航空精密工件電火花加工微型方窗口研究

北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科有限公司（102200) 呂紅梅 張 喆 李 歡

一、問(wèn)題的提出

在航空航天領(lǐng)域中，細(xì)長(zhǎng)桿類(lèi)零件的應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常作為活塞桿、間隙活門(mén)等使用，它們?cè)谌加驼{(diào)節(jié)器中起著十分重要的作用。但是它的高精度要求和微型窗口也給我們的加工帶來(lái)了很大困難。對(duì)于一般窗口我們采用銑床或加工中心加工，精密窗口一般采用高精度線(xiàn)切割機(jī)床加工，但對(duì)于微小方窗口本文主要介紹電火花機(jī)床的加工方法。

XX軸是某型號(hào)燃油調(diào)節(jié)器關(guān)鍵零組件，同時(shí)其組件也是某航空型號(hào)產(chǎn)品中的重要件。離心飛重伺服系統(tǒng)、加速三維凸輪及轉(zhuǎn)速設(shè)定三維凸輪均安裝于其上，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

具體工作原理:軸組件內(nèi)部為典型噴嘴-擋板控制機(jī)構(gòu)，定壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流器變成伺服油，伺服油通過(guò)出油窗口流入低壓腔。離心飛重感受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，向上輸出軸向力，推動(dòng)分油活門(mén)組件向上移動(dòng)，以改變出油窗口開(kāi)度來(lái)改變伺服腔油壓，帶動(dòng)加速三維凸輪及轉(zhuǎn)速設(shè)定三維凸輪軸向移動(dòng)，以給出適合發(fā)動(dòng)機(jī)要求的燃油流量。微型窗口在這里起了非常大的作用。

圖1

XX軸零件結(jié)構(gòu)如圖2所示，在外圓上有3個(gè)徑向窗口，窗口特別小，長(zhǎng)度(0.7±0.1)mm，寬度 (1.6±0.12)mm，而且最關(guān)鍵的是窗口拐角處要求尖邊R0.05max。

圖2

窗口在圓周方向上均布，窗口尺寸小，用銑床和加工中心銑削的辦法刀具無(wú)法制作，線(xiàn)切割機(jī)床切孔無(wú)法實(shí)現(xiàn)在圓周上的均布，且并非是通孔，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法都達(dá)不到零件的設(shè)計(jì)需求。電火花加工的工藝特點(diǎn)是利用極間火花放電時(shí)產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，靠高溫熔化和汽化金屬進(jìn)行蝕除加工。一般使用較軟的純銅等電極，對(duì)任何導(dǎo)電的難加工材料 (硬質(zhì)合金、耐熱合金、不銹鋼及淬火鋼等，用普通方法難以加工或無(wú)法加工)進(jìn)行加工，以達(dá)到以柔克剛的效果。由于電火花加工是一種非接觸式加工，加工時(shí)不受工具和工件剛度限制，因而有利于實(shí)現(xiàn)微細(xì)的窗口加工。但加工時(shí)因尖邊放電現(xiàn)象，工具電極會(huì)產(chǎn)生損耗，R0.05mm處電極磨損最快，這會(huì)影響加工精度，導(dǎo)致R0.05mm超差。而且零件是氮化零件，在加工時(shí)，窗口處總有崩邊現(xiàn)象。尖邊倒圓過(guò)大和窗口崩邊，都嚴(yán)重影響該型號(hào)泵的調(diào)試參數(shù)。試制階段首批加工完后，試驗(yàn)時(shí)參數(shù)不達(dá)標(biāo)，全部報(bào)廢。如何解決高硬度微型窗口尖邊加工的問(wèn)題，已經(jīng)迫在眉睫。

二、問(wèn)題的解決

通過(guò)對(duì)首批大量試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納教訓(xùn)，嘗試通過(guò)以下3個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整和改善。

1.多電極更換法加工

根據(jù)零件加工的特點(diǎn)和需求，我們采用了多電極更換法。多電極更換法是指根據(jù)1個(gè)型腔在粗、中、精加工中放電間隙各不相同的特點(diǎn)，采用幾個(gè)不同尺寸的工具電極完成1個(gè)型腔的粗、中、精加工。在加工時(shí)，首先用粗加工電極蝕除大量金屬，然后更換電極進(jìn)行中、精加工 (見(jiàn)圖3);對(duì)于加工精度高的型腔，往往需要較多的電極來(lái)精修。

圖3

多電極更換加工法的優(yōu)點(diǎn)是仿形精度高，尤其適用于尖角、窄縫多的型腔模加工。它的缺點(diǎn)是需要制造多個(gè)電極，并且對(duì)電極的重復(fù)制造精度要求很高。另外，在加工過(guò)程中，電極的依次更換需要有一定的重復(fù)定位精度。

2.電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選取

為了降低在精加工時(shí)電極的磨損，我們?cè)诖旨庸r(shí)選用普通的純銅作為電極材料，精加工時(shí)選用了材料較硬的銅鎢合金材料作為電極，以減少精加工時(shí)電極尖邊處的磨損。確立了加工方法后，我們根據(jù)多電極更換法的加工特點(diǎn)，來(lái)設(shè)計(jì)電極的結(jié)構(gòu)和尺寸，圖4所示是粗、精加工分別設(shè)計(jì)的電極尺寸。

3.加工參數(shù)的優(yōu)化

圖4

工具電極與工件表面之間保持一定的放電間隙，通常是幾微米至幾十微米。如果間隙過(guò)大，極間電壓不能擊穿間介質(zhì)，則不會(huì)產(chǎn)生電火花放電;如果間隙過(guò)小，很容易造成短路。在設(shè)計(jì)電極時(shí)，間隙大小對(duì)形狀精度也有影響，間隙越大，則復(fù)制精度越差，特別是對(duì)復(fù)雜形狀的加工表面。如電極為尖角時(shí)，而由于放電間隙的等距離，工件則為圓角。因此，為了減少加工尺寸誤差，應(yīng)該采用較弱小的加工規(guī)準(zhǔn)，縮小放電間隙，另外還必須盡可能使加工過(guò)程穩(wěn)定。放電間隙在精加工時(shí)一般為0.01～0.1mm，粗加工時(shí)可達(dá)0.5mm以上。針對(duì)此類(lèi)零件的特點(diǎn)，分粗加工和精加工，粗加工時(shí)選取放電間隙是0.05mm，精加工時(shí)選取放電間隙是0.02mm。其他加工參數(shù)可參考一下數(shù)據(jù):

(1)脈沖寬度 (TA) 一般來(lái)說(shuō)，在峰值電流一定的條件下，脈寬越大，表面粗糙度越差，但電極損耗越小，所以粗加工時(shí)選擇600μs;精加工時(shí)逐漸減小選擇200μs。

(2)脈沖間隔 (TB) 脈間增大時(shí)，電極損耗會(huì)增大，但有利于排渣。本機(jī)設(shè)有EDM自動(dòng)匹配功能，一般情況下脈間由自動(dòng)匹配而定，若發(fā)現(xiàn)積碳較重時(shí)可將自動(dòng)匹配后的脈間再加大一檔。例如自動(dòng)匹配后的脈沖間隔為3μs，我們選擇改為4μs。

(3)高壓電流 (BP) 高壓脈動(dòng)的主要作用是形式先導(dǎo)擊穿，有利于加工穩(wěn)定和提高加工效率。一般加工時(shí)高壓電流選為0～2A，在加工大面積或深孔時(shí)可適當(dāng)加大高壓電流，以利于加工穩(wěn)定和提高加工效率。加工時(shí)我們選擇高壓電流選1A。

(4)低壓電流 (AP) 在脈寬和脈間一定時(shí)，低壓電流增大，加工速度提高，電極損耗增大。低壓電流的選擇因根據(jù)電極放電面積而確定，若電流密度過(guò)大，則容易產(chǎn)生電弧燒傷，因此一般選擇低壓電流，使得通過(guò)電極加工表面每平方厘米面積的電流不超過(guò)6A，我們選擇4A。

(5)間隙電壓 粗加工時(shí)選取較低值，以利于提高加工效率;精加工時(shí)選取較高值，以利于排渣，一般情況下由EDM自動(dòng)匹配即可。

(6)伺服敏感度 機(jī)頭上升、下降時(shí)間一般由EDM自動(dòng)匹配，在積碳嚴(yán)重時(shí)，可以減少下降時(shí)間或加大上升時(shí)間來(lái)解決。

(7)編制程序 程序如下:

最后精打參數(shù):

三、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次調(diào)整加工參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)，最終零件的窗口加工效果良好，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)圖要求，并保證不會(huì)在窗口邊緣崩邊。

在電火花成形加工領(lǐng)域，微型加工和尖邊加工是普遍存在的加工難題。本文針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，以某一航空部件為例，對(duì)電加工的方法和電極設(shè)計(jì)加工參數(shù)等方面進(jìn)行闡述，在其他特種加工行業(yè)可進(jìn)行引用和推廣。