒電火花加工工藝

沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司（遼寧 110862）許 帥 于 冰

火焰筒是燃燒室的承溫部件，筒體壁上開有各種功能孔實現(xiàn)在其間氣液兩相流穩(wěn)定高效的燃燒，并與冷氣摻混，滿足出口溫度分布需要，同時壁面采取有效的冷卻防護措施，防止燒壞。為了保證各種功能孔的使用效果，尤其是分布在筒體壁上沖擊孔的冷卻效用，對沖擊孔、對流孔等制造技術(shù)提出了更高的要求。

國內(nèi)外普遍認為機械小孔加工難度較高，是精密加工領(lǐng)域的難題?，F(xiàn)代航空發(fā)動機上要求在難加工材料上加工小孔越來越多，如燃燒室火焰筒上的沖擊孔、渦輪葉片氣膜孔、發(fā)動機噴嘴上的噴油孔，以及渦輪靜子葉片上的各類型孔和型槽等，這些小孔都是分布在錐面及空間面上，難于機械加工。

目前，國內(nèi)外針對燃燒室火焰筒筒體壁上呈空間角度分布的沖擊孔，大多采用激光的方式進行加工，其能力較強，成本低，生產(chǎn)效率也高。但是由于激光的燒熔作用，孔內(nèi)表面粗糙度不均勻，形成較厚的重熔層，實際測量的孔直徑要小于孔的實際通流直徑，且激光加工后小孔下方端口留有熔瘤堆積，上方端口邊緣毛刺眾多，后期需要進行人工打磨處理，大大增加了工作量，反而降低了生產(chǎn)效率。為了更有效地解決激光加工后遺留的質(zhì)量隱患，加工出高質(zhì)量的沖擊孔，從而提出了電火花加工。

一、浮動壁式火焰筒沖擊孔加工工藝分析

1.浮動壁式火焰筒簡介

浮動壁式火焰筒具有拆卸和維護方便、冷卻效果好、使用壽命長及可明顯改善溫度分布等優(yōu)勢，能夠滿足第四代航空發(fā)動機對燃燒性能提高的要求。但這種結(jié)構(gòu)的火焰筒給制造技術(shù)帶來一定的困難，如變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu)的火焰筒剛性差、尺寸精度高，尤其是內(nèi)外筒體壁上上萬個沖擊孔和瓦片裝配定位孔的定位精度及加工技術(shù)等。另外，火焰筒的壁溫問題也尤為顯著，目前解決發(fā)動機火焰筒的冷卻問題，主要采取沖擊－對流－氣膜復(fù)合冷卻的浮動壁式壁面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的冷卻效果直接取決于浮動瓦片上的氣膜孔與筒體壁上的沖擊孔能否形成對流效應(yīng)，除了要求浮動瓦片型面、定位螺栓、對流孔和擾流柱精鑄的相對位置要非常精確外，還要求筒體壁上的浮動瓦片裝配定位孔和沖擊孔的相互位置也要非常精確，同時，沖擊孔的加工質(zhì)量也尤為重要，它將直接影響到氣膜冷卻的效果。

針對上述筒體壁上的浮動瓦片裝配定位孔和沖擊孔的相互位置精確度及沖擊孔的加工質(zhì)量要求，通過大量工藝試驗，確定沖擊孔的加工方法，完善工藝路線，保證火焰筒的使用壽命，從而提高發(fā)動機性能。

2.浮動壁式火焰筒沖擊孔加工技術(shù)的比較分析

孔加工是機械加工中占比例較大的一種重要加工工序。隨著高硬度、高強度難加工材料的發(fā)展，對孔的加工需求也逐漸增多。機械加工浮動壁式火焰筒沖擊孔難度較高，采用電火花、電液束、激光等特種加工技術(shù)，均可解決沖擊孔加工的難題，滿足精尖端制品對沖擊孔加工的需要。沖擊孔的加工主要有以下幾種方式：

（1）高速電火花小孔加工（High-speed small hole ED Drilling）高速電火花小孔加工是在旋轉(zhuǎn)的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時保持高電流密度連續(xù)正常放電。其加工速度一般可達60mm/min，比機械鉆削小孔快得多。多軸數(shù)控電火花高速打孔機在近幾年的發(fā)展速度非常之快，不僅可實現(xiàn)空間多個自由度的要求，而且加工質(zhì)量也高，能夠滿足各類零件的生產(chǎn)需要。

（2）電液束加工 電液束加工是將具有一定壓力的電解液通過電極（陰極），經(jīng)絕緣玻璃噴嘴形成一束射流噴向工件（陽極），同時在工件和電極之間施壓高電壓，使工件上被電解液噴射的材料部分溶解去除而進行的加工方法。其特點有：①“三無”，即無重熔層，無微裂紋，無熱影響區(qū)。② 具有可達性，表面完整性好，深徑比大。③ 電液束加工的孔進出口光滑、無毛刺，表面粗糙度值低。④ 與傳統(tǒng)電解電工工藝相比，可以加工更小的孔。

然而，電液束加工用的電極設(shè)計要求高，制造成本也高，且目前國內(nèi)沒有適合加工大零件用的多軸數(shù)控聯(lián)動的電液束加工機床。

（3）激光加工 激光加工是將激光束照射到加工物體的表面，產(chǎn)生光輻射加熱作用，從而去除或熔化材料以及改變物體表面性能，達到加工目的。其加工特點速度快，效率高，無宏觀作用力，然而激光加工后小孔下方端口有熔瘤堆積，表面粗糙度值較高。

本課題以多軸數(shù)控電火花小孔加工設(shè)備為平臺，采用電火花高速打孔技術(shù)對火焰筒內(nèi)外環(huán)沖擊孔進行加工。其優(yōu)勢是加工精度高（圓度和尺寸精度高），孔內(nèi)表面粗糙度均勻，無需后續(xù)的人工處理，節(jié)省了大量人力，提高了生產(chǎn)效率并保證了氣膜冷卻效果。

二、電火花高速打孔工藝方案的論證

火焰筒內(nèi)外環(huán)采用GH3536材料，該材料機械切削性能差，且零件上設(shè)計了上萬個沖擊孔，孔徑尺寸為φ1.1～φ1.8mm不等，位置精度要求高，給加工帶來很大的困難。原采用激光加工，孔的加工質(zhì)量較差，本課題通過對浮動壁式火焰筒內(nèi)外環(huán)沖擊孔電火花加工技術(shù)的研究，實現(xiàn)對原有激光加工工藝的替代，以解決激光加工后遺留的質(zhì)量隱患，提高沖擊孔的加工質(zhì)量，保證零件的使用性能。

1.電火花打孔工藝試驗

（1）工藝試驗研究對象 本試驗采用浮動壁火焰筒作為研究對象，火焰筒是燃燒室的核心構(gòu)件，一般都是用1.0～2.0mm厚的耐熱合金板碾焊拼成的幾段圓筒。本試驗采用電火花加工技術(shù)針對火焰筒壁上的沖擊孔進行加工，從而達到火焰筒對氣膜冷卻效果的要求。圖1所示為火焰筒內(nèi)環(huán)模型，圖2所示為火焰筒外環(huán)模型。

圖1 火焰筒內(nèi)環(huán)模型

圖2 火焰筒外環(huán)模型

（2）電極結(jié)構(gòu) 火焰筒內(nèi)外環(huán)上分布的上萬個沖擊孔孔徑尺寸分為7種規(guī)格，分別為φ1.1mm、φ1.2mm、φ1.3mm、φ1.4mm、φ1.5mm、φ1.7mm和φ1.8mm。由于沖擊孔孔徑尺寸各不相同，所以電極的尺寸也選取不同的規(guī)格，并且配套選取電極導(dǎo)套（導(dǎo)向器）規(guī)格。

（3）進行GH3536材料的電加工性能工藝試驗 設(shè)計7組與火焰筒壁厚一樣且材料相同（GH3536材料）的試片進行電火花小孔加工試驗，每一組試片對應(yīng)一種沖擊孔的孔徑進行試驗，從而確定這種孔徑的電極尺寸。具體試驗結(jié)果如表1所列。

表1 7種沖擊孔孔徑電極尺寸的確定情況 (單位：mm)

（4）正交試驗優(yōu)化工藝參數(shù) 本試驗在高壓電流和沖液壓力保持恒定的狀態(tài)下設(shè)計了加工電流（平均電流）、脈沖寬度、脈沖間隔和伺服進給速度為高速電火花小孔加工的4個工藝參數(shù)，每個工藝參數(shù)取3個水平，構(gòu)成L9（34）正交試驗表進行正交試驗。

再將正交試驗優(yōu)選出的7組最優(yōu)水平組合參數(shù)應(yīng)用于浮壁式火焰筒沖擊孔電火花加工的驗證試驗中，并針對每種孔徑的沖擊孔加工，各自再選取出一組較好的參數(shù)組合，與正交試驗優(yōu)選出的最優(yōu)水平組合參數(shù)進行比較驗證，表2中單數(shù)試驗號分別為7種孔徑正交試驗優(yōu)選出的最優(yōu)水平組合參數(shù)，偶數(shù)試驗號則為對應(yīng)孔徑試驗加工中經(jīng)驗較好的參數(shù)組合（詳見表2）。

表2 7種孔徑參數(shù)組合的驗證試驗

利用上述14組參數(shù)分別在14個試片上進行對應(yīng)孔徑的沖擊孔加工，并將加工完成后的每一個試片上的20個沖擊孔進行重熔層厚度檢查，對檢查結(jié)果進行比較分析。由重熔層平均厚度值分析可得，每種孔徑?jīng)_擊孔的兩組參數(shù)組合中單數(shù)試驗號的試驗結(jié)果為該沖擊孔的理想?yún)?shù)組合，同時也是正交試驗優(yōu)選出的兩組最優(yōu)水平組合，該結(jié)論驗證了正交試驗的理論結(jié)果。

2.加工程序的驗證

火焰筒筒體直徑尺寸很大，壁薄、剛性差，如果一排一排地加工沖擊孔，極難保證一萬多個沖擊孔的位置度要求，所以采取特殊的加工方式，分別將整個內(nèi)、外環(huán)筒體按照瓦塊的裝配關(guān)系各劃分成60個扇形區(qū)域（浮動壁式火焰筒由120塊鑄造耐熱合金“瓦片”襯附在整塊冷壁板內(nèi)，具有極好的耐高溫和熱疲勞性能。內(nèi)、外環(huán)形壁板內(nèi)各襯5排“瓦片”，每排12塊），每個扇形區(qū)域都比較小，所以沖擊孔的偏離就不會太嚴重。利用UG建模確定每個扇形區(qū)域中所有沖擊孔的空間位置，即孔的中心線分別在筒體壁外壁面上X1、Y1、Z1值和筒體壁內(nèi)壁面上的X2、Y2、Z2值，以便生成加工程序。

整個加工程序編制過程復(fù)雜，加工要素繁多，且加工程序為高級語言編制，分為兩個部分，第一部分是探頭程序，用于檢測沖擊孔位置度及確定零點；另一部分是打孔程序，加工單個扇形區(qū)域的沖擊孔。為了保證筒體壁上沖擊孔和瓦塊裝配定位孔的位置精度要求，需要重復(fù)找正60次才能加工出一個零件，雖然增加了加工周期，但卻保證了加工質(zhì)量，提高了位置精度。

3.加工質(zhì)量分析與檢查

對加工后的沖擊孔進行孔徑尺寸、位置度、加工質(zhì)量的檢查，加工質(zhì)量包括孔型的圓整度，重熔層厚度以及孔口邊的光滑程度（是否存有毛刺）。由于孔的加工是相對于瓦塊分區(qū)進行加工的，故孔的位置度檢查也應(yīng)分區(qū)檢查。圖3、圖4所示為表1中φ1.16mm和φ1.66mm兩組電極及參數(shù)加工后的小孔金相檢查結(jié)果，由圖片觀察可得重熔層厚度較薄，表面質(zhì)量也較好。

圖3 φ1.16mm小孔金相檢查結(jié)果

圖4 φ1.66mm小孔金相檢查結(jié)果

三、結(jié)語

本文主要針對浮壁式火焰筒沖擊孔加工的技術(shù)問題，提出了高速電火花小孔加工的工藝方案，開發(fā)出相應(yīng)的加工程序以及運用正交試驗法優(yōu)化工藝參數(shù)，并通過試驗驗證了加工程序和加工工藝的可行性。本文完成了有特色的研究工作：

（1）對浮壁式火焰筒的結(jié)構(gòu)特點及工藝特性進行研究，提出高速電火花小孔加工工藝方案。

（2）研究了浮壁式火焰筒沖擊孔的分布結(jié)構(gòu)和工藝要求，開發(fā)出連續(xù)完整的加工程序。

（3）運用正交試驗法對加工參數(shù)進行優(yōu)化，確定加工質(zhì)量最優(yōu)的參數(shù)組合。

（4）通過分析檢測報告及結(jié)果顯示，再次確認了工藝路線，驗證工藝方案的可行性。