帶微小內(nèi)棱角穿透型窄槽的微細(xì)電火花加工

張 龍，佟 浩,2，李 勇,2，李 巖，柴永生,，李朝將

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系制造工程研究所/摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)期間，常會(huì)在進(jìn)/排氣邊產(chǎn)生疲勞裂紋，且會(huì)不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片折斷，極易打傷其他葉片或構(gòu)件，給飛行安全帶來隱患。為預(yù)防葉片折斷，目前常采用超聲表面無損檢測(cè)方法，判斷葉片是否已產(chǎn)生裂紋[1]。檢測(cè)過程中遇到波形不穩(wěn)定或有變化時(shí)，需使用帶有微窄槽的人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷葉片，重新校準(zhǔn)檢測(cè)儀器。

人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷是模擬葉片裂紋的存在，形狀為帶有微小內(nèi)棱角的穿透型窄槽，槽寬50～100 μm，槽深200～300 μm（圖1）[1]，且葉片材料一般為沉淀硬化型不銹鋼材料，常規(guī)機(jī)械加工方法無法滿足這種微窄槽的加工要求。微細(xì)電火花加工作為一種非接觸式特種加工方法，適合在導(dǎo)電材料上加工尺寸小、精度要求高的微孔、微槽和微三維結(jié)構(gòu)[2,3]。

然而，現(xiàn)有的微細(xì)電火花加工工藝還難以滿足上述加工要求?，F(xiàn)有微槽電火花加工工藝可歸納為線切割加工、掃描加工、盤狀電極加工[4-7]。由于線切割加工使用的工具電極截面為圓形，必然使窄槽的內(nèi)棱產(chǎn)生圓角，且由于受電極絲直徑的限制，很難加工60 μm 以下的微細(xì)窄槽。微槽電火花掃描加工是利用簡(jiǎn)單截面電極或扁平成形電極端部進(jìn)行掃描加工的由于電極端部損耗，使加工深度難以精確控制，且電極邊角損耗也造成微槽內(nèi)棱角無法精確成形。盤狀電極加工方法使用薄圓盤狀電極相對(duì)工件作旋轉(zhuǎn)進(jìn)給，通過圓盤邊緣放電加工窄槽，電極損耗也會(huì)使窄槽內(nèi)棱邊產(chǎn)生圓角。

圖1 葉片裂紋缺陷示意圖

針對(duì)目前帶有微小內(nèi)棱角穿透型窄槽加工中深度不可控及內(nèi)棱存在圓角的問題，本文提出了一種微細(xì)扁平成形電極穿槽電火花加工方法。該方法通過在線制作微細(xì)扁平電極，采用穿透成形加工方法，補(bǔ)償加工中扁平電極損耗，以實(shí)現(xiàn)微細(xì)窄槽的精密成形加工；并在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上開展了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

1 窄槽微細(xì)電火花加工工藝

為了實(shí)現(xiàn)微細(xì)扁平電極的在線制作，基于線放電磨削（WEDG）機(jī)構(gòu)[8]，設(shè)計(jì)了具有微缺口導(dǎo)向塊的穩(wěn)定線走絲模塊（圖2）。通過在傳統(tǒng)WEDG 導(dǎo)向塊前端加工微缺口，使線走絲導(dǎo)向塊具有線切割加工功能。該設(shè)計(jì)借鑒了WEDG 機(jī)構(gòu)的電極損耗補(bǔ)償及穩(wěn)定導(dǎo)向的優(yōu)點(diǎn)，線電極在微缺口兩端為固定導(dǎo)向塊支撐，且微缺口的尺寸?。▽挾? mm）。這樣，可充分利用導(dǎo)向塊的導(dǎo)向支撐作用，保證了在缺口位置線電極走絲的穩(wěn)定可靠，用于實(shí)現(xiàn)扁平微細(xì)電極的高精度在線制作。

圖2 帶有微缺口的線走絲導(dǎo)向塊示意圖

微細(xì)扁平電極制作過程見圖3。結(jié)合工具電極Z 軸和Y 軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)微細(xì)扁平電極的線切割加工。首先，將工具電極放置在微缺口的內(nèi)側(cè)，工具電極以恒定的速度緩慢進(jìn)給，得到如圖3a 所示的工具電極形狀；然后，通過計(jì)算放電間隙和已知的線電極直徑，根據(jù)所需扁平電極的厚度，計(jì)算出導(dǎo)向塊在Y 軸方向需進(jìn)給的長度，再進(jìn)行工具電極的緩慢進(jìn)給，得到如圖3b 所示的工具電極形狀；由于工具電極初始截面為圓形，為形成直棱邊，還需去除扁平電極側(cè)面多余的材料，將主軸分別旋轉(zhuǎn)90°和270°，通過工具電極的進(jìn)給，可得到扁平電極的棱邊（圖3c和圖3d）。經(jīng)過上述步驟的制作，可在線制成所需尺寸的微細(xì)扁平電極。

圖3 線切割制作扁平電極示意圖

利用制作出的微細(xì)扁平電極，對(duì)帶有微小內(nèi)棱角穿透型窄槽進(jìn)行微細(xì)電火花加工（圖4）。將需要加工微窄槽的工件側(cè)向放置，扁平電極從側(cè)面開始對(duì)微窄槽進(jìn)行加工，通過放電間隙伺服控制實(shí)現(xiàn)電極和工件間連續(xù)穩(wěn)定放電。雖然電火花加工中存在電極損耗現(xiàn)象，但利用在線制作較長的扁平電極穿透進(jìn)給一定長度的方法，可補(bǔ)償扁平電極前端的損耗，消除電極損耗對(duì)微窄槽形狀精度的影響（圖5）。

為控制微窄槽加工深度（圖6），采用低壓電接觸感知方法。在加工前，先電接觸感知扁平電極與工件相對(duì)位置，通過數(shù)控系統(tǒng)得到坐標(biāo)值；再根據(jù)微窄槽設(shè)定深度及放電間隙，即可計(jì)算出電極的相對(duì)位移量，保證微窄槽深度方向的精度。

綜合上述扁平電極的制作方法和微窄槽的穿透加工方法，可實(shí)現(xiàn)帶有微小內(nèi)棱角穿透型窄槽的電火花加工。

圖4 電火花穿槽加工示意圖

圖5 過進(jìn)給穿透加工示意圖

圖6 微窄槽深度控制

2 窄槽的微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)研究

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的缺陷微窄槽技術(shù)要求為寬度＜90 μm，深度250±12 μm。針對(duì)這一要求，開展了加工實(shí)驗(yàn)研究。微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)X、Y 軸定位精度為2 μm，Z 軸定位精度為0.5 μm，安裝有WEDG 機(jī)構(gòu)，更換了帶有微缺口的導(dǎo)向塊（圖2）。加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 微窄槽加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖7 是制作過程中扁平電極的截面示意圖。先采用間隙伺服控制方法提高放電率，使工具電極和線電極之間保持恒定的放電間隙，快速去除無關(guān)最終成形精度的大部分材料（圖示①區(qū)域）；再采用無間隙伺服控制，工具電極以恒定速度進(jìn)給，僅去除少量材料（圖示②、③區(qū)域），獲得較高的表面質(zhì)量，最終得到的扁平電極截面（圖示④區(qū)域）。

圖8 是制作出的微細(xì)扁平電極的掃描電鏡圖片。經(jīng)測(cè)量，扁平電極的寬度為485 μm，厚度為70 μm，制作時(shí)間36 min。

圖7 扁平電極制作過程示意圖

圖8 微細(xì)扁平電極圖

利用制作出的扁平電極進(jìn)行電火花穿槽加工，加工后的微窄槽顯微圖片見圖9，寬度為85 μm。由于無法直接測(cè)量微窄槽的深度，故采用高分子有機(jī)物對(duì)微槽進(jìn)行注模處理[9]，測(cè)得注模深度為244 μm（圖10）。

圖9 微窄槽寬度測(cè)量

圖10 微窄槽深度測(cè)量

為驗(yàn)證加工出的微窄槽形狀精度及內(nèi)棱邊，對(duì)加工窄槽最終成形部位的扁平電極進(jìn)行了測(cè)量（圖11）?？煽闯觯馄诫姌O前端出現(xiàn)了電極損耗區(qū)域，且電極棱邊出現(xiàn)圓角；由于微窄槽的寬度為扁平電極寬度的一半，扁平電極使用左右兩側(cè)進(jìn)行了2 個(gè)微窄槽的加工。通過局部放大發(fā)現(xiàn)，扁平電極后半部分仍有較好的形狀精度和直棱邊，這就保證了微窄槽的形狀精度和內(nèi)棱角。對(duì)微窄槽的注模進(jìn)行掃描電鏡觀察，可看出微窄槽整體具有較好的形狀精度（圖12a）；對(duì)內(nèi)棱邊所在的注模位置進(jìn)行局部放大，實(shí)現(xiàn)了過渡圓角小的技術(shù)要求（圖12b）。

圖11 微窄槽加工后的扁平電極

圖12 微窄槽模型內(nèi)棱邊放大圖

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了帶有微缺口的導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定走絲的微細(xì)電火花線切割功能。通過分步微細(xì)線切割加工，在線制作出寬度485 μm、厚度70 μm的直棱邊微細(xì)扁平電極。

（2）采用穿透成形加工方法，補(bǔ)償加工中的扁平電極損耗。通過接觸感知控制微槽的加工深度，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)窄槽的精密成形加工過程。

（3）在硬化型不銹鋼葉片上，加工出具有較微小內(nèi)棱角的微窄槽，槽寬為85 μm，槽深為244 μm，可滿足葉片缺陷微窄槽的技術(shù)要求。

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