預(yù)孔深窄槽變姿態(tài)加工方法研究

張瑞雪，陳 默，奚學(xué)程，趙萬(wàn)生

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海船舶工藝研究所，船舶智能制造國(guó)家工程研究中心，上海 200030）

深窄槽結(jié)構(gòu)是一類(lèi)有特殊用途的結(jié)構(gòu)，常用于渦輪葉片封嚴(yán)槽[1]、輪胎模具鋼片槽[2]、陀螺儀撓性接頭[3]等零部件。深窄槽一般指寬度小于3 mm、深度為寬度5倍以上的凹槽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)很難通過(guò)切削加工實(shí)現(xiàn)。電火花加工是深窄槽結(jié)構(gòu)加工的首選方法，但存在放電產(chǎn)物排出困難而導(dǎo)致加工耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題[4]。變姿態(tài)加工方法是促進(jìn)放電產(chǎn)物排出、提高電火花成形加工效率的手段之一。一些學(xué)者嘗試了橫向進(jìn)給[5]、斜向進(jìn)給[6]和倒置進(jìn)給[7]的加工姿態(tài)，獲得了比傳統(tǒng)豎直向下進(jìn)給更好的加工效果。

渦輪導(dǎo)向葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件之一，長(zhǎng)期處于高溫侵蝕和熱沖擊的惡劣環(huán)境，易因局部溫度過(guò)高、冷熱氣倒流等發(fā)生燒毀，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低甚至發(fā)生安全事故。人們?yōu)槭箿u輪葉片具有較高的高溫強(qiáng)度和硬度，通常選擇鎳基高溫合金制作渦輪葉片；為防止冷熱氣倒流、減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣損失，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片緣板上加工封嚴(yán)槽。封嚴(yán)槽是航空發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪轉(zhuǎn)子之間的重要封嚴(yán)件，具有槽寬較窄、槽深較深的特點(diǎn)，其槽寬約為（0.6±0.1）mm、槽深約為（5±0.1）mm。作為一種典型的深窄槽結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)槽加工難度很大，一般采用電火花成形方式來(lái)加工。

橋川榮二[8]針對(duì)高深徑比精密電子零件模具提出了激光電火花復(fù)合工藝，為改善電火花加工的排屑條件，先利用激光在工件上加工預(yù)制通孔，再進(jìn)行電火花精加工，實(shí)現(xiàn)高效率、大深徑比的深孔加工，但由于封嚴(yán)槽深度較深且為盲槽，激光加工通孔的方法在封嚴(yán)槽加工應(yīng)用中受限。

徐海華等[9-10]針對(duì)閉式整體葉盤(pán)電火花加工中由排屑不暢導(dǎo)致的加工效率降低問(wèn)題，提出了預(yù)孔抽液方法，利用高速電火花小孔機(jī)預(yù)先在毛坯工件上加工通孔，從電極加工的對(duì)側(cè)抽取流道中的工作液來(lái)改善排屑條件，實(shí)驗(yàn)表明在某閉式葉盤(pán)加工中，預(yù)孔抽液排屑方法的加工效率比常規(guī)沖液方法提高了22.4%；該方法所用高速電火花小孔機(jī)可加工出封嚴(yán)槽所需深度的小孔，但由于封嚴(yán)槽是盲槽，無(wú)法采用對(duì)側(cè)抽液方式排屑。

本文提出一種預(yù)孔窄槽加工方法，采用高速電火花小孔加工和電火花成形加工復(fù)合工藝來(lái)改善排屑條件、提高深窄槽加工效率，并對(duì)預(yù)孔窄槽的變姿態(tài)加工進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

預(yù)孔窄槽實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)步驟，先采用高速電火花穿孔機(jī)進(jìn)行預(yù)孔加工，再利用HE70型電火花加工機(jī)床 （由上海交通大學(xué)與上海某企業(yè)聯(lián)合研制）進(jìn)行深窄槽加工。預(yù)孔和窄槽的尺寸要求見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)孔和窄槽的加工尺寸要求

實(shí)驗(yàn)所用工件、電極和放電參數(shù)的詳細(xì)信息見(jiàn)表1。加工所得小孔的孔徑約為0.53 mm、孔深約為4.8 mm（圖2）。單個(gè)小孔加工綜合用時(shí)為15 s。預(yù)孔窄槽的加工過(guò)程見(jiàn)圖3。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

圖2 高速電火花穿孔機(jī)制造結(jié)果

圖3 預(yù)孔窄槽加工過(guò)程

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)預(yù)孔的孔數(shù)和伺服進(jìn)給速率進(jìn)行了優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，研究了加工姿態(tài)對(duì)預(yù)孔窄槽加工效率的影響；最后，通過(guò)間隙狀態(tài)分析和放電產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)行為觀測(cè)分析，對(duì)不同加工姿態(tài)下深窄槽加工效率的變化進(jìn)行了解釋。

為探究加工姿態(tài)對(duì)預(yù)孔窄槽電火花加工工藝的影響，實(shí)驗(yàn)分別選取了豎直向下（-90°）、水平（0°）和倒置（90°）三種加工姿態(tài)進(jìn)行研究。

基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集極間電壓和電流信號(hào)，并通過(guò)閾值比較法將間隙狀態(tài)分為開(kāi)路、正常放電、拉弧、短路和脈間五類(lèi)，還采用高速攝像機(jī)對(duì)預(yù)孔深窄槽加工中的間隙流場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè)。

1.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

首先優(yōu)化了預(yù)孔的孔數(shù)，再基于此進(jìn)行伺服進(jìn)給速率優(yōu)化。

1.3.1 預(yù)孔孔數(shù)優(yōu)化

預(yù)孔孔數(shù)和分布，對(duì)放電產(chǎn)物的排出有很大影響。預(yù)孔分布越均勻，越有利于放電產(chǎn)物排出，這要求預(yù)孔在窄槽尺寸范圍內(nèi)盡可能均勻離散。根據(jù)此原則，本文設(shè)計(jì)了4種不同孔數(shù)的預(yù)孔工件，分別有1、3、5、7個(gè)預(yù)孔，其尺寸和分布見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)孔窄槽的孔數(shù)及預(yù)孔分布

圖5 是在不同加工深度、電極豎直向下進(jìn)給加工時(shí)，預(yù)孔孔數(shù)分別為0（無(wú)預(yù)孔）、1、3、5和7時(shí)的加工用時(shí)?？煽闯?，隨預(yù)孔的孔數(shù)增加，深窄槽加工的用時(shí)減少、加工效率提高；當(dāng)預(yù)孔孔數(shù)為7時(shí)，加工直徑為5 mm窄槽的平均加工用時(shí)最短，比無(wú)預(yù)孔窄槽的平均加工用時(shí)縮短了33.9%。

圖5 不同預(yù)孔孔數(shù)下不同加工深度的加工用時(shí)

圖6 顯示了不同預(yù)孔孔數(shù)的條件下、僅深窄槽加工用時(shí)和“預(yù)孔+深窄槽”的總加工用時(shí)，其中橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為0時(shí)代表“無(wú)預(yù)孔”?？梢?jiàn)，在僅考慮深窄槽加工用時(shí)的情況下，預(yù)孔孔數(shù)為5個(gè)的深窄槽，其平均加工用時(shí)比預(yù)孔孔數(shù)為7個(gè)的長(zhǎng)28.3 s；在考慮預(yù)孔制備用時(shí)的情況下，預(yù)孔孔數(shù)為5個(gè)的深窄槽，其總平均加工用時(shí)最短，相比于預(yù)孔孔數(shù)為7個(gè)的深窄槽縮短了1.7 s。

圖6 不同預(yù)孔孔數(shù)下的預(yù)孔和窄槽的加工用時(shí)

綜合來(lái)看，預(yù)孔的孔數(shù)為7時(shí)，加工效率的提高更加突出，故后續(xù)加工實(shí)驗(yàn)均在此條件下進(jìn)行。

1.3.2 伺服進(jìn)給速率優(yōu)化

伺服靈敏度是伺服進(jìn)給速率控制的關(guān)鍵參數(shù)。由于預(yù)孔窄槽在采用電火花成形深窄槽工藝方面所需蝕除的材料減少，無(wú)預(yù)孔時(shí)的伺服進(jìn)給速率無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)孔窄槽的加工需求，對(duì)預(yù)孔深窄槽加工下的伺服靈敏度進(jìn)行優(yōu)化。 選取20、40、60、80、100等5個(gè)伺服靈敏度值進(jìn)行研究，得到不同伺服靈敏度時(shí)的進(jìn)給速率控制策略見(jiàn)圖7。

圖7 不同伺服靈敏度下預(yù)孔窄槽加工的進(jìn)給速率與間隙電壓差的非線性函數(shù)關(guān)系（BLU=1 μm；伺服周期=2 ms）

不同伺服靈敏度的預(yù)孔深窄槽在不同加工深度時(shí)的加工用時(shí)見(jiàn)圖8。對(duì)深度5 mm的7孔深窄槽進(jìn)行加工，研究發(fā)現(xiàn)伺服靈敏度值為60時(shí)的平均加工用時(shí)最短、加工效率最高。

圖8 不同伺服靈敏下不同加工深度的加工用時(shí)

圖9 顯示了不同伺服靈敏度下僅深窄槽的加工用時(shí)和“孔+深窄槽”的總加工用時(shí)，其中0代表無(wú)預(yù)孔。與無(wú)預(yù)孔的深窄槽平均加工用時(shí)相比，伺服靈敏度在20～100之間時(shí)，預(yù)孔深窄槽的加工效率均有所提高。伺服靈敏度為60時(shí)的預(yù)孔深窄槽平均加工用時(shí)最短，相比于無(wú)預(yù)孔深窄槽的用時(shí)縮短了35.7%。因此，后續(xù)加工實(shí)驗(yàn)均在伺服靈敏度為60、預(yù)孔孔數(shù)為7的條件下進(jìn)行。

圖9 不同伺服靈敏下的預(yù)孔和窄槽的加工用時(shí)

2 結(jié)果和討論

2.1 變姿態(tài)深窄槽加工效率

實(shí)驗(yàn)研究了加工姿態(tài)對(duì)預(yù)孔深窄槽加工效率的影響。加工前，將電極設(shè)置在距工件表面0.5 mm處。圖10是不同加工姿態(tài)時(shí)的預(yù)孔深窄槽加工結(jié)果?？梢?jiàn)，不同加工姿態(tài)時(shí)的加工用時(shí)在加工深度3 mm以?xún)?nèi)時(shí)接近，而在加工深度4 mm及以上時(shí)差距變大；預(yù)孔深窄槽在豎直向下加工姿態(tài)（-90°）時(shí)的平均加工用時(shí)最短，水平加工姿態(tài)（0°）的平均加工用時(shí)次之，倒置加工姿態(tài)（90°）下的平均加工用時(shí)最長(zhǎng)。

圖10 不同加工姿態(tài)下不同加工深度的預(yù)孔深窄槽加工用時(shí)

圖11 顯示了不同加工姿態(tài)時(shí)僅深窄槽加工的用時(shí)和“預(yù)孔+深窄槽”總的加工用時(shí)，圖中-180°代表無(wú)預(yù)孔的加工結(jié)果。與無(wú)預(yù)孔時(shí)相比，不同加工姿態(tài)時(shí)的預(yù)孔深窄槽加工效率均有所提高。其中，在-90°姿態(tài)時(shí)，預(yù)孔深窄槽平均加工用時(shí)相比于無(wú)預(yù)孔時(shí)縮短了35.6%、相比于0°時(shí)縮短了7.5%、相比于90°時(shí)縮短了18.9%；在考慮預(yù)孔制備用時(shí)的情況下，各加工姿態(tài)時(shí)的預(yù)孔深窄槽加工用時(shí)仍短于無(wú)預(yù)孔的深窄槽加工用時(shí)；加工姿態(tài)為-90°時(shí)的深窄槽總平均加工用時(shí)最短，相比于無(wú)預(yù)孔時(shí)深窄槽的平均加工用時(shí)縮短了14.5%。

圖11 不同伺服靈敏下的預(yù)孔和窄槽的加工用時(shí)

為探究預(yù)孔深窄槽加工過(guò)程中加工效率變化的原因，接下來(lái)的兩個(gè)章節(jié)分別從間隙放電狀態(tài)和間隙流場(chǎng)中放電產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面對(duì)預(yù)孔深窄槽加工過(guò)程進(jìn)行分析。

2.2 間隙狀態(tài)分析

圖12是不同加工姿態(tài)時(shí)的加工效率與間隙狀態(tài)（過(guò)濾后）。間隙狀態(tài)記錄間隔為每秒一次。

圖12 不同加工姿態(tài)時(shí)無(wú)預(yù)孔和有預(yù)孔的深窄槽間隙放電狀態(tài)

其中，圖12b～圖12d分別為預(yù)孔深窄槽在-90°、0°和90°加工姿態(tài)時(shí)的間隙放電狀態(tài)和加工效率結(jié)果。可見(jiàn)，圖12 b、12c所示加工效率曲線無(wú)明顯的第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而圖12 d所示加工效率曲線有2個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)且轉(zhuǎn)折點(diǎn)后存在正常放電率降低、短路率升高的現(xiàn)象。表2是不同加工姿態(tài)時(shí)加工效率曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)1之前、轉(zhuǎn)折點(diǎn)1和2之間以及轉(zhuǎn)折點(diǎn)2之后三個(gè)階段的平均正常放電率?？梢钥闯?，90°加工姿態(tài)時(shí)三個(gè)階段的平均放電率均低于-90°和0°加工姿態(tài)時(shí)的平均正常放電率。

表2 不同加工姿態(tài)時(shí)不同階段的平均正常放電率

對(duì)比圖12 a和圖12b可知，在-90°加工姿態(tài)和加工深度為4 mm以上時(shí)，無(wú)預(yù)孔深窄槽加工的正常放電率較之前明顯下降、短路率較之前明顯上升，而有預(yù)孔深窄槽加工時(shí)的正常放電率未有明顯變化，仍維持在較高水平；在-90°加工姿態(tài)、加工深度達(dá)到4 mm時(shí)，有預(yù)孔的正常放電率比無(wú)預(yù)孔時(shí)的高出74.3%。綜上可知，預(yù)孔窄槽對(duì)深窄槽加工深度較深時(shí)的放電狀態(tài)改善顯著，進(jìn)而對(duì)加工效率的提升產(chǎn)生了積極影響。

2.3 放電產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)觀測(cè)分析

利用高速攝像機(jī)對(duì)不同加工姿態(tài)的預(yù)孔深窄槽側(cè)面間隙流場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè)，探究了加工姿態(tài)對(duì)放電產(chǎn)物排出的影響。針對(duì)不同加工姿態(tài)的觀測(cè)方案如圖13所示，是在加工預(yù)孔后的工件表面裝夾透明石英玻璃，作為觀察視窗。高速攝像機(jī)的拍攝幀率為2000幀/s。

圖13 預(yù)孔窄槽間隙流場(chǎng)觀測(cè)方案

2.3.1 -90°加工姿態(tài)時(shí)的分析結(jié)果

加工姿態(tài)為-90°時(shí)，間隙流場(chǎng)中放電產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖14。可見(jiàn)，深窄槽出口位于觀測(cè)區(qū)域上方，其下方區(qū)域?yàn)轭A(yù)孔；電極和預(yù)孔上端交界的位置為放電加工位置。在放電位置產(chǎn)生的氣泡和蝕除顆粒，一部分向下進(jìn)入預(yù)孔，另一部分向上朝深窄槽出口處移動(dòng)，表明預(yù)孔提供了容屑空間，在一定程度上改善了間隙放電狀態(tài)惡化的情況。對(duì)比0 ms和87 ms時(shí)的氣泡位置可知，被排入預(yù)孔的氣泡在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，而88 ms時(shí)產(chǎn)生了一次放電，在放電結(jié)束后發(fā)生了氣泡合并；在101 ms時(shí)也產(chǎn)生了一次放電，這次放電使氣泡破裂，這表明放電產(chǎn)生的爆炸力加速了預(yù)孔內(nèi)氣泡的合并和破裂；在815 ms時(shí)發(fā)生的放電，使預(yù)孔內(nèi)的氣泡和深窄槽側(cè)面間隙流場(chǎng)的氣泡合并形成大氣泡，隨后大氣泡從預(yù)孔出口處排出。如圖14所示，在-90°加工姿態(tài)時(shí)，預(yù)孔對(duì)放電產(chǎn)物的排出起了緩沖作用并能短時(shí)容納放電產(chǎn)生的部分氣泡和蝕除顆粒，而處在預(yù)孔中的氣泡能在浮力等的作用下排出。

圖14 -90°加工姿態(tài)時(shí)的放電產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)過(guò)程

2.3.2 0°加工姿態(tài)時(shí)的分析結(jié)果

加工姿態(tài)為0°時(shí)，間隙流場(chǎng)中的放電產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖15。此時(shí)，深窄槽出口在觀測(cè)區(qū)域的右側(cè)。與-90°時(shí)的情況類(lèi)似，加工姿態(tài)為0°時(shí)，放電位置產(chǎn)生的氣泡和蝕除顆粒一部分向左進(jìn)入預(yù)孔，另一部分向右朝深窄槽出口處移動(dòng)。在0～98 ms時(shí)，可觀測(cè)到氣泡的上升與融合；在124.5 ms時(shí)，放電造成氣泡合并；在171.5 ms時(shí)，放電引起氣泡破裂。在該過(guò)程中，排進(jìn)預(yù)孔的氣泡會(huì)在浮力作用下上升，隨后貼在預(yù)孔的側(cè)壁上，而無(wú)法從預(yù)孔中排出。

圖15 0°加工姿態(tài)時(shí)的放電產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)過(guò)程

如圖16所示，隨著數(shù)量的增加，預(yù)孔內(nèi)的小氣泡會(huì)發(fā)生合并，繼而形成柱狀大氣泡充斥在預(yù)孔中，并且大氣泡向放電位置移動(dòng)，取代工作液所占部分的放電位置，使該區(qū)域的放電加工由液中放電變?yōu)闅庵蟹烹姡M(jìn)而使加工效率降低。綜上所述，在0°加工姿態(tài)時(shí)，預(yù)孔對(duì)放電產(chǎn)物的排出起緩沖作用，但預(yù)孔內(nèi)氣泡無(wú)法有效排出，加工效率反而會(huì)因氣中放電而下降。

圖16 0°加工姿態(tài)時(shí)放電位置的氣泡聚集現(xiàn)象

2.3.3 90°加工姿態(tài)時(shí)的分析結(jié)果

加工姿態(tài)為90°時(shí)，深窄槽出口位于觀測(cè)區(qū)域下方，間隙流場(chǎng)中放電產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖17。可見(jiàn)此時(shí)，預(yù)孔也提供了容屑空間，在1 ms時(shí)產(chǎn)生了一次放電，使預(yù)孔中的氣泡發(fā)生合并，進(jìn)而形成柱狀大氣泡；當(dāng)大氣泡移動(dòng)并靠近放電位置時(shí)，氣泡會(huì)在表面張力作用下與相鄰預(yù)孔內(nèi)的大氣泡發(fā)生融合（1006 ms），同時(shí)占據(jù)兩預(yù)孔間的放電位置，使該處形成氣中放電；當(dāng)多個(gè)預(yù)孔內(nèi)的氣泡都接近放電位置時(shí)，各預(yù)孔內(nèi)的氣泡會(huì)共同融合且連通起來(lái)，使極間放電位置完全被氣泡占據(jù)，進(jìn)而使深窄槽加工由液中放電完全變成氣中放電 （1168.5～2438.5 ms）；在放電爆炸力的作用下，完全連通的氣泡在某時(shí)可被打斷，但很快又會(huì)重新連通（2663.5～3027.5 ms）。因此，倒置加工姿態(tài)的預(yù)孔深窄槽加工，其常態(tài)是氣中放電加工，并且加工中的蝕除產(chǎn)物排出困難，會(huì)導(dǎo)致倒置加工預(yù)孔深窄槽效率降低，這與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖17 90°加工姿態(tài)時(shí)的放電產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)過(guò)程

3 結(jié)論

本文研究了預(yù)孔深窄槽變姿態(tài)加工的特點(diǎn)，分別開(kāi)展了豎直向下、水平和倒置三種加工姿態(tài)時(shí)的預(yù)孔深窄槽加工實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)間隙狀態(tài)分析和間隙流場(chǎng)觀測(cè)對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行解釋?zhuān)贸鋈缦陆Y(jié)論：

（1）預(yù)孔孔數(shù)為7時(shí)，伺服靈敏度為60時(shí)的深窄槽加工效率最高，比無(wú)預(yù)孔時(shí)深窄槽加工用時(shí)縮短了35.7%。

（2）-90°加工姿態(tài)時(shí)的預(yù)孔深窄槽加工效率最高，其加工用時(shí)相比于無(wú)預(yù)孔時(shí)縮短了35.6%、相比于0°加工姿態(tài)時(shí)縮短了7.5%，相比于90°加工姿態(tài)時(shí)縮短了18.9%。

（3）預(yù)孔窄槽加工顯著改善了深窄槽加工深度較深時(shí)的放電狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)加工效率提升產(chǎn)生積極影響。

（4）預(yù)孔能提供容屑空間，但隨著加工姿態(tài)的改變，也易因氣泡在預(yù)孔內(nèi)的堆積而形成氣中放電，不利于加工效率提升。