探究航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔特種加工技術(shù)

樊文澤

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 010051）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)的零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，均承受一定的溫度與應(yīng)力，故此一定要選用特殊材料去制造，同時(shí)在這些零件上制造出很多發(fā)汗孔，以冷卻散熱。航天航空事業(yè)的發(fā)展，其對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能提出的標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，此時(shí)零件的孔加工技術(shù)應(yīng)作出相應(yīng)改進(jìn)，但是鈦合金、高溫合金、不銹鋼等難加工材料的微小孔加工難題尚未有效處理。筆者總結(jié)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)幾種較為常見(jiàn)的小孔特種加工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探究。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔的基本特征與要求

1.1 材料特殊

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的零部件長(zhǎng)期處于高溫高熱環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)，故此需選用特殊材料制造。常見(jiàn)的有溫耐熱合金、鈦合金。但是因?yàn)樯鲜霾牧享g性大，機(jī)械加工效果欠佳，對(duì)刀具材質(zhì)提出較高要求，加工效率無(wú)法得到保障的同時(shí)，也耗用大量人力資源，故此對(duì)深小孔需采用特殊加工工藝手段。

1.2 表面要求質(zhì)量高

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件在作業(yè)期間會(huì)承受很大應(yīng)力，故此對(duì)其表面質(zhì)量提出較高要求。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)均對(duì)零件表面質(zhì)量做出嚴(yán)格規(guī)定。傳統(tǒng)的金屬切削加工叫做A類加工法，電火花加工叫做B類加工法，因?yàn)楹笠患庸し椒ù嬖谧冑|(zhì)層，故此若將B類加工法設(shè)為前道工序加工，那么務(wù)必將A類加工法為最終的加工工序，以去除變質(zhì)層。但是由于制造材料的特殊性，采用A類加工法很難獲得預(yù)期效果。小孔表層質(zhì)量要求有：①重熔層一定要處于限定范圍中；②不能存有燒傷；③不能存有微裂痕。

1.3 孔的精度要求高

發(fā)汗孔對(duì)孔徑尺寸與孔精度均提出相應(yīng)要求，通常在數(shù)十微米內(nèi)。但由于部分孔深相對(duì)較大，電火花加工技術(shù)在應(yīng)用期間會(huì)產(chǎn)生諸多不確定因素，對(duì)孔的精確產(chǎn)生負(fù)面影響，故此制造出符合孔的精度要求目標(biāo)也不易達(dá)成。對(duì)零件孔精度產(chǎn)生影響的因素多種：①極的側(cè)面及端面破損；②加工期間的二次放電；③工作液壓力、溫度、電導(dǎo)率數(shù)值的變化；④加工縫隙中的污物，易引發(fā)路、燒弧、積碳等現(xiàn)象；⑤脈沖電源的電壓變化；⑥電極插入深度等。

1.4 孔的形狀要求

發(fā)汗孔多數(shù)是圓孔，可以直接應(yīng)用圓電極加工，但也存在形孔、三角孔、長(zhǎng)方孔，此時(shí)就需采用特殊的加工技術(shù)。有報(bào)道顯示，燃?xì)廨啓C(jī)葉片的散熱孔具有一定深度，可達(dá)到500～800mm，應(yīng)用圓截面，且順沿其軸向還應(yīng)用了竹節(jié)狀，即孔的直徑粗細(xì)一致。

2 小孔特種加工技術(shù)

2.1 高能束流加工技術(shù)

該工藝手段應(yīng)用高密度能量的激光束、電于束或離子束等，采用熔融方式，去掉工件材料。激光和電子束加工方法，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔加工領(lǐng)域。激光基本上可以在任何材料上加工小孔，具有速率快、效率高以及可以在形體易發(fā)生改變的材料上加工等優(yōu)勢(shì)。但是采用該技術(shù)加工的零件孔，表明粗糙度難以符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，弧度欠佳、可能會(huì)產(chǎn)生喇叭狀，甚至在被加工零件表面滯留面積加大的再鑄層或熱影響產(chǎn)物。激光加工技術(shù)應(yīng)用期間，零件孔經(jīng)高達(dá)4～5μm，深徑比高于10，加工精度通常低于IT8級(jí)，表面粗糙度通常低于R03.2μm 。激光加工技術(shù)通常應(yīng)用在超硬或絕緣材料上，對(duì)精度、表面質(zhì)量與結(jié)構(gòu)完整性沒(méi)有提出苛刻要求的大量群孔的加工領(lǐng)域中。

電子束小孔是借用聚焦的高速電子流，促使工件上的受沖擊點(diǎn)熔化與汽化，為有效規(guī)避電子束和氣體分子觸及而生成散射，該工藝手段對(duì)加工環(huán)境提出較高要求，即在真空室中進(jìn)行。當(dāng)下電子束斑點(diǎn)的最小規(guī)格為0．013～0．025mm，加工孔徑范疇為φ0．025mm（厚度為0．02mm 時(shí)）～φ1mm（厚度為5mm時(shí)），孔的錐度通常是1°～2°，材料去皮效率最高為40mm3/s，加工精度可達(dá)±0．025mm，表面粗糙度可達(dá)，但是在加工表層可能會(huì)產(chǎn)生一層厚度為0．025mm左右的再鑄層或熱影響產(chǎn)物。故此，電子束技工技術(shù)適用于中小型構(gòu)件上數(shù)目繁多、缺乏表面完整性硬性規(guī)定的加工領(lǐng)域中，例如測(cè)流孔等微小孔的加工。

2.2 電化學(xué)加工技術(shù)

電化學(xué)加工技術(shù)是采用電化學(xué)反應(yīng)去除工件材料或在其表皮上鑲鍍金屬材料等的特種加工技術(shù)，其中電液束、照相電解、電噴射電解等工藝技術(shù)等在航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔加工中有較廣泛應(yīng)用。

電液束（ESD）加工小孔技術(shù)是在毛細(xì)管電解加工技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，其特征是采用高電壓與酸性電解液加工直徑相對(duì)較小的發(fā)汗孔，電液束的加工工具為專門(mén)制造的玻璃管?chē)娮欤渲睆铰孕∮诩庸た讖?。此外，噴嘴中或管腔中存有一根電極，以確保和酸性電解液觸及并有電流通行。電液束能夠在導(dǎo)電耐蝕材料上加工直徑φ（0．2～1．0）mm的小孔，深徑通常是普通小孔的50倍左右，加工給進(jìn)速率高達(dá)0．76～4．6mm/min，孔徑加工精度可達(dá)到±0．025mm，表面粗糙度區(qū)間為R0(0.4～1.6)μm 。電液束適用于具有高表面完整性標(biāo)準(zhǔn)的、由耐腐蝕材料制造的零件上大深徑比小孔加工領(lǐng)域中。

2.3 電火花加工技術(shù)

電火花加工是采用工件與工具電極間的放點(diǎn)，進(jìn)而有控制的去除工件材料，并能夠促使材料形體、性能與鍍層發(fā)生改變。當(dāng)下，電火花成型、高速電火花穿孔與線切割加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔制造領(lǐng)域中有所應(yīng)用。本文僅對(duì)電火花成型加工技術(shù)進(jìn)行闡述。

電火花成型為在工件與工具存留一定絕緣介質(zhì)狀態(tài)下，采用兩極板將形成脈沖性火花放電現(xiàn)象，促使導(dǎo)電材料被順利除掉，實(shí)現(xiàn)加工目標(biāo)。該加工技術(shù)通過(guò)對(duì)電極材料、工藝參數(shù)、排屑方式等內(nèi)容的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電材料上多類孔精確加工。電火花成型加工技術(shù)的孔徑最小值為φ．03mm，表面粗糙度可達(dá)到R00.1μm ，加工精度可達(dá)0．005mm，深徑比可達(dá)30。電火花成型加工技術(shù)屬于熱熔加工技術(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)形成再鑄層，電流、波形等工藝參數(shù)對(duì)再鑄層厚度產(chǎn)生影響。電火花成型技術(shù)多應(yīng)用在復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面完整性要求較低的單獨(dú)，以及大批量的精密型發(fā)汗孔加工領(lǐng)域中。

3 小孔特種加工技術(shù)的發(fā)展趨向

3.1 自動(dòng)化裝備技術(shù)的廣泛應(yīng)用

伴隨著工藝裝備自動(dòng)化水平提升進(jìn)程，高性能控制系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程也被推進(jìn)，協(xié)助小孔特種加工技術(shù)在應(yīng)用期間外界不確定因素影響大幅度減少，小孔加工效率與質(zhì)量同步提升。

3.2 不同小孔特種加工技術(shù)復(fù)合化

面對(duì)具有特殊要求的型孔，單一加工技術(shù)的應(yīng)用難以滿足所有標(biāo)準(zhǔn)，需要有兩種或兩種以上的工藝技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，以獲得較為理想效果。例如高能束流加工技術(shù)聯(lián)合電火花技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升孔型加工質(zhì)量。

3.3 新型小孔特種加工技術(shù)的研發(fā)

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步的時(shí)代中，以不同原理為基礎(chǔ)的新型小孔特種加工技術(shù)將會(huì)陸續(xù)被研發(fā)，并逐漸應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。例如聚焦等離子加工技術(shù)，為一類適合發(fā)汗孔直徑＜φ0．08mmm，深徑比＞10的微小孔生產(chǎn)領(lǐng)域中。當(dāng)下，聚焦等離子加工技術(shù)已經(jīng)朝著工程化應(yīng)用階段發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔在生產(chǎn)過(guò)程中涉及的加工參數(shù)繁多，為滿足孔型加工精度、表面粗糙度等要求，需對(duì)各種特種加工技術(shù)的應(yīng)用原理與實(shí)用范疇有所掌握，合理選擇，并采用單獨(dú)或聯(lián)合應(yīng)用，以最大限度的優(yōu)化型孔加工質(zhì)量與效率，助力我國(guó)航空航天發(fā)電機(jī)行業(yè)發(fā)展。