發動機動、靜葉片激光電火花復合制孔加工工藝技術研究
2017-2-9 來源：中航工業西安航空發動機（集團）有限公司 作者：陳陽，朱紅鋼，王增坤，王輝明，石銀喜
摘要：激光、電火花制孔這兩種加工方法有一個共同的、主要的應用范圍，即可經濟而高效地對復雜的身體形狀作精細加工，且可應用于難加工材料，已成為航空工業一種不可取代的加工工藝新方法。由于這兩種加工方法有非凡的加工能力和互補優勢，當今已穩定地用在現代航空制造業中。
關鍵詞：激光制孔；電火花制孔；復合加工工藝；動靜葉片
在航空發動機中，各類型的動靜葉片在氣膜孔加工中，由于葉片鑄造型面不一致、加工工藝欠優化、可達性差等問題，存在氣膜孔位置、孔徑超差、連孔等諸多質量問題，造成激光、電火花都無法單工藝實現本工序加工。且各自工藝的短板，成為影響發動機片動靜葉片質量的瓶頸及交付。通過優化工藝及加工參數， 同時采用激光、電火花復合加工的方式， 對加工工序進行合理調配，對零件型面進行探測研究，減少零件型面誤差對加工的影響。
1.激光、電火花打孔的優缺點
1.1 激光打孔
激光打孔的缺點：被加工孔的精度和表面粗糙度尚不夠理想。激光打孔的優點有：
（1）激光不僅能對置于空氣中的工件打孔，而且也能對置于真空中或其他前提下的工件進行打孔。
（2）因為加工過程與工件不接觸，故加工出的工件清潔。因為加工時間短，故對被加工的材料氧化、變形、熱影響區域均較小，不需特殊保護。
（3）可加工各種材料的微孔。一般機械鉆頭只能鉆出直徑大于250 μm 的孔， 而激光則能加工出10 μm 以下的孔。就加工種類來看，不僅可對金屬而且可對非金屬甚至橡膠等進行鉆孔。從深徑比來看，用激光打出的孔，其深度與孔徑之比，可高達50以上，這是用其他加工方法難以達到的。如用一般方法在極硬的氧化鋁陶瓷上加工小孔所得到的深徑比為2，超聲波法只有4，而激光可達25。
1.2 電火花打孔的優缺點
電火花打孔的優點有：
（1）加工孔徑范圍一般在0.3~3 mm 之間，深徑比能達200∶1 以上。這是其相比于其他工藝非常重要的一個優點，即對小徑深孔的加工。由于高速電火花小孔加工技術使用水基工作液作為加工介質，因其電導率大，在極間電壓作用下會產生介電系數與水不同的氫氣，從而導致放電間隙增大，增加擊穿延時，提高效率。另外，由于在加工過程中，脈沖間隔很小，使脈沖頻率大大增加，脈沖電源的有效利用率大大增加，進一步提高了效率，獲得了高效的生產率。
（2）加工速度一般能達20~60 mm/min，且加工深度對其影響相對不大，是電火花加工第一次在速度上能與機械加工相比擬。與常規電火花小孔加工技術相比， 由于水基工作液高速地流過工作間隙，將放電間隙中的蝕除物迅速排出間隙，并有良好的冷卻性能，因而整個過程速度快，消電離過程快，精度高。
（3）直接從斜面、曲面穿入，加工盲孔、深孔、斜孔及異形孔等。
（4）不受材料的硬度及韌性限制，除了能加工一般的導電材料以外，還能順利加工不銹鋼、淬火鋼、硬質合金、欽合金、淬鋼等難加工材料。而普通加工方法手材料還有刀具的硬度和韌性限制較大。
（5）加工孔的尺寸一致性，一般能在0.03~0.05mm 之間，圓度在0.02~0.03 mm 之間，表面粗糙度Ra3.5 μm 左右，能滿足一定的垂直度要求。電火花打孔的缺點有：
（1）放電間隙狹窄。電火花放電加工中工具電極與工件間的絕緣工作介質有一定的介電常數，放電加工時有一定的擊穿間隙（放電間隙），因此放電加工后工件的尺寸與工具電極的尺寸并不完全一致。且放電間隙是隨電參數、電極材料、工作液等因素的變化而變化的，從而影響了加工精度。間隙越大，則復制精度越差，特別是對復雜形狀的加工表面。如電極為尖角時，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，應采用較弱小的加工規準，縮小放電間隙，另外還必須盡可能使加工過程穩定。
（2）易出現加工錐度和圓角。由于工具電極下面部分加工時間長、損耗大，因此電極變小，而入口處由于電蝕產物的存在，易發生因電蝕產物的介入而再次進行的非正常放電（即“二次放電”），因而產生加工斜度。這就要求高壓水質工作液必須有一定的速度，且持續工作。
（3）工具電極損耗嚴重。電火花加工是靠高溫熔化氣化金屬實現對工件的加工，工具電極必須是導電金屬用來傳導電能，所以在高溫和帶電粒子的撞擊作用下工具電極也存在損耗，特別是在電參數選擇不當的情況下，電極的損耗更加明顯。
2.實驗過程及加工工藝方法
2.1 激光加工實例
某機的高壓渦輪導向葉片加工組合件需加工排氣邊1 排（8-φ0.7+0.1 0），進氣邊3 排（25- φ0.4+0.1 0）共4 排33 個氣膜孔（圖1）。
圖1 高壓渦輪導向葉片加工組合件氣膜孔分布示意圖
以前工藝方案為電火花加工，效率低。零件為鑄件，鑄件型面公差大，葉片型面一致性差，孔位置度難以保證。按照要求的葉片型面線輪廓度為0.2mm，由于逐漸的加工難度較大，只能保證葉片型面在0.4 mm 左右，嚴重影響了氣膜孔加工的位置度。通過對現有工藝分析，進氣邊3 排孔中，兩排氣膜孔壁薄，孔出口距型腔內壁較遠，可塞保護材料進行有效保護，故改為激光加工，因激光加工無法有效控制加工深度， 另一排距型腔內壁很近，無法添加保護材料，存在擊傷內壁的隱患，所以這排仍采用電火花加工。排氣邊孔為型腔內角度斜孔，加工深度大，加工空間狹小，無法采用激光加工，故仍采用電火花加工。通過加工工藝的改進（圖2），由以前的電火花加工優化為激光-電火花復合加工，從而使加工效率得到很大提高。
圖2 激光-電火花復合加工示意圖
存在問題：
（1）零件型面對加工的影響。零件為鑄件，型面公差大且一致性差，加工中需根據零件型面調整孔位，加工效率低。型面公差大還影響到加工深度，4排孔的出口都在狹小的型腔內，空間小（圖3），加工中存在擊傷內腔的隱患。加工時無法設定一個固定的加工深度， 只能根據加工情況手動調整加工深度，以保證孔徑，避免擊傷零件。
圖3 零件型腔示意圖
為降低零件型面對孔位置度的影響，加工時需根據零件型面情況對孔位進行調整。孔位調整步驟為：標準樣件確定加工孔位→編制加工程序→加工試件→測算試件和標準件型面差異對孔位的影響量→調整孔位→修改加工程序→加工正式零件。
（2）排氣邊孔加工效率低。排氣邊孔為型腔內的斜孔，加工中選用細長桿導向器，避免與夾具發生干涉。所用電極為400 mm 長的銅管電極，因選用細長桿導向器，使電極的有效使用部分變小，加工效率低。孔的入口位于型腔斜面上，加工可靠性差，加工時電極沿型面滑動，孔位確定困難。加工時選用合理的加工參數，改善加工時的沖液狀況，以提高加工穩定性和加工效率。
2.2 電火花加工實例
使用ZT-017 型電火花小孔機床加工， 電極材料為黃銅，直徑分別為0.25、0.35 mm，長300 mm，加工前找正夾具外圓跳動在0.01 mm 以內。用去離子水作為工作介質，電導率為0.1×103 μs/cm。
2.2.1 加工過程與步驟
（1）裝夾電極，校正電極基準面與工作臺的位置精度，保證裝夾可靠。
（2）以榫齒和側平面為定位基準面裝夾工件，加工時將工件以定位面為基準，裝夾后校正與電極的相對位置。機床可建立及變更坐標系統原點，利用高靈敏度和快速響應速度的置零功能，能實現電極對工件的定位、找正。校正電極與工件的相對位置后將工件固定，移動主軸頭，使電極下端面與工件上平面保持合適的距離。
（3）打開工作液泵，將壓力調到8 MPa，工作液由循環系統進入密封夾頭，再通過電極中部毛細管孔進入加工區，啟動脈沖電源與控制系統，調出編制好的加工程序，準備進行加工。
（4）加工時根據加工穩定狀態調節進給速度、沖液壓力等。通過參數顯示屏隨時觀察孔的加工深度、電極損耗及加工時間等。加工過程中應抽查孔的尺寸和加工表面情況，以保證零件的加工品質。
2.2.2 試驗結果
試驗加工參數見表1，試驗現場見圖4。利用電火花工藝進行高壓渦輪葉片氣膜孔加工，產品品質明顯改善，效率與葉片加工合格率大幅提高，零件合格率提高到80.7 %，加工成本顯著降低。加工品質與效率的提高使發動機的按時交付得到了保證。
表1 氣膜孔電加工參數
圖4 工作葉片加工現場
2.2.3 加工工藝難點分析與對策
在試驗過程中發現，采用小孔機加工氣膜孔的難點主要表現在加工深度控制、加工設備穩定性與精度的提高、加工中硬件故障的判斷與排除等。在分析原因的基礎上， 結合實際情況來制定解決措施，取得了良好效果。
2.2.4 加工深度的控制
由于目前使用的電火花加工設備使用半閉環系統，加工深度信號沒有反饋，所以無法準確控制加工深度。高壓渦輪葉片， 內腔距離僅為0.198~0.215 mm。如何保證既把孔打通又不打傷或打穿葉片內腔對面基體的難度非常大。現采取以下措施來解決問題。
（1）軟阻斷。計算出所有孔各截面穿頭深度，根據電極長度消耗值，按尺寸公差偏上差計算加工深度，并將深度值固化在程序中，控制電極加工深度。
（2）硬阻斷。將一個長80 mm、寬1.85 mm、厚0.8 mm 的銅條插入葉片腔體， 用來阻擋電極損耗，防止打傷或打穿葉片。
（3）補加工工藝方案。當遇到葉片壁厚不均勻、電極品質不好、機床故障等特殊情況，造成孔沒有打通時，分別編制了直徑0.3、0.5 mm 孔的補加工程序，對通孔位進行補加工。
2.4.5 加工設備穩定性與精度的提高
試驗發現，電火花設備的B 軸、旋轉頭、泵、電器等設備易出現故障。B 軸剛性差， 易出現位置偏移，造成第6~9 排孔的位置度極易不合格；旋轉頭不轉、碳刷接觸不好及導向器同心度不好等；高壓泵正常使用壓力為6 MPa 以下，而加工需8 MPa 的高壓，這就使高壓泵超常運行，再加上設備全天不間斷運行，使高壓泵的許多部件疲勞運行，其故障必然頻繁發生，主要損傷的部件有過濾器、節流墊、節流閥、滾珠、電動機等。另外，由于疲勞運行，工作液里含有電蝕物及部分金屬微粒，再加上某些泵的品質問題，使低壓泵也常有故障發生，嚴重影響電火花機床的效率。實踐證明，通過下述措施可有效解決故障問題。
（1）重新編制一個新程序，對6~9 排孔單獨加工，以保證其空間位置不受機床缺陷的影響。
（2）新旋轉頭采用陶瓷軸承，防止了銹蝕和電蝕，一般壽命提高3~6 倍。
（3）通向電極的電流直接連接碳刷，減少電流流經的中間環節，降低了故障率，也提高了系統加工的穩定性。
（4）優選高、低壓泵，通過多品牌、多型號泵的運轉試驗，選擇壽命長、參數和性能穩定的泵進行加工。
（5）對主要損傷部件增加了庫存量，使設備可進行長時間、不停機加工，提高緊迫生產任務的應變能力。
（6）定期對高、低壓泵進行檢查，如發現異常情況立即更換， 并對更換下來的高壓泵進行檢查、維護、修理。
（7）對計算機系統軟件進行修改和升級，對原時間當量由原來的30 s 改為10 s，有效降低了超差品的概率和機床故障率。
3.成效及結論
激光打孔不論材料的種類和硬度都可進行，故應用范圍較廣，但因精度較差，重復精度也較低，所以用量、規模都不是很大。但對一些特殊零件，采用激光打孔卻取得了很大的效益。渦輪葉片氣膜孔的加工采用激光旋切，盡管在孔壁局部范圍尚存在重熔層，最大厚度<0.05 mm，個別孔存在微裂紋，但不進入基體。另外，激光打孔對高硬度、非導體材料的微小孔、孔數量很大的零件進行加工也很有優勢。電火花打孔最突出的特點是其重熔層厚度僅為激光打孔重熔層厚度的一半， 可控制在0.02 mm以內，能滿足所有發動機動、靜葉片的冶金質量要求。對于某些位于葉身型面的氣膜冷卻孔，可使用高速電火花打孔機床， 重熔層厚度一般在0.04 mm以內。
激光打孔工藝不需工作電極，在數控工作臺上安裝零件不需制作復雜的工裝，氣膜冷卻孔的尺寸可任意調節，最適宜作為新機研制時打孔的工藝方法。電火花打孔成本低，加工質量比激光加工重熔層薄。在加工氣膜孔的過程中，將電火花及激光工藝共同融入其中，合理地調整加工工序，會大大地提高零件的加工質量及效率，同時也會降低其加工成本。通過采用電火花加工、激光加工兩種工藝方法，對零件工序進行合理調配，并對工藝方法和加工參數進行優化。
隨著先進制造技術的發展，新的氣膜孔加工工藝不斷被開發出來，對帶有陶瓷涂層葉片的氣膜孔加工，公司內部現正在使用的加工工藝是先加工冷卻氣膜孔，再涂覆陶瓷，最后用微型鉆頭在相應的孔位處去除陶瓷涂層，其工序復雜、效率低、質量不易控制。現在使用激光電火花復合加工技術，可在相應的打孔位置上精確地用激光去除陶瓷涂層，再使用高速電火花精確打孔， 縮短了零件的加工周期，確保了加工質量。同時，為公司各類型動、靜葉片零件的加工摸索出可行的工藝方案， 此方法也可在其他機種的零件中應用， 拓寬了該方法的用途。因此，激光、電火花復合加工工藝的研發，對航空發動機的制造有著深遠意義。
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