短電弧車削蜂窩環(huán)重鑄層影響實(shí)驗(yàn)研究*

王子健 周碧勝② 周建平 汪兵兵 張晟晟 丁勝威

（①新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；②西安金弧航空科技有限公司，陜西 西安 710018）

蜂窩結(jié)構(gòu)密封是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用的高效密封方式。據(jù)研究表明，封嚴(yán)技術(shù)嚴(yán)重影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平，且好的封嚴(yán)技術(shù)可以有效降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，同時(shí)起到很好的隔熱作用，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，減少環(huán)境污染[1]。

蜂窩環(huán)由外環(huán)金屬Cr 鋼圈以及內(nèi)環(huán)GH3536 材料的蜂窩網(wǎng)格部分構(gòu)成，網(wǎng)格為正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，深度較大，網(wǎng)格較小，壁厚只有0.08 mm，剛度極差。對(duì)尺寸以及加工后表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，不允許出現(xiàn)蜂窩變形、重鑄層脫離和基體金屬裂紋等，同時(shí)對(duì)于重鑄層厚度、重鑄層氣孔等指標(biāo)要求較高。

傳統(tǒng)機(jī)械加工容易導(dǎo)致蜂窩薄壁倒伏而封住蜂窩格，變形會(huì)影響蜂窩的密封效果[2]。由于需要選擇樹脂等材料作為填充物對(duì)蜂窩格進(jìn)行填充，加工后將填充物去除，故容易造成填充物殘留的現(xiàn)象，并且會(huì)有蜂窩格一次填充不完整的情況[3]。因此部分學(xué)者為解決上述問題對(duì)機(jī)械加工進(jìn)行了大量的研究，目前先進(jìn)的高速銑削加工仍會(huì)發(fā)生蜂窩壁的塑性變形、微小毛刺、翻邊毛刺以及焊點(diǎn)拉脫等現(xiàn)象[4]。

大量學(xué)者通過研究采用電加工技術(shù)手段解決以上問題，電加工是利用兩極間的間隙放電來蝕除材料，達(dá)到加工工件的效果。很好地解決了機(jī)械加工導(dǎo)致蜂窩變形等問題，但是在加工時(shí)，工件材料被高溫熔化，在沖液以及工件和電極的旋轉(zhuǎn)作用下被排出，有部分熔化材料未能及時(shí)排出而重新凝固在工件表面，形成重鑄層。目前廣泛應(yīng)用的電火花磨削加工，粗加工一般重鑄層厚度為0.05 mm，精加工一般為0.025 mm[5]。

作為我國自主研發(fā)的短電弧加工技術(shù)，是利用電極與工件之間產(chǎn)生等離子通道來擊穿間隙，產(chǎn)生電弧放電群組，從而產(chǎn)生高溫來加工工件。據(jù)研究表明，短電弧磨削蜂窩的加工質(zhì)量比電火花磨削蜂窩質(zhì)量提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，短電弧磨削蜂窩的加工尺寸可以控制在0.05 mm 以內(nèi)，重鑄層厚度可以達(dá)到0.009 mm，達(dá)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)一類件的標(biāo)準(zhǔn)[6]。

為在生產(chǎn)過程中提高加工效率以及改善表面質(zhì)量，本文對(duì)各影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探究電壓、電極轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度以及電極形狀對(duì)蜂窩表面重鑄層厚度、元素以及微觀形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

短電弧車削蜂窩環(huán)加工時(shí)將蜂窩環(huán)固定在旋轉(zhuǎn)卡盤上，并接入電源正極，磨輪電極伸入蜂窩環(huán)內(nèi)部，緊靠蜂窩環(huán)內(nèi)壁，接入電源負(fù)極，利用極性效應(yīng)降低電極損耗[7]。加工時(shí)電極進(jìn)給向蜂窩環(huán)內(nèi)壁靠近，當(dāng)工件和電極距離達(dá)到放電距離時(shí)，在電極與蜂窩內(nèi)壁之間產(chǎn)生電離，擊穿間隙中是空氣和介質(zhì)，電極和工件表面大量帶電粒子瞬時(shí)劇增，在受到極間形成的電場力下，不斷轟擊工件和電極表面，共同形成放電通道，產(chǎn)生超高溫，將工件材料熔化以及氣化[8]。熔融材料在工件和電極相互旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及高速?zèng)_液的流體力和冷卻作用下，快速凝固成顆粒物，從工件基體剝離，從極間排出，從而達(dá)到加工蜂窩的效果，實(shí)驗(yàn)原理如圖1 所示。

圖1 短電弧車削蜂窩環(huán)原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

本次實(shí)驗(yàn)研究采用四軸短電弧車削專用機(jī)床，主要包括控制系統(tǒng)、短電弧專用數(shù)控電源、沖液系統(tǒng)、床身及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。工件由四爪卡盤裝夾在工件轉(zhuǎn)盤上，并進(jìn)行找正，以確保工件裝夾在卡盤的正中心，達(dá)到加工尺寸要求。

圖2 短電弧車削蜂窩環(huán)機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)裝置包括以下幾種。

（1）實(shí)驗(yàn)機(jī)床：DHCK12530 系列短電弧數(shù)控車削加工機(jī)床。

（2）機(jī)床電源：DHX3000/28FS 數(shù)控短電弧切削電源。

（3）實(shí)驗(yàn)工件：采用某型號(hào)蜂窩材料為GH3536的蜂窩環(huán)構(gòu)件。

（4）加工電極：采用三種直徑為100 mm 的開槽鑄鐵磨輪電極，形狀如圖3 所示。

圖3 加工電極圖

（5）切割及檢測設(shè)備：DK7720 電火花線切割機(jī)床，將加工后的工件切樣進(jìn)行檢測；Tektronix TBS1000X 示波器，實(shí)時(shí)檢測加工時(shí)電流電壓狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工時(shí)是否發(fā)生短路；Teelen 4XCE 金相顯微鏡，ZEISS Gemini 1 Sigma 300 掃描電子顯微鏡。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在短電弧車削蜂窩時(shí)，通過控制電壓、電極轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度來完成不同的加工工序，同時(shí)電極形狀特征決定加工時(shí)流場特征，通過控制上述變量來滿足加工尺寸和表面質(zhì)量的要求。因此對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，以電流電壓波形圖、重鑄層截面形貌、表面形貌以及重鑄層元素分析作為檢測指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電壓與電流波形分析

為充分研究短電弧放電時(shí)的狀態(tài)，通過示波器以及上位機(jī)軟件對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。圖4a 所示為未放電狀態(tài)下電流電壓波形圖，電流隨電壓的脈動(dòng)變化趨勢一致。圖4b 所示為放電狀態(tài)下的波形圖，每當(dāng)產(chǎn)生電弧放電時(shí)，間隙介質(zhì)被擊穿，電流迅速升高，產(chǎn)生壓降現(xiàn)象。單次完整電弧放電電壓突破零點(diǎn)，成為負(fù)壓，此時(shí)電弧在工件與電極的轉(zhuǎn)動(dòng)下被拉斷，電流與電壓迅速回歸常值。而在連續(xù)放電情況下，由于前一次放電時(shí)，電壓還未降至突破零點(diǎn)便產(chǎn)生新的電弧，故電流與電壓均為正值，且均呈現(xiàn)出連續(xù)的波浪峰值。

圖4 短電弧車削電流及電壓波形圖

2.2 電壓對(duì)重鑄層的影響

由于短電弧專用脈動(dòng)直流電源特性，電壓成為了蜂窩加工質(zhì)量的決定性電參數(shù)。圖5 和圖6 分別為不同電壓下的微觀形貌分析和金相分析。高電壓加工時(shí)，工件的表面微觀形貌更加粗糙，會(huì)出現(xiàn)明顯密集的熔滴顆粒、裂紋、溝壑、凹坑以及褶皺，甚至出現(xiàn)沖蝕孔洞，且重鑄層更厚。低電壓加工后，表面的熔滴顆粒及凹坑群組更加細(xì)密，工件表面更平整，重鑄層更薄。這是由于低電壓產(chǎn)生的放電離子通道放電能量低，熔化物少，而高電壓放電能量強(qiáng)，熔化物顯著堆積，在相同的高壓沖液作用下，較多熔化物難以蝕除，造成高電壓下表面質(zhì)量更差、重鑄層更厚的現(xiàn)象。

圖5 不同電壓加工表面微觀形貌

圖6 不同電壓加工截面金相圖

由于放電區(qū)域的瞬時(shí)高熱和驟冷，使工件表面小范圍內(nèi)體積收縮，而周邊未加工區(qū)域的約束力防止其收縮，因此在其表面張力和內(nèi)部收縮力的耦合作用下，使得表面應(yīng)力大于表面拉伸極限形成了裂紋，熔化材料越多表面裂紋越顯著[9-11]。由于蜂窩結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，重鑄層大熔滴出現(xiàn)在三片蜂窩壁的交叉處。其產(chǎn)生原因?yàn)閱畏涓C壁較薄，熔化的材料少，且熔滴難以附著，可及時(shí)被排出。而三片蜂窩壁交叉處，熔滴受力面大，更易附著在工件表面，且熔化材料顯著堆積，凝固成大熔滴。

由圖6c 和圖6d 可以看出，大量熔融物難以及時(shí)蝕除，于是在工件轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用下，沿著蜂窩壁向外環(huán)流動(dòng)，呈現(xiàn)出滴落的狀態(tài)，而低電壓加工的工件，由于熔化材料較少，只附著在蜂窩網(wǎng)格薄壁的表面。

2.3 電極轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速對(duì)重鑄層的影響

電極轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速?zèng)Q定機(jī)械斷弧的效果。圖7～圖10 為不同電極和工件轉(zhuǎn)速下，加工后表面微觀形貌和截面形貌分析。由圖可知，電極和工件的轉(zhuǎn)速越快，產(chǎn)生機(jī)械斷弧效果越好，電弧通道未能及時(shí)擴(kuò)張便被拉斷，故產(chǎn)生的放電能量較弱，熔化材料少，工件表面重鑄層凹坑、裂紋、熔滴顆粒和碎片較細(xì)密，重鑄層厚度更小，表面更加平整。相反，電極和工件轉(zhuǎn)速減緩，電弧單次放電時(shí)間提高，等離子放電通道擴(kuò)散時(shí)間長且能量較強(qiáng)，在相同的沖液流體作用力以及冷卻作用下，工件表面凹坑、熔滴、顆粒以及裂紋更顯著，重鑄層厚度更厚。

圖7 不同電極轉(zhuǎn)速加工表面微觀形貌

圖8 不同工件轉(zhuǎn)速加工表面微觀形貌

圖9 不同電極轉(zhuǎn)速加工截面金相圖

圖10 不同工件轉(zhuǎn)速加工截面金相圖

2.4 進(jìn)給速度對(duì)重鑄層的影響

相同的加工參數(shù)下，電弧加工能產(chǎn)生等離子放電通道的兩極間寬度相同，而進(jìn)給速度可以通過縮短兩極間寬度來增加等離子通道內(nèi)的材料量，以及擴(kuò)展電弧放電群組的密度和面積。圖11 和圖12 為不同進(jìn)給速度下工件表面微觀形貌和截面形貌分析。由圖可知，提高進(jìn)給速度有助于蝕除材料，直到蝕除部分材料后，電極與工件之間再次達(dá)到該參數(shù)下放電通道的極限距離。但進(jìn)給速度過高，會(huì)導(dǎo)致大量熔融物堆積，形成短路。由于蜂窩結(jié)構(gòu)薄壁低剛度的特性，短路將造成電極與蜂窩表面產(chǎn)生干磨的現(xiàn)象，使蜂窩壁表面變形。同時(shí)，進(jìn)給速度提高會(huì)縮短極間距離，降低進(jìn)入極間的沖液量，削弱沖液效果，熔化材料更難蝕除，產(chǎn)生更厚的重鑄層，顯著的表面凹坑、熔滴顆粒和裂紋，更劣的表面形貌。通過圖11b 發(fā)現(xiàn)有重鑄層剝離母體的現(xiàn)象，是由于重鑄層產(chǎn)生大量裂紋，表面結(jié)構(gòu)疏松，在高速?zèng)_液流體力的作用下將重鑄層剝離母體。

圖11 不同進(jìn)給速度加工表面微觀形貌

圖12 不同進(jìn)給速度加工截面金相圖

2.5 電極形狀對(duì)重鑄層的影響

在短電弧加工過程中，高速?zèng)_液起到排出熔化物以及加速冷卻的效果，而電極的形狀特征影響著沖液作用于工件的效果。電極的開槽有助于沖液通過槽作用在工件上，開斜槽電極在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)沖液隨著電極進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而徑向作用于工件表面，形成兜液效果。同時(shí)開槽電極很有效地起到了斷弧的作用，加工時(shí)可以隔斷電弧，降低放電能力。圖13 和圖14 所示為三種電極加工后工件表面微觀形貌和截面金相分析。圖13 所示的3 種電極中，2 號(hào)電極的開槽數(shù)量大于1 號(hào)電極，因此直沖和兜液均有更好的效果，且有助于增強(qiáng)斷弧效果，故加工后表面熔滴顆粒、凹坑和微裂紋明顯稀少，重鑄層厚度降低，表面更加平整，加工質(zhì)量更優(yōu)。3 號(hào)電極較2 號(hào)電極增加了擋板，高速?zèng)_液在擋板的作用下被彈回，從而再次作用于工件，同時(shí)有效防止產(chǎn)生的兜液從通槽的另一側(cè)流失。使部分沖液兩次作用于工件，且使更多沖液作用于工件表面，因此有更好的沖液效果。如圖13c 和圖14c 所示，加工后工件表面凹坑群組密集，更加平整，重鑄層厚度更薄且形狀規(guī)則。

圖13 不同電極形狀加工表面微觀形貌

圖14 不同電極形狀加工截面金相圖

2.6 工件表面元素分析

為深入研究工件表面材料成分及加工時(shí)電極與工件之間放電發(fā)生的反應(yīng)，對(duì)工件表面進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果如圖15 所示。通過對(duì)比基體材料成分可以得出，重鑄層中的C、Mo、Fe 元素均顯著提高，同時(shí)Cr 元素有所降低，且有來自于沖液介質(zhì)的Ca 元素和空氣中O 元素出現(xiàn)。這是由于加工時(shí)，電極、工件、沖液介質(zhì)和空氣共同形成等離子通道，其中帶電粒子運(yùn)動(dòng)劇烈，對(duì)工件和電極表面進(jìn)行劇烈沖擊，導(dǎo)致放電通道內(nèi)的帶電粒子滲入工件熔化部分，并發(fā)生遷移和擴(kuò)散的現(xiàn)象，同時(shí)工件表面的元素向外遷移進(jìn)入蝕除顆粒物及電極表面，在沖液冷卻作用下凝固，從而存在于工件表面，重鑄層經(jīng)過高溫氧化[12]，形成合金化的重鑄層。

圖15 工件表面能譜元素分析

3 結(jié)語

本文通過對(duì)短電弧車削蜂窩環(huán)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，研究了不同參數(shù)（電壓、電極轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和電極形狀）下，短電弧車削蜂窩環(huán)重鑄層的影響規(guī)律，著重分析了電流和電壓波形圖、加工后工件表面微觀形貌、截面形貌和元素成分，結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)電流和電壓波形圖分析得出，電弧生成時(shí)，產(chǎn)生壓降現(xiàn)象；單次完整放電，電壓出現(xiàn)負(fù)壓；連續(xù)放電時(shí)電流電壓呈現(xiàn)出正值的連續(xù)波浪峰值。

（2）通過對(duì)工件表面和截面微觀形貌分析得出，重鑄層表面有凹坑、褶皺、熔滴顆粒和裂紋，這些結(jié)構(gòu)造成工件表面質(zhì)量更差，重鑄層厚度更厚。

（3）通過分析不同參數(shù)的影響規(guī)律得出，電壓和進(jìn)給速度越大，表面質(zhì)量越差，重鑄層越厚；電極轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速越高，表面質(zhì)量越好，重鑄層厚度越薄。多槽擋板電極沖液效果更好，故表面形貌更好，重鑄層厚度更薄。

（4）通過對(duì)工件表面進(jìn)行EDS 能譜分析得出，在加工時(shí)，等離子通道內(nèi)的空氣、介質(zhì)、工件和電極中的帶電粒子不斷轟擊工件和電極表面，造成C、Mo、Fe 和Ca 元素滲入工件、遷移并擴(kuò)散，Cr 元素向外運(yùn)動(dòng)含量降低，重鑄層經(jīng)過高溫氧化出現(xiàn)O元素，使重鑄層合金化。