發動機動（dòng）、靜葉片激光電（diàn）火花複合製孔加工工藝技術研究
2017-2-9 來源：中航工業西安航空（kōng）發動機（集（jí）團）有限公（gōng）司 作者：陳（chén）陽，朱紅鋼，王增坤，王輝明，石銀喜（xǐ）
摘要：激光、電火（huǒ）花製孔這兩種加工（gōng）方法有一個共同的、主要（yào）的應用範圍，即可經濟而高效地對（duì）複雜的身體形狀作精細加工，且可應用於難加工（gōng）材料，已成為航空工業一種不可取代的加工工藝新方法。由於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製造業中。
關（guān）鍵詞：激光製孔；電（diàn）火花（huā）製孔；複合（hé）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（qì）膜孔加工（gōng）中，由於葉片鑄造型麵（miàn）不一致、加工工（gōng）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（tí），造成（chéng）激光、電火花都無法單（dān）工（gōng）藝實現（xiàn）本工序加工。且（qiě）各自工藝的短板，成（chéng）為影響發動機（jī）片（piàn）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、電火花複合加工的方（fāng）式， 對加工工序進行合理調配，對零件型麵進行探測研究，減少零件型麵（miàn）誤差對加工的影響。
1.激光、電火花打孔（kǒng）的優缺點
1.1 激光（guāng）打孔（kǒng）
激（jī）光打孔的缺點：被加工（gōng）孔的（de）精（jīng）度和表麵粗糙度尚不夠（gòu）理想。激光打孔的優點有：
（1）激光不僅能對置於空氣中的工件打孔，而且也能對置（zhì）於真（zhēn）空中或其他前提下的（de）工件進（jìn）行打孔。
（2）因為加工過程（chéng）與工件不接觸，故加工出（chū）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（bú）需特殊保護（hù）。
（3）可加工各種材料的（de）微（wēi）孔。一般機械鑽頭隻能鑽（zuàn）出直徑大於250 μm 的孔， 而激光則能加工出10 μm 以下的孔。就加工種（zhǒng）類來看，不僅可對（duì）金屬而且可對非金屬甚至橡膠等進行鑽（zuàn）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（shì）用其他加工（gōng）方（fāng）法難以達到的。如用一般方法在極（jí）硬的氧化鋁陶瓷上加（jiā）工小（xiǎo）孔所得到的深徑比為2，超聲波法隻有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）加工孔徑範圍一般在0.3~3 mm 之間（jiān），深（shēn）徑比能達（dá）200∶1 以上。這（zhè）是其相比於其他工藝非常重（chóng）要的一個優點，即對小徑深孔（kǒng）的加工。由於高速（sù）電火花小孔加工技術使（shǐ）用水基工作液作為加工介質，因其電導率大，在極間（jiān）電壓作用下會產生（shēng）介電係數與水不同的氫氣，從而導致放電間（jiān）隙增大，增加擊穿延時，提高效率。另外，由於在加工過程中，脈衝間隔很（hěn）小，使脈衝頻（pín）率大大增加，脈衝電（diàn）源（yuán）的有（yǒu）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（dù）一般能達（dá）20~60 mm/min，且（qiě）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（jī）械加工相比擬。與常規電火花小孔加工技術相比， 由於水（shuǐ）基工作液（yè）高速地流過工作間（jiān）隙，將（jiāng）放電間隙中的蝕除物迅速排出間隙，並有良好的（de）冷（lěng）卻性（xìng）能，因而（ér）整個過程速度快，消（xiāo）電離（lí）過程快，精度（dù）高。
（3）直（zhí）接從斜麵、曲（qǔ）麵（miàn）穿入，加工盲孔、深孔、斜孔及異形孔（kǒng）等。
（4）不受材料的硬度及韌性限製，除了能（néng）加工一（yī）般的（de）導電材料以外，還能順利加工不鏽（xiù）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（rèn）性限製較大。
（5）加工孔的尺寸一（yī）致性，一般能在0.03~0.05mm 之間，圓度在0.02~0.03 mm 之間，表（biǎo）麵粗糙度Ra3.5 μm 左右，能滿足一定的垂直度要求。電火花打孔的（de）缺點有：
（1）放（fàng）電間隙狹窄。電火花放（fàng）電加工中工具電極與工件間（jiān）的絕緣工作介質（zhì）有一定的介電常數，放電加工時有一定的擊穿間隙（xì）（放電間隙），因此放電加（jiā）工後工（gōng）件的尺（chǐ）寸與工具電極的尺寸並不完全一致。且放電間隙是隨（suí）電參數、電極（jí）材料、工（gōng）作液等因素的變化而變化的，從而影響（xiǎng）了加工精（jīng）度。間隙越大，則複製（zhì）精度越（yuè）差，特別是對複雜形狀的加工表麵。如電極為尖角時，而由於放電間隙（xì）的等距離，工件則（zé）為圓角。因此，為了減少加工尺寸誤差，應采用較（jiào）弱小（xiǎo）的加（jiā）工規準（zhǔn），縮小放電間隙（xì），另（lìng）外還必須盡可能使加（jiā）工（gōng）過程穩定。
（2）易出現加工錐度和圓角。由於工具電極（jí）下麵部分加工時間長、損耗大，因此電極變小，而入口處由於電（diàn）蝕（shí）產物的存在，易發生因電蝕產物的介入而再次進行的非正（zhèng）常放電（diàn）（即“二次放電”），因而產生加（jiā）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（shì）靠（kào）高溫熔化氣化金屬實（shí）現對工件的加工，工具電極必須是（shì）導電金屬用來傳導電能，所以（yǐ）在高溫和帶電粒（lì）子的（de）撞擊（jī）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（míng）顯。
2.實驗過（guò）程及加工工（gōng）藝方法
2.1 激光加工實例
某機的高壓（yā）渦（wō）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（biān）3 排（25- φ0.4+0.1 0）共4 排33 個氣膜孔（圖1）。
圖（tú）1 高壓渦輪導向（xiàng）葉片加工組合件氣膜孔分布示意圖
以前工藝方（fāng）案為電火花加工，效（xiào）率（lǜ）低。零件為鑄件，鑄件型（xíng）麵公（gōng）差（chà）大，葉片型麵一致性差，孔位置度難以保證。按照要（yào）求（qiú）的葉片型麵（miàn）線輪廓度為0.2mm，由於逐漸的（de）加工難度較大（dà），隻能保證葉片型麵在0.4 mm 左右，嚴重影（yǐng）響了氣膜孔加工的位置（zhì）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（kǒu）距型（xíng）腔（qiāng）內壁較遠，可塞保護材料進行有（yǒu）效保護，故改為激光加工，因激光加工無法有（yǒu）效控製（zhì）加工深度， 另一排距（jù）型腔內壁很近，無法（fǎ）添加保護材料（liào），存在擊傷內（nèi）壁（bì）的隱患（huàn），所以（yǐ）這排仍采用電火花加工。排氣邊孔為型腔內角度（dù）斜孔，加工（gōng）深度大（dà），加工空間（jiān）狹小，無法采用激光加工，故仍（réng）采用電（diàn）火花加（jiā）工。通過加工工藝的改進（圖（tú）2），由以（yǐ）前的電火花加工優化為激（jī）光-電火花複合加工，從而使加工效率得到（dào）很大提（tí）高。
圖2 激光（guāng）-電火花（huā）複合加工示意圖
存在問題：
（1）零件型麵對加工的影響。零件為鑄件，型麵公（gōng）差大且一致性差，加工中需根據零件型（xíng）麵調整孔位，加工效率低。型麵公（gōng）差大還影響到加工深度，4排孔的出口（kǒu）都（dōu）在狹小的型腔內，空（kōng）間小（圖（tú）3），加工中存在擊傷內腔的隱患。加（jiā）工時無法（fǎ）設定一個（gè）固定的加工（gōng）深度， 隻能根據（jù）加工情況手動（dòng）調整加工深（shēn）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（xíng）麵對（duì）孔位置度的影響（xiǎng），加（jiā）工時需根據零件（jiàn）型麵情況對孔（kǒng）位進（jìn）行調整。孔位調整步（bù）驟為：標準樣件確定加工孔位→編製加工程序→加（jiā）工（gōng）試件→測算試件和（hé）標準件型麵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（kǒng）加（jiā）工效率低。排氣邊孔（kǒng）為型腔內的斜孔，加工中選用細長杆導向器，避免與夾具發生幹涉。所用（yòng）電極為400 mm 長的銅管電（diàn）極，因選用細長杆導（dǎo）向器，使電極的有效使用（yòng）部分變小（xiǎo），加工效率低。孔的入（rù）口位於型腔斜麵上，加（jiā）工可靠性差，加工時電極沿（yán）型（xíng）麵滑動，孔位確定困難（nán）。加工時選用合理的加工參數，改（gǎi）善加工時的衝液狀況，以提（tí）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（huā）小孔機床加工， 電極材料為黃銅（tóng），直徑（jìng）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（gōng）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，校正電極基準麵與工作台的（de）位置精（jīng）度，保證裝夾（jiá）可靠。
（2）以榫齒和側平（píng）麵為定位基準麵裝夾工（gōng）件，加工時將工件以（yǐ）定（dìng）位麵為基準，裝夾後校正與電極的相對位置。機床可建立及變更坐標係統原點（diǎn），利（lì）用高靈（líng）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（diàn）極與工件的相對位置後（hòu）將工件固定，移動主軸頭，使電極下端麵與（yǔ）工件上平麵保持合適的距離。
（3）打開工作（zuò）液泵，將壓力調到8 MPa，工作液由循環係統進（jìn）入密封夾頭，再通過電極（jí）中部毛細（xì）管孔進入加工區，啟動脈衝電源與控製係（xì）統，調出編製好的加工程序，準備進行加工。
（4）加工時根據（jù）加（jiā）工穩定狀態調節（jiē）進給速度、衝液壓力等。通過參數（shù）顯示屏隨時觀察孔（kǒng）的加（jiā）工深度、電極損（sǔn）耗及（jí）加工時間等。加工過程中應抽查孔的尺寸和加工表（biǎo）麵情況，以保（bǎo）證（zhèng）零件的加（jiā）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（tú）4。利用電火花工（gōng）藝進行高壓渦輪葉片（piàn）氣膜孔加工，產品品質明顯改善（shàn），效率與葉片加工合格率大幅提高，零件合格（gé）率提（tí）高到80.7 %，加工成本顯著降低。加工品質與效率（lǜ）的提高使發動機的按時交付得到了保證（zhèng）。
表1 氣（qì）膜孔電加（jiā）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製、加（jiā）工設備穩定（dìng）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， 結合實際情況來製定解決措施，取得了（le）良好效（xiào）果。
2.2.4 加（jiā）工深度的控製
由於目前使用的電火花加（jiā）工設備使用半（bàn）閉環係統，加工深度信（xìn）號沒有反饋，所以無法準確控製加工深度。高壓渦輪葉片， 內腔距離（lí）僅為0.198~0.215 mm。如何保證既把（bǎ）孔打通又不打傷或打（dǎ）穿葉片內腔對麵基體的難（nán）度（dù）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（kǒng）各（gè）截麵穿頭深度，根據電極長度（dù）消耗值，按尺寸公差偏上（shàng）差計算加工深度，並將深度值固化在程序中，控製電極加工深度。
（2）硬（yìng）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（zǔ）擋電極損耗，防止打傷或打穿葉片（piàn）。
（3）補加工工藝方案（àn）。當遇到葉（yè）片壁（bì）厚不均勻、電極品質不好、機床（chuáng）故障等特殊情況，造成孔沒有打通時，分（fèn）別（bié）編製（zhì）了直徑0.3、0.5 mm 孔的補加工程序，對通（tōng）孔位進行補加工。
2.4.5 加工設備穩定性與精度的提（tí）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（zào）成第6~9 排孔的（de）位（wèi）置度極易不合格；旋轉頭不轉、碳刷接觸不好及導向器同（tóng）心度不好等；高壓泵正常使（shǐ）用壓力為6 MPa 以下，而加工需8 MPa 的高壓，這就使高壓泵（bèng）超常運行，再加上設備全天不間斷運行，使高壓泵的（de）許多部件疲勞運行，其故障必然頻繁發生，主（zhǔ）要損傷的部件有過濾器、節流墊、節流（liú）閥、滾珠、電動機等。另外，由於疲（pí）勞運行，工（gōng）作液裏含有電蝕物及（jí）部（bù）分金屬（shǔ）微粒（lì），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（de）效率。實踐（jiàn）證明，通過下述措施可有效解決故障問（wèn）題。
（1）重新編製一個新程（chéng）序，對6~9 排孔單獨加工，以保證其空間位置不受機床缺（quē）陷的影響。
（2）新旋轉頭（tóu）采用陶瓷軸承，防止了鏽（xiù）蝕（shí）和電蝕，一般壽命（mìng）提高（gāo）3~6 倍。
（3）通向電極的電（diàn）流直接連接碳刷，減少電（diàn）流流經的中間環節，降低了故障率，也提高了係統（tǒng）加工的穩定性。
（4）優選高、低壓（yā）泵，通過（guò）多品牌（pái）、多（duō）型號（hào）泵的運轉試驗，選擇壽命（mìng）長、參數（shù）和性能穩定的泵進行加（jiā）工。
（5）對主要損傷部件增加了庫（kù）存量，使設備可進行長時間、不（bú）停機加工，提高緊迫生產任務的應變能力（lì）。
（6）定期對高、低壓泵進行檢查，如發現異常情況立即更換， 並對更換下來的高壓（yā）泵進行檢查、維護、修理。
（7）對計（jì）算機係統軟件進（jìn）行修改和升級，對原時間當量由原來的30 s 改為10 s，有（yǒu）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（zhǒng）類和硬（yìng）度（dù）都可進行，故（gù）應用範圍較廣，但因精度較差，重複精度也較低，所以（yǐ）用（yòng）量（liàng）、規模都不是很大（dà）。但對一些特殊（shū）零件（jiàn），采用激（jī）光打孔卻取得了很大的效益。渦輪葉片氣膜孔（kǒng）的加工（gōng）采用激光旋切，盡管在孔壁局部範圍尚（shàng）存在重熔層（céng），最大厚度<0.05 mm，個別孔存在微裂紋，但（dàn）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（kǒng）數量很大的零件進行（háng）加工（gōng）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（róng）層厚度（dù）的一半， 可控製在0.02 mm以內，能滿足所有（yǒu）發動機動、靜葉片的冶金質量（liàng）要求。對於某些位（wèi）於葉身型麵的氣膜冷（lěng）卻孔，可使用高速電火花（huā）打孔機（jī）床， 重熔層厚度（dù）一般在0.04 mm以（yǐ）內。
激光打孔工藝不（bú）需工作（zuò）電極（jí），在數控工作台上安（ān）裝零件不需製作複雜的工（gōng）裝，氣（qì）膜冷（lěng）卻孔的尺寸可任意調節，最適宜作為（wéi）新機（jī）研製時打孔的工（gōng）藝方法。電火花打孔成本低，加工（gōng）質量比激（jī）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（yòng）電火花加工、激光加工兩種工藝方法，對（duì）零件工序進行合理調配，並對工藝方法和加工參數進行優化。
隨著先（xiān）進製造技術的發展，新的氣膜孔加工工藝（yì）不斷被開發出來，對（duì）帶有陶瓷塗（tú）層（céng）葉片的氣膜孔加工，公司內（nèi）部現正在使用的加工工藝是先加工（gōng）冷卻氣膜（mó）孔，再塗覆（fù）陶瓷，最後用微型鑽頭在相應（yīng）的（de）孔位處去除陶（táo）瓷（cí）塗層，其工序複雜、效率低、質量不（bú）易控製。現在使用激光電火花複（fù）合加工技術（shù），可在相應的打孔位置上精確地用（yòng）激光去除（chú）陶瓷塗層，再使用（yòng）高速電火花精（jīng）確（què）打孔， 縮短了零（líng）件的加工（gōng）周期，確保了加工（gōng）質量。同時，為公司各（gè）類型動（dòng）、靜葉片零件的加工（gōng）摸索出可行的工藝方案， 此方法也可在其他（tā）機種的零件中應用， 拓寬了該方法的用途。因此，激光（guāng）、電火（huǒ）花複合加工工藝的研發，對航空發動機的製造有著深（shēn）遠意義。
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