鈦合金密集異形群孔電火花加工技術(shù)研究

孫 超，李 輝，張明岐，張海龍，翟士民

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

目前，鈦合金密集異形群孔結(jié)構(gòu)的零件廣泛應(yīng)用于先進(jìn)飛機(jī)上，典型零件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該類(lèi)零件孔數(shù)極多（超過(guò)2000個(gè)）、排列密集（孔間壁厚僅為0.4～0.5 mm，公差±0.05 mm）、加工角度大（孔軸線方向與零件表面法線方向的角度為75～80°）、孔形為扁平菱形且尺寸小（圖2），此外，孔壁表面粗糙度要求達(dá)Ra3.2 μm。由于上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使該類(lèi)零件加工困難，如果采用常規(guī)機(jī)械切削方法，會(huì)存在諸多難點(diǎn)：①超大加工角度和狹小孔形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致進(jìn)刀困難，加工可達(dá)性差，甚至進(jìn)刀至一定深度后無(wú)法繼續(xù)加工，需結(jié)合鉆預(yù)孔加工和銑削加工等方法；②鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，加工時(shí)易產(chǎn)生局部硬化和燒傷，屬于難切削材料[1-3]，其加工周期長(zhǎng)、成本高；③易產(chǎn)生變形和殘余應(yīng)力，且難以控制；④難以實(shí)現(xiàn)異型棱角尺寸的加工，需后續(xù)進(jìn)行人工修整，加工質(zhì)量難以保證，合格率低。

圖1 典型鈦合金密集異形群孔零件示意圖

圖2 孔形貌示意圖

電火花加工屬于非接觸式加工，在難切削材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工方面具有優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)取得了顯著的進(jìn)展[4-5]，已成為加工密集異形群孔零件的主要方法。本文針對(duì)典型鈦合金密集異形群孔結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了電火花加工技術(shù)研究，解決了該類(lèi)零件的加工難題，對(duì)鈦合金材料及異形群孔結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用也起到了很好的促進(jìn)作用[6]。

1 電極設(shè)計(jì)

電火花加工異形群孔時(shí)，一般采用單電極，其工藝簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性好。但由于零件孔數(shù)多、材料去除量大，單電極加工方法存在頻繁更換電極、加工效率低等問(wèn)題，故采用多電極同步加工是提高加工效率的必要方法。

1.1 單排電極設(shè)計(jì)

研究初期，采用單排電極設(shè)計(jì)，每排電極數(shù)量約為10～15個(gè)（圖3），電極材料為黃銅。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于電極制造相對(duì)容易、電極裝夾和定位難度較小、易實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)化編程加工；不足之處在于群孔區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則圖形，需設(shè)計(jì)多種具有不同電極數(shù)量的單排電極，且單排電極能同時(shí)加工的孔數(shù)有限，因此仍需頻繁更換和調(diào)整電極和工裝，工作量很大。采用單排電極進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，孔間壁厚能滿足精度要求，但總工時(shí)超過(guò)300 h，故加工效率仍無(wú)法滿足批量生產(chǎn)需求。

圖3 單排電極示意圖

1.2 整體電極設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高零件加工效率，在單排電極設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了多排整體電極（圖4），電極材料為黃銅。通過(guò)一次裝夾和定位，即可同步完成全部異形孔的加工，減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，總工時(shí)僅需50 h，加工效率明顯提高。

圖4 整體電極示意圖

但在加工實(shí)踐中，多排整體電極也暴露出以下問(wèn)題：

（1）制造整體電極的難度和工作量很大，特別是清理電極間隙內(nèi)的碎屑、校正電極一致性的工作量較大且成本較高。

（2）采用整體電極加工群孔的難度極大，難以控制加工質(zhì)量，主要體現(xiàn)在二個(gè)方面：一是電極數(shù)量多、覆蓋面積大，需采用很大的放電能量才能保證正常加工，電極損耗程度也遠(yuǎn)大于單排電極，導(dǎo)致電極出口處的孔間壁厚偏大，普遍為0.8～1.0 mm（理論值為0.4～0.5 mm）；二是電極排布密集、間隔小，使排屑困難，二次放電嚴(yán)重，導(dǎo)致電極入口處的孔間壁厚偏小，普遍為0.3～0.4 mm，因此，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的錐形孔特征，難以滿足加工精度要求。電極出、入口的形貌對(duì)比見(jiàn)圖5，孔表面質(zhì)量較差，孔壁表面粗糙度值在Ra6.3 μm以上，且極難改善。因此，需對(duì)整體電極結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5 整體電極出、入口形貌對(duì)比圖

1.3 局部集束電極設(shè)計(jì)

為兼顧電極制造難度、加工效率和質(zhì)量等諸多方面，設(shè)計(jì)了局部集束電極（圖6），電極材料為黃銅。每個(gè)局部集束電極包含260～300個(gè)子電極，通過(guò)設(shè)計(jì)若干個(gè)局部集束電極實(shí)現(xiàn)組合加工。此類(lèi)電極的制造難度適中，電極更換次數(shù)少。同時(shí)，為了適應(yīng)其結(jié)構(gòu)，還設(shè)計(jì)了專(zhuān)用電極夾具，其作用是實(shí)現(xiàn)電極的精確定位和可靠固定，使電極制造和電火花成形加工的基準(zhǔn)嚴(yán)格統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了快速換裝和靈活調(diào)整，顯著減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，進(jìn)而提高了加工效率。

圖6 局部集束電極示意圖

局部集束電極設(shè)計(jì)兼具單排電極和整體電極的優(yōu)勢(shì)，且彌補(bǔ)了二者的缺陷，可預(yù)期加工效率接近整體電極，更易保證加工精度。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得知，孔間壁厚可控制在公差范圍內(nèi)，加工效果與單排電極相似，能滿足零件精度要求，是一種較理想的電極結(jié)構(gòu)形式。

2 局部集束電極加工參數(shù)

鈦合金具有良好的耐熱性，但其放電加工性能不佳、加工效率低，且電極損耗程度普遍較大，難以保證較高的表面質(zhì)量和加工精度。特別是在多電極同步加工時(shí)，由于其放電面積較大，為保證必要的加工效率，不得不采用較高的放電能量，而過(guò)高的放電能量導(dǎo)致表面質(zhì)量明顯變差，同時(shí)電極損耗增大、異常放電比例提高，反而降低了進(jìn)給速度，加上不同位置的電極損耗程度差異也較大，最終影響了群孔加工效果的一致性。因此，要達(dá)到良好的加工效率和品質(zhì)，多電極同步加工工藝參數(shù)的理想?yún)^(qū)間其實(shí)很小，設(shè)計(jì)難度很大，且目前并無(wú)現(xiàn)成的工藝參數(shù)作為參考，只能通過(guò)試驗(yàn)摸索。

試驗(yàn)設(shè)備選用具有大行程的精密數(shù)控多軸電火花成形機(jī)床。最初的試驗(yàn)方案采用單一的、具有較高放電能量的大脈沖寬度、大電流工藝參數(shù)，加工方式為電極沿Z軸方向垂直向下進(jìn)給加工。試驗(yàn)結(jié)果顯示加工效果不理想。雖然與整體電極加工相比，局部集束電極加工所包含的電極數(shù)量較少，但仍出現(xiàn)了與整體電極加工相似的錐形孔形貌，表面質(zhì)量也較差，且沿Z軸方向進(jìn)給的加工方式導(dǎo)致排屑極其困難，進(jìn)一步加劇了異常放電現(xiàn)象，由于加工深度較大，即使采用較高頻率的強(qiáng)制抬刀和沖油方式也難以緩解。

根據(jù)上述結(jié)論，對(duì)試驗(yàn)條件做進(jìn)一步優(yōu)化。在工藝參數(shù)方面，首先采用大脈沖寬度、大電流粗規(guī)準(zhǔn)參數(shù)（表1）進(jìn)行高效孔形加工，充分發(fā)揮多電極同步加工的效率優(yōu)勢(shì)；然后采用分段的小脈沖寬度、小電流精規(guī)準(zhǔn)參數(shù)（表2）進(jìn)行高精度修整加工，即通過(guò)電極軌跡平動(dòng)和深度進(jìn)給，補(bǔ)償電極軸向和側(cè)向損耗，逐步修整孔形和表面質(zhì)量，以保證電極孔間壁厚的尺寸精度、孔形和表面質(zhì)量的一致性。在加工方式方面，通過(guò)改變零件和電極的裝夾方式，使電極沿X軸或Y軸水平進(jìn)給加工，從而改善排屑效果，降低大深徑比加工的異常放電風(fēng)險(xiǎn)。

表1 粗加工工藝參數(shù)

采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加工效果良好，結(jié)果表明：黃銅電極的電火花放電非常均勻，電極相對(duì)損耗率為5%～10%，局部集束電極的粗加工平均速度為0.05～0.08 mm/min，總加工時(shí)間約60～70 h，加工效率能滿足生產(chǎn)需求。圖7是加工所得零件，其表面質(zhì)量為Ra1.6～3.2 μm，孔形美觀，尺寸精度達(dá)±0.05 mm，加工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了該工藝技術(shù)能實(shí)現(xiàn)異形群孔的高效高精度加工。

表2 精加工工藝參數(shù)

圖7 零件局部實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)比較單排電極、整體電極和局部集束電極三種設(shè)計(jì)方案的加工結(jié)果，證明局部集束電極更適合鈦合金密集異形群孔結(jié)構(gòu)的加工。通過(guò)采用高效孔形粗加工結(jié)合高精度修整加工工藝方法，摸索出與之相適應(yīng)的工藝參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)鈦合金密集異形群孔結(jié)構(gòu)的高效高精度電火花成形加工，具有很好的加工效果和應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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