摘要：某航空發(fā)動機(jī)燃燒室單元體組件內(nèi)、外蜂窩環(huán)位置相互交錯、相對空間狹小，常規(guī)電火花磨削加工旋轉(zhuǎn)圓柱電極無法進(jìn)入加工區(qū)，通過攻關(guān)針對零件特殊位置尺寸特點，研制出新型扇形段結(jié)構(gòu)電極，并采用電極固定徑向限位伺服的全新加工方式，完成零件內(nèi)、外蜂窩環(huán)的電火花磨削加工，特別是外蜂窩環(huán)電火花磨削加工的完成，*了公司電加工技術(shù)領(lǐng)域的一項空白。
引言
某航空發(fā)動機(jī)燃燒室單元體組合件采用內(nèi)、外蜂窩環(huán)多道密封式結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)、外蜂窩環(huán)位置重疊交錯，相互空間位置狹?。鞒跏紶顟B(tài)下僅有3～4mm左右）。常規(guī)電火花磨蜂窩工藝是利用旋轉(zhuǎn)圓柱電極在機(jī)床工作轉(zhuǎn)臺配合下對蜂窩環(huán)內(nèi)徑進(jìn)行磨削加工。而該零件受結(jié)構(gòu)上的限制，旋轉(zhuǎn)圓柱電極無法進(jìn)入加工區(qū)，且旋采用圓柱型電極在加工外蜂窩環(huán)時，其放電區(qū)間會始終成為一條線性狹窄區(qū)域，這種狀態(tài)非常不利于穩(wěn)定放電加工和獲得良好表面。為解決上述問題，我們必須從加工方式、電極結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)優(yōu)化等多個技術(shù)環(huán)節(jié)入手開展攻關(guān)。力爭突破傳統(tǒng)加工方式的束縛，以廠內(nèi)現(xiàn)有電火花蜂窩磨設(shè)備為試驗平臺，在大量工藝試驗和理論研究的基礎(chǔ)上，研制出適用的電極結(jié)構(gòu)和合理的加工方式，并zui終完成正式零件的加工，使公司電加工技術(shù)水平上升到一個新的臺階。
1零件結(jié)構(gòu)分析
燃燒室單元體密封組合件屬靜子工作部件，在航空發(fā)動機(jī)中處于高溫，高壓、高載荷的工作狀態(tài)，為減少高溫氣體的流量損失，提高發(fā)動機(jī)的工作效率，該件與對應(yīng)轉(zhuǎn)子部件的配合部位采用了內(nèi)、外交錯重疊式蜂窩密封結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機(jī)的密封性能指標(biāo)得到了極大提高，圖一為按零件實際蜂窩環(huán)結(jié)構(gòu)部位尺寸設(shè)計的一個試驗件，該件要求采用電火花磨削加工方式，對零件內(nèi)蜂窩環(huán)a、c表面以及外蜂窩環(huán)b表面進(jìn)行電火花磨削，加工后蜂窩環(huán)直徑尺寸分別控制在aφ454+0.0630.00mm、cφ415+0.0630.00mm、bφ4370.00-0.04mm，三層蜂窩表面的徑向跳動均控制在0.05mm以內(nèi)，且蜂窩表面不允許有明顯的燒傷和劃碰傷現(xiàn)象，粗糙度控制在ra3.2μm以內(nèi)。
圖一蜂窩環(huán)試驗件結(jié)構(gòu)圖
2技術(shù)難點分析
通過分析發(fā)現(xiàn)該零件的內(nèi)、外蜂窩環(huán)a、b為交錯重疊結(jié)構(gòu)，毛坯充盈狀態(tài)時內(nèi)外蜂窩環(huán)之間的間隙只有3-4mm左右，目前電火花磨削加工中常用的圓柱型電極根本無法進(jìn)入加工區(qū)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)伺服加工，從原理上分析，采用旋轉(zhuǎn)圓柱型電極加工外蜂窩環(huán)時其放電區(qū)間會始終成為一條線性狹窄區(qū)域，這種狀態(tài)非常不利于穩(wěn)定放電加工和獲得良好表面的，因此必須有針對性的研制出適應(yīng)的電極結(jié)構(gòu)，并確定出全新的加工方式，才可能解決上述問題。另外該零件蜂窩環(huán)內(nèi)、外徑尺寸精度要求非常高，zui小公差值為0.04mm、蜂窩端面跳動量僅為0.05mm，以上兩項技術(shù)指標(biāo)均超出正常加工值一倍，給放電加工時電參數(shù)的選取、轉(zhuǎn)換及過程控制帶來了極大困難，需經(jīng)過大量的工藝試驗，才可能尋找出*加工參數(shù)和工藝路線。
3工藝方案和電極研制
3.1加工設(shè)備及工藝方案
本項試驗在zt-021b型電火花磨床上進(jìn)行，該設(shè)備具有直徑1米的工作轉(zhuǎn)臺，x軸行程1000mm，z軸行程500mm，伺服進(jìn)給加工u軸行程為70mm，常用加工方式為將圓柱型旋轉(zhuǎn)電極進(jìn)入加工區(qū)，利用x軸上復(fù)合的伺服加工u軸和工作轉(zhuǎn)臺配合完成環(huán)型工件的內(nèi)徑電火花磨削加工，目前工廠蜂窩環(huán)零件的電火花磨削加工都在該類機(jī)床上進(jìn)行。而該零件受結(jié)構(gòu)上的限制，普通圓柱型電極（直徑φ80—φ100mm之間）根本無法進(jìn)入狹小的加工區(qū)。若根據(jù)加工區(qū)間的大小將電極設(shè)計成φ3mm左右的圓棒，電極雖可勉強(qiáng)進(jìn)入加工區(qū)，但因電極直徑太小，加工時電極與工件接觸面積過小，加工效率極低，若強(qiáng)行增加電參數(shù)極意形成大密度電流對工件產(chǎn)生燒傷，加工成型后表面質(zhì)量也不高。
根據(jù)以往的經(jīng)驗我們認(rèn)為可此時考慮利用固定電極徑向限位伺服方式來完成加工，固定電極徑向限位伺服方式是將電極做成接近工件直徑的圓弧扇形段，并固定安裝在機(jī)床主軸頭上，加工時機(jī)床轉(zhuǎn)臺帶動工件繞電極做連續(xù)回轉(zhuǎn)運動，電極在徑向做伺服加工，根據(jù)電極與工件放電接觸面積的大小適時調(diào)整放電參數(shù)，直到蝕除量達(dá)到設(shè)定值電極與工件間的放電停止整個加工過程結(jié)束。這種加工方式的特點是加工過程中材料去除量比較均勻，磨削成型后蜂窩環(huán)表面質(zhì)量較高、徑向跳動量較小，不足之處因電極與工件是非旋轉(zhuǎn)性單面接觸性放電，容易造成電極損耗不平均，且電極的互換性較差，加工成本相對較高。
圖二為旋轉(zhuǎn)電極和固定扇形段電極磨削加工蜂窩對比示意圖。
3.2電極設(shè)計
結(jié)合零件設(shè)計圖紙，總體上將電極橫向設(shè)計成扇形結(jié)構(gòu)形式，考慮到電極加工端尺寸較薄，為防止變形并zui大限度的提高強(qiáng)度，將電極縱向設(shè)計成階梯形結(jié)構(gòu)（見圖三、四）。
按預(yù)先制定的工藝方案*行內(nèi)圓蜂窩環(huán)磨削，此時的加工區(qū)間非常窄小僅為3-4mm毫米左右，因此設(shè)計電極結(jié)構(gòu)時首先應(yīng)考慮其能進(jìn)入加工位置，其次在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量放大加工端面的直徑尺寸，以提高放電加工效率，通過計算強(qiáng)度、繪制ug模型和虛擬仿真等技術(shù)手段，選取出適合的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計出內(nèi)、外圓蜂窩環(huán)電火花磨削加工用電極，利用紫銅材料制造了電極，實際加工過程中電極加工表面放電平均穩(wěn)定、無任何變形，證明電極結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，材料選取適當(dāng)。
4工藝試驗
經(jīng)過工藝分析，我們確定先利用結(jié)構(gòu)尺寸較薄的內(nèi)圓磨削電極對尺寸φ454mm的內(nèi)圓蜂窩環(huán)進(jìn)行電火花磨削加工，待加工區(qū)域尺寸擴(kuò)大到5mm后，再更換外圓磨削電極，對尺寸φ437mm的外圓蜂窩環(huán)進(jìn)行電火花磨削加工。zui后利用普通圓柱電極完成尺寸φ415mm的內(nèi)圓蜂窩環(huán)電火花磨削加工。
根據(jù)以往經(jīng)驗我們將本試驗件的蜂窩環(huán)磨削加工分成粗、精加工兩個階段來完成，粗加工階段利用較大的電參數(shù)去除大部分余量，但應(yīng)確保不能燒傷工件，為后續(xù)加工預(yù)留量在0.5mm左右。精加工階段利用較小的電參數(shù)將蜂窩環(huán)加工到規(guī)定尺寸，并保證良好的表面質(zhì)量，下表為經(jīng)過大量工藝試驗優(yōu)選的各階段加工參數(shù)表:
試驗環(huán)加工時我們先利用固定扇形電極先對φ454mm內(nèi)圓蜂窩環(huán)進(jìn)行了磨削加工，達(dá)到規(guī)定尺寸后并沒有馬上更換電極，而是先利用原電極的背面直線段對尺寸φ437mm外圓蜂窩表面進(jìn)行了一次進(jìn)給量為0.1mm小余量粗加工，以消除外圓蜂窩環(huán)表面的過大毛刺和一些圓度誤差，然后再更換電極加工尺寸φ437mm外圓蜂窩環(huán)，取得了非常理想的加工效果（見圖五）。
圖五完成加工的重疊凹陷式內(nèi)、外蜂窩環(huán)試驗件
試驗過程中我們發(fā)現(xiàn)選擇固定電極伺服加工蜂窩環(huán)時，電極與工件加工面之間始終是單面接觸，隨著加工時間的延長，電極損耗也會增加，周向誤差可通過工件的旋轉(zhuǎn)和機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)給補(bǔ)償功能得到修正，但縱向誤差只會隨著加工過程的深入呈逐漸擴(kuò)大的趨勢zui終會傳遞到工件表面，因此嚴(yán)格控制加工時間和加工參數(shù)是這項技術(shù)能否獲得成功的關(guān)鍵，為此我們對某型航空發(fā)動機(jī)燃燒室單元體組合件重疊凹陷式內(nèi)、外蜂窩環(huán)的電火花磨削加工工藝進(jìn)行了完善，對蜂窩環(huán)毛坯余量和待加工表面狀態(tài)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。在能保證蜂窩環(huán)成型精度和表面質(zhì)量的前提下，盡量縮小了毛坯余量以減少加工時間。正式零件加工時電極和工件在短時間內(nèi)即達(dá)到了全接觸狀態(tài)，機(jī)床放電狀態(tài)平穩(wěn)，材料去除率可達(dá)280mm3/min，加工時間也大大縮短，電極損耗可控制在1%內(nèi)，加工后的零件經(jīng)過測量，各條蜂窩環(huán)的直徑尺寸均在公差范圍內(nèi)，在壓緊狀態(tài)進(jìn)行了蜂窩環(huán)圓周跳動量檢測，三層蜂窩環(huán)圓周跳動量都在0.05mm以內(nèi)，目測檢測蜂窩加工表面沒有任何燒傷和碰傷痕跡，零件達(dá)到合格交付狀態(tài)。
5結(jié)論
5.1通過技術(shù)研究，利用固定電極徑向限位伺服加工方式，解決了某航空發(fā)動機(jī)內(nèi)、外交錯蜂窩環(huán)結(jié)構(gòu)件廠內(nèi)無法進(jìn)行電火花磨削加工的技術(shù)難題。
5.2針對某航空發(fā)動機(jī)燃燒室組件蜂窩環(huán)設(shè)計的扇形電極，結(jié)構(gòu)合理、電極材料選取適當(dāng)，去除率可達(dá)280mm3/min、電極損耗可控制在1%內(nèi)，且無任何變形，滿足了生產(chǎn)加工的實際需求。
5.3通過大量工藝試驗確定的電參數(shù)選取適當(dāng)，蜂窩表面質(zhì)量良好，內(nèi)、外蜂窩環(huán)直徑尺寸和徑向跳動量等指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。
5.4本項研究成果，擴(kuò)展了電火花蜂窩磨削加工技術(shù)的應(yīng)用范圍，特別是使公司不能對外圓蜂窩環(huán)進(jìn)行電火花磨削加工的歷史得到改寫，大幅度提升了公司的電加工技術(shù)水準(zhǔn)和行業(yè)影響力。
附錄參考文獻(xiàn)
曹鳳國主編電火花加工技術(shù)2005年1月第1版化學(xué)工業(yè)大學(xué)出版社。
趙萬生主編：電火花加工技術(shù)2000年5月第1版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。
（作者：劉丹尚碩李瑩）