氣膜冷（lěng）卻孔電火花加工參數優化及重熔層厚度測量（liàng）實驗
2016-12-27 來源：清華大學機械工（gōng）程係 作者：李朝將，趙雷，李勇，佟浩，王誌強，孔全存
摘要：氣膜冷卻孔加工表麵（miàn）粗糙度、重熔層厚度直接影響航（háng）空發動機服役壽命。兼顧葉片氣膜冷卻（què）孔加工效（xiào）率和重（chóng）熔層厚度， 研製了加工參數在線可（kě）調的窄（zhǎi）脈寬高（gāo）峰值電流脈衝電源係統，進行（háng）了氣膜冷卻孔電火花加工參數優化實驗，尋找重熔層厚度和加（jiā）工效率的顯著影響因素。在此基礎上，采用（yòng）灰關（guān）聯度（dù）分析法進行（háng）多目（mù）標優化，利用優化後的加工參數，得到了較理想的實驗結果。
關鍵詞：電火花加工；氣（qì）膜冷卻孔；重熔層厚度
新一代高（gāo）推重比航空發動機廣泛采用氣膜冷卻技術，其兼有隔熱（rè）和散（sàn）熱的（de）雙重作用（yòng）[1]，通過氣膜（mó）冷卻孔內對流從葉片表麵去除（chú）熱量，從而提高葉片材料的耐（nài）高溫性（xìng）能。氣膜冷卻孔的加（jiā）工表麵粗糙度、重熔層和微裂（liè）紋（wén）直接影響渦輪葉片的工（gōng）作壽命。
目前， 高溫合金葉片氣膜孔的加工主要有激光、電火花、電解等特種（zhǒng）加工工藝[2-5]。大脈寬激光加（jiā）工效率高（gāo）、成本（běn）低，材料適用範圍廣[2-3]，但加（jiā）工（gōng）的孔深受到（dào）限製，孔內表麵粗糙度（dù）不均勻且（qiě）形成較厚的（de）重熔層，旋切法激光加工的重熔層厚一般在50 μm左右（yòu）[4]；超短脈衝激光（guāng）（如皮秒、飛秒激光）加工氣膜冷卻孔，重熔層一般小於5 μm[4]，但由於超短脈衝激光器功（gōng）率的限製，工件的（de）加（jiā）工深度受限且出入口有明顯錐度。電火花加（jiā）工（gōng）氣膜冷卻孔（kǒng）是在旋轉的中空管狀電極中施加高壓工作液衝（chōng）走加工屑，提高加工效率，孔（kǒng）壁表（biǎo）麵粗糙度較均勻，但（dàn）也存在一定厚度的重熔層，其厚度約為激光加工重熔層厚度的一半，可控製在20 μm 以下[3-4]。電解加（jiā）工可實現無重熔層和微裂紋，無熱影響區且表麵精度高[5]，但氣膜冷卻孔的加工速度較低， 一（yī）般在1.8～2.5 mm/min[4]。以上可（kě）選擇的加工方法中，電火花加工氣膜孔不僅效率較高，且（qiě）與激光加工相比，重熔層厚度較薄。兼顧葉片氣膜冷卻孔加工效率（lǜ）和加工表麵質量，國內外大多數航空發（fā）動機生產（chǎn）廠家廣泛采用高溫合金葉片氣膜冷卻孔（kǒng）電火花加工工藝[4-7]。
為（wéi）了滿足先進航空發動機氣膜冷卻孔的加工速度和重熔層厚度的要（yào）求，本文進行了葉片氣膜冷卻孔的電火（huǒ）花加工工藝參（cān）數的優化實驗。針對（duì）鎳基高溫合金（jīn）的高熔點特性，研製了窄脈寬（kuān）高峰值電流的脈衝電源； 針對重熔層厚度分布不均的特點，提出了網格劃分的測量方法； 進（jìn）行了電壓（yā）、電流、脈寬、脈間、衝液壓力五因（yīn）素的擬水平正交試驗研究，尋找電火花加工鎳基合金材料（liào）的最優參數（shù）。
1. 高效脈衝電源的模（mó）塊化設（shè）計
脈衝電源提供的放電脈（mò）衝類型（xíng）和放電能量影響工件（jiàn）的（de）加工效率（lǜ）和重熔層厚度。鎳基合金的熔點（diǎn）高，需較大的單脈衝放電能量。葉片氣膜冷（lěng）卻孔的直徑和厚度不同，需在線（xiàn）進行電參數的調節。為了（le）提高加（jiā）工效率和減少重熔層厚度，研製（zhì）了脈衝電源參數在線可（kě）調的窄脈寬高峰值電流的高能量密（mì）度脈衝電源，並采取模（mó）塊化設計方案，以利於（yú）後期的維護和調試。
脈衝電源係（xì）統設計框圖見圖1。脈衝電源係統主要由信（xìn）號控製模塊、功率放大模塊、功（gōng）率管保護回路、放電（diàn）狀態檢測係統構成。上位機根據（jù）加工命令， 通過串（chuàn）口232 給主信號控製模塊的單（dān）片機（jī）（MCU）發送加工（gōng）電參數（脈寬、脈間、電流、電壓）；信號（hào）控製模塊的現場可編程門陣列芯片（FPGA）將其轉換（huàn）成相應的脈衝信號和I/O 信號輸出。由於信號控製模塊輸出信號較弱， 進行光耦隔離電路設計，可防止後麵強電信號的幹擾。功（gōng）率放大模塊根據信號控製模塊的脈衝信號控製功率管的開啟和關斷。功率管的保護回路吸收功率管開啟（qǐ）和關斷時產生的（de）浪湧電壓，保障功率管的穩定運行。放電狀態檢測係統實時檢測加工間隙的（de）電壓信號和電流信號， 將電信（xìn）號轉換成不同頻率的脈衝傳輸給PMAC 運動控製卡，作為Z 軸伺服進給的依據（jù）。為了加工（gōng）過程的開路電壓可調，通過PMAC 卡的控製調節直流電壓。脈衝電源係（xì）統的拓（tuò）撲結構見圖2，通過（guò）選（xuǎn）擇電阻（zǔ）來（lái）控製不同的峰值電流，設計（jì）中盡量減少（shǎo）回路的寄（jì）生電（diàn）感和電阻，使放電間隙峰值電（diàn）流的上升沿較陡，提高放電過程中的氣化蝕（shí）除（chú）比例。
將研製完成的信（xìn）號控製模塊、功率放（fàng）大模塊、放電狀態檢測係統和繼電器驅動（dòng）模塊裝配到整個控製櫃，結（jié）合數控係統進行整機調試。整機調試（shì）完（wán）的脈衝（chōng）電源主要參數見表1， 脈衝電源的最大峰值電流可達40 A，脈寬、脈間的寬度分辨率為0.2 μs，空載電（diàn）壓設計為60、90、120、150、200 V 5 檔， 有利於不同厚度和不同孔徑氣膜（mó）冷卻孔的電火花加工。
表1 脈衝電源的主要性能指標
2. 重（chóng）熔層的顯（xiǎn）示及標（biāo）定
2.1 重熔層的顯示
由於重熔層是（shì）快速冷凝時生成與基體明（míng）顯不同的金相組織，因此（cǐ）可通（tōng）過金相組織來區分基體和重（chóng）熔層。利用物理或化學的方法對拋光磨麵進行處理，使試樣各組織之間呈現出良好的襯度，組織（zhī）的組成（chéng）相對光線都（dōu）有較強的反射能力。由於基體和重熔層的組成相及其邊界具有不同的物理和化學性質（zhì）。利用（yòng）這些差異，在光學顯微鏡中轉換為不同的（de）反射光強度或色彩（cǎi），可以區（qū）別出基體和重熔層。金相組織觀測方法是先（xiān）將（jiāng）已加工（gōng）工件進行鑲（xiāng）嵌，然後將工件的待觀察表（biǎo）麵（miàn）進行（háng）粗磨、細磨和拋光，使磨麵達到光滑（huá）鏡麵，接著將磨麵（miàn）化學（xué）浸蝕以顯示其（qí）顯微組織，最後在光學顯微鏡下觀察磨麵的顯微組織。觀察重熔層各步驟中（zhōng）采用的設備及參（cān）數見表2。
表2 重熔層觀察步（bù）驟、設備及參數
利用光學顯微鏡觀察到的重熔層見圖3。在光學顯（xiǎn）微鏡下呈亮白色，顏色（sè）與基（jī）體（灰白色）、鑲嵌料（黑色）有顯著不同（tóng）。因（yīn）此可利用光學顯微鏡進行孔壁單點重熔層（céng）厚度的測量。圖4 是重熔層（céng）的掃描電（diàn）鏡照片，觀察結果顯示重熔層的金相組（zǔ）織相對於基體有明顯的界限，重熔層處（chù）存在（zài）微裂紋。結合圖3和圖4 可看出， 重熔層厚度無論是周向還是軸向，都不均勻且不連續，這給重熔層厚度的測量帶來度，重（chóng）熔層上單個采樣點的厚度不能準確表征整個重熔層厚度。
2.2 重（chóng）熔層厚度測（cè）量和標定
國內外文獻也表明，重熔層厚度（dù）分（fèn）布不均（jun1）給測量帶來難度。文獻（xiàn）[6]描述通過采集重熔（róng）層的麵積，除以周長得到重熔層的平（píng）均厚度；文獻[7]描述在顯微鏡的一個視野裏取9 個點測（cè）量，再取平均值。重熔層厚（hòu）度無論是沿周向還是軸向（xiàng）不（bú）均（jun1）勻且不（bú）連續，故用重熔層的平均厚度來表征較合適（shì）。可通過測量重熔層多個位置的（de）厚度求平均值，但（dàn）取樣點的位置和數量直接影（yǐng）響測量結果。測量光學顯微鏡下相同視野裏的點， 取不同取樣點會得到不同的平均值。取（qǔ）樣點分布越均勻、取樣點數量越多，統計結果越接近實際值。但在光學顯微鏡下進行人工測（cè）量時，取樣（yàng）均勻性（xìng）不能得到保（bǎo）證， 且取樣（yàng）點的數量越大，測量的勞動強度越大。本文采用實驗（yàn）室的顯微鏡具有的網格測量功能和Excel 保存功能， 提出了網格劃分的測量方法。首先確定取樣點的位置，在網格（gé）線與（yǔ）圓相交的位置，取該點徑（jìng）向方向的厚度為該點的有效（xiào）厚度；其次將網（wǎng）格線與圓相交的所有點的有效厚（hòu）度（dù）以Excel 形式保存（cún）， 在Excel 表格中進行數據處理，取其平均值作為該圓孔電火（huǒ）花加工的重熔層厚（hòu）度。
重熔層厚度網格劃分測量方（fāng）法見圖（tú）5。將間距相同的網格線與孔壁的交點作為測量點，沿徑向（xiàng）測（cè）量該點的重熔層厚度；測量時，網格線的個數設為奇數， 並使一個橫向網格線和縱向網格線經過圓心。由於測量點R1、T1距離（lí）很小，因此，測量點R1的結果不計入統計；同理，測量點L1、R5、L5也不計入統計。
3. 氣膜冷卻（què）孔厚度正交試驗（yàn）
3.1 試驗設計
該正（zhèng）交（jiāo）試驗設計為脈寬、脈間、電壓、電流和衝液壓力等5 個（gè）加工參數對（duì）重（chóng）熔層厚度的影響規律。由於電壓采用四水（shuǐ）平， 故采用擬水平正交試驗法。因素水平見表3。峰值電流、脈（mò）衝寬度、脈衝間隔和衝液壓力等工藝參（cān）數（shù）選擇5 個水平，加工電壓選擇4 個水（shuǐ）平，采用擬水（shuǐ）平正交試驗法進行試（shì）驗，正交試驗表（biǎo）為L25（56）。
表（biǎo）3 因素水平表
3.2 實（shí）驗結果及（jí）分析
加工實驗中， 工具電極采用直徑0.5 mm 的黃銅空（kōng）心圓柱狀電（diàn）極， 工（gōng）件為厚度6 mm 的Inconel738 鎳基高溫合金。工作（zuò）液為去離子水，采用正極性加工，電極轉速為（wéi）120 r/min。冷卻係統是內衝液和（hé）外衝液同（tóng）時進行，內衝液壓力為0～4.2 MPa 可調。為了更好地尋找（zhǎo）實驗的規律性， 每組參數加工3 個孔（kǒng），該實驗加工了75 個有效孔。利用本文（wén）提出的網格劃分的重熔層（céng）厚度測量方法，測（cè）量3 個孔的重熔層厚度，然後取平均值。實驗結（jié）果見表4。
表4 擬水平正交試驗（yàn）結果
采用statistical product and service solutions（SPSS）統計分析軟（ruǎn）件對試驗結果進行方差分（fèn）析，結果見表5。在分（fèn）析結果中，Sig 值越小，表示該因子對目標影響越大。從（cóng）表5 可看出，各因子對重熔（róng）層厚度（dù）影響的主次關係為：脈衝寬度>空載電壓>電流大小>脈衝間隔>衝液壓力；各因子對加工效率影響的主次（cì）關係為： 空載電壓>脈衝寬度>衝液壓力>脈（mò）衝間隔>峰值電流。
表5 SPSS 軟件的方差分析結果
氣膜冷卻孔（kǒng）電火花加工過程中需兼顧加（jiā）工效率和重熔層（céng）厚度。為了優化出加工時間短且重熔（róng）層厚度薄的參數，本文采用了（le）灰關聯（lián）度分析方法。灰色關聯度法是指在係統發展過程中，如果兩個因素變化的態勢是一致的，即同步變（biàn）化程度較高，認為兩者（zhě）關聯較大；反之，則兩（liǎng）者關聯度較小。在實驗結果的（de）分析中，不（bú）同工（gōng）藝目標因量（liàng）綱、數量級不同而不可比，通過量綱一化處理，使其具有相同的數（shù）量級，從（cóng）而使“不可比”變為（wéi）“可比”，即為灰生成。分辨（biàn）係（xì）數取在[0，1]區間，然後求出灰關聯度。各（gè）加工參數的各水平灰關聯度見表6。當關聯度最大時，表示在此加工參數條件下，重熔（róng）層厚度（dù）和加工時間的關聯度最（zuì）大，可優化出重熔層厚度和加工效率的最優參數（shù）。
表6 加工參數各水平（píng）灰關聯度平均值
優化後的加工參數組合為： 空載電（diàn）壓90 V、峰值電（diàn）流4 檔、脈衝寬度24 μs、脈衝間隔48 μs、衝液壓力3.6 MPa。根據該分析結果，采用優化後的加工參數進行（háng）驗證（zhèng）性試驗， 得到重熔層厚度為7.2 μm、加（jiā）工時間為24 s 以下的結果。
4 結論
（1）兼顧電火花加工氣膜冷卻孔的加工速度和重熔層厚度，研（yán）製了脈衝電源參數在線可調的窄脈寬高峰（fēng）值電（diàn）流脈衝（chōng）電源。電壓60～200 V 連續（xù）可調，最大峰（fēng）值電流達40 A，脈（mò）寬、脈間的寬度分辨率為0.2 μs， 有利於不同厚度和不同孔徑的氣膜冷卻孔的（de）電火花加工。
（2）實驗發現重熔層的厚度不均勻且不連續，為（wéi）了減少人為（wéi）測量誤差，提（tí）高測量精度，提出了網格劃分的（de）重熔（róng）層厚（hòu）度測量方法（fǎ）。
（3）進行（háng）空載電壓、電流、脈寬、脈（mò）間、衝液壓力的正交（jiāo）試驗， 采用SPSS 統計分析軟件（jiàn）進行優化分析。優化後的加工參數組合為（wéi）：空載電（diàn）壓90 V、峰值電流4 檔、脈衝寬度24 μs、脈（mò）間寬度48 μs、衝液壓力3.6 MPa。進（jìn）行6 mm 厚的Inconel738 鎳基高溫合金驗證實驗，重熔層厚度為7.2 μm，加工（gōng）時間24 s。
（4）對於重熔層厚度影響的主次關係是：脈衝寬度>空載電壓>電流大小>脈間寬度>衝液壓力。對於加（jiā）工（gōng）效率影響的主次關係是： 空載電壓>脈衝寬度>衝液壓力>脈衝間（jiān）隔>峰（fēng）值電流（liú）。
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