異形難熔陽極的精密加工難點與工藝改進

殷寶森，王文平，劉征，許東，鄭然，韓峰

北京控制工程研究所 北京 100190

1 序言

陽極使用的難熔合金材料WRe25鎢錸合金為粉末冶金方法制造而成，具有硬度高、密度高和熔點高等特點，具有優(yōu)良的高溫強度、抗蠕變性能和電性能，工作溫度可達2000℃以上。加工難點包括材料難加工，內(nèi)孔異形結(jié)構(gòu)尺寸公差和幾何公差要求較嚴，以及表面質(zhì)量要求高等。內(nèi)孔異形結(jié)構(gòu)中的微小孔結(jié)構(gòu)與外圓同軸度要求＜φ0.01mm，雙錐錐面結(jié)構(gòu)角度公差滿足±10′，表面質(zhì)量最優(yōu)達到表面粗糙度值Ra＝0.4μm。

目前，加工雙錐錐面結(jié)構(gòu)和微小孔結(jié)構(gòu)一般可采用機械加工、電火花線切割和電火花成形加工等方法[1，2]，有時也會選用超聲振動輔助電火花復合加工[3]。經(jīng)過對比，采用機械加工制造異形孔，存在成本高、復雜孔加工困難等缺點，尤其對于難熔高硬度材料，加工刀具易折斷，造成無法加工。復合加工成本相對較高且加工靈活性也較差。電火花加工可有效避免上述問題。

通過對難加工材料的微小孔、雙內(nèi)錐面等內(nèi)孔異形結(jié)構(gòu)的精密加工工藝分析，開展電加工工藝研究，采用合理的加工方法，最終實現(xiàn)達到尺寸和幾何公差及表面質(zhì)量要求。

2 陽極加工要求

陽極材料為W R e25鎢錸合金，外圓和端面對幾何公差要求較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工要求也較嚴格，內(nèi)錐孔錐角40°±20′和60°± 10′、φ（0.6±0.01）mm微小孔與外圓同軸度φ0.01mm以內(nèi)，φ（0.6±0.01）mm微小孔長度（0.8±0.03）mm，錐孔角度公差最嚴要求為±10′，表面質(zhì)量達到表面粗糙度值Ra＜0.8μm。陽極如圖1所示。

圖1 陽極

3 加工難點分析

1）陽極材料為難加工材料。鎢錸合金熔點為3180℃，密度為21g/cm3，硬度＞50HRC。相對于常規(guī)加工材料，鎢錸合金熔點約是鋼的2倍、鋁的5倍；密度約是鋼的3倍、鋁的7倍。其高熔點、高密度及高硬度特性給加工帶來很大困難。

2）高精度內(nèi)孔與外圓的同軸度要求高。陽極兩端雙內(nèi)錐孔和中間微小孔需要與外圓保證同軸度φ0.01mm以內(nèi)，結(jié)構(gòu)之間才能較好過渡，從而避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)錯位。為保證后續(xù)線切割能加工內(nèi)孔成形，穿絲孔需要單邊留余量≥0.1mm，φ0.2mm電極絲與放電間隙之和需要≥0.25mm，避免慢走絲加工時，因電極絲裝夾偏離穿絲孔中心較大而造成短路。φ（0.6±0.01）mm內(nèi)孔的穿絲孔孔徑最大可達φ0.4mm。線切割絲徑與內(nèi)孔如圖2所示。穿絲孔為深徑比達57的深小孔，并要求與外圓的同軸度＜φ0.10mm，可避免φ（0.6±0.01）mm內(nèi)孔加工后留下穿絲孔痕跡。

圖2 線切割絲徑與內(nèi)孔

采用高速穿孔機加工φ0.4mm穿絲孔，然后采用慢走絲機床加工φ（0.6±0.01）mm內(nèi)孔，進行2次裝夾定位，加工出的孔很容易與外圓存在同軸度偏差。如何保證工序間加工出的穿絲孔、內(nèi)孔與外圓擁有較高的同軸度，也是加工難點之一。

3）線切割雙內(nèi)錐孔與微小孔時易產(chǎn)生相互干涉。線切割加工40°±20′錐孔后，φ（0.6±0.01）mm微小孔長度（0.8±0.03）mm易產(chǎn)生過切（見圖3），長度超差。加工40°錐角時，主切偏移量為0.1mm，再加上0.04mm放電間隙，當電極絲傾斜20°時，影響φ0.6mm微小孔60°方向孔口到60°端面距離。

圖3 線切割錐面后易產(chǎn)生中間孔長過切

4）雙內(nèi)錐孔精度和表面質(zhì)量要求高。40°±20′和60°±10′錐角尺寸精度要求較高，并且全跳動值在0.02mm以內(nèi)，表面粗糙度值Ra＜0.8μm，對電加工工藝參數(shù)及電極制作都提出了較高要求。

4 解決方案

4.1 設(shè)計并制作高精度裝夾工裝

陽極經(jīng)過外圓和端面磨削后，需設(shè)計多道工序加工內(nèi)孔用的高精度裝夾工裝，以外圓和端面為基準，進行陽極與工裝裝夾，保證內(nèi)孔與外圓同軸度要求。

如果以圓形孔進行定位，則工裝主要存在以下問題。

1）由于工裝裝配孔內(nèi)徑27mm加工過程中存在讓刀現(xiàn)象，導致裝配孔底端有輕微錐角，與底面基準面不垂直，陽極裝配不到底面。

2）需要陽極磨制件和裝夾工裝進行配磨，不適用于不同批次間加工。

改進裝夾結(jié)構(gòu)，用V 形孔定位替換整圓孔定位，降低裝夾工裝與陽極配磨要求，并要求φ27mm與陽極裝配間隙在0.005mm以內(nèi)，降低胎具加工公差要求，提高裝夾胎具的靈活性。改進前后裝夾胎具如圖4所示。

圖4 改進前后裝夾胎具

4.2 微小孔雙錐結(jié)構(gòu)高精度線切割加工

針對慢走絲線切割錐面時φ（0.6±0.01）mm內(nèi)孔干涉問題，采取加工時φ0.6mm兩端孔口到端面距離分別留余量0.2mm的措施。此時錐角需加工至24°。然后其余錐孔尺寸和內(nèi)孔長度轉(zhuǎn)至電火花成形加工。線切割后中心微小孔形貌如圖5所示。

圖5 線切割后中心微小孔形貌

4.3 高質(zhì)量雙錐面電火花成形加工

加工過程中考慮電極的設(shè)計尺寸、電極表面質(zhì)量等因素，通過實踐與摸索，電極錐面角度60°、40°分別設(shè)計為59.9°～59.95°、39.9°～39.95°，最終電極尺寸如圖6～圖8所示。

圖6 60°粗加工電極

圖7 60°精加工電極

圖8 40°加工電極

加工過程中粗加工需要大能量去除余量，然后精加工深度達到尺寸公差要求，修光表面達到工藝要求。加工過程中的參數(shù)，隨著零件表面余量的減少，低壓電流和脈寬逐漸減小，間隙放電電壓逐漸變大。電加工參數(shù)見表1。

表1 電加工參數(shù)

電極錐面質(zhì)量顯著影響加工后陽極表面質(zhì)量。如果用數(shù)控車床加工，因靠數(shù)控程序控制進行X軸、Y軸運動完成，在顯微鏡下觀察表面有明顯的波峰波谷紋路，會影響陽極加工后錐面的表面質(zhì)量；而采用手動車削，車刀安裝在小滑板上，靠手動沿導軌直線加工出來，加工后的表面較為平整。由此需采用手動車削機床加工電極。數(shù)控和手動加工電極錐面外觀對比如圖9所示。

圖9 數(shù)控和手動加工電極錐面外觀對比

5 實施效果

加工后的陽極經(jīng)過微小孔、雙錐孔及表面質(zhì)量檢測，全部滿足圖樣要求，微小孔實測值為φ0.603mm，與外圓同軸度為φ0.008mm，錐面全跳動最優(yōu)可達0.006mm。陽極檢測值見表2，陽極外觀如圖10所示。

表2 陽極檢測值

圖10 陽極外觀

6 結(jié)束語

本文針對陽極的異形內(nèi)孔結(jié)構(gòu)和鎢錸合金材料的電加工難點進行工藝分析與方案改進，通過線切割與電火花成形加工相配合的方法，高效高質(zhì)地完成陽極內(nèi)孔異形結(jié)構(gòu)的加工，實現(xiàn)了高精度裝夾定位、線切割加工微小孔大錐面結(jié)構(gòu)以及電火花加工錐面等關(guān)鍵技術(shù)突破，為類似難熔高密度材料的精密加工提供了參考。

專家點評

文章闡述了異型難熔陽極的雙錐微小孔加工難點和解決方案。根據(jù)同軸度要求設(shè)計制作高精度裝夾胎具，通過線切割和電火花成形加工相配合的方法，實現(xiàn)了難熔陽極的微小孔線切割加工以及大錐面電火花加工等多項關(guān)鍵技術(shù)突破，為類似材料的精密加工提供了實踐經(jīng)驗。

文章結(jié)構(gòu)合理，分析全面，思路清晰，數(shù)據(jù)準確，在線切割和電火花成形加工方面積累了豐富的經(jīng)驗。