沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（遼寧 110862）許 帥 于 冰

火焰筒是燃燒室的承溫部件，筒體壁上開有各種功能孔實(shí)現(xiàn)在其間氣液兩相流穩(wěn)定高效的燃燒，并與冷氣摻混，滿足出口溫度分布需要，同時(shí)壁面采取有效的冷卻防護(hù)措施，防止燒壞。為了保證各種功能孔的使用效果，尤其是分布在筒體壁上沖擊孔的冷卻效用，對(duì)沖擊孔、對(duì)流孔等制造技術(shù)提出了更高的要求。

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為機(jī)械小孔加工難度較高，是精密加工領(lǐng)域的難題?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上要求在難加工材料上加工小孔越來(lái)越多，如燃燒室火焰筒上的沖擊孔、渦輪葉片氣膜孔、發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴上的噴油孔，以及渦輪靜子葉片上的各類型孔和型槽等，這些小孔都是分布在錐面及空間面上，難于機(jī)械加工。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)燃燒室火焰筒筒體壁上呈空間角度分布的沖擊孔，大多采用激光的方式進(jìn)行加工，其能力較強(qiáng)，成本低，生產(chǎn)效率也高。但是由于激光的燒熔作用，孔內(nèi)表面粗糙度不均勻，形成較厚的重熔層，實(shí)際測(cè)量的孔直徑要小于孔的實(shí)際通流直徑，且激光加工后小孔下方端口留有熔瘤堆積，上方端口邊緣毛刺眾多，后期需要進(jìn)行人工打磨處理，大大增加了工作量，反而降低了生產(chǎn)效率。為了更有效地解決激光加工后遺留的質(zhì)量隱患，加工出高質(zhì)量的沖擊孔，從而提出了電火花加工。

一、浮動(dòng)壁式火焰筒沖擊孔加工工藝分析

1.浮動(dòng)壁式火焰筒簡(jiǎn)介

浮動(dòng)壁式火焰筒具有拆卸和維護(hù)方便、冷卻效果好、使用壽命長(zhǎng)及可明顯改善溫度分布等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃燒性能提高的要求。但這種結(jié)構(gòu)的火焰筒給制造技術(shù)帶來(lái)一定的困難，如變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu)的火焰筒剛性差、尺寸精度高，尤其是內(nèi)外筒體壁上上萬(wàn)個(gè)沖擊孔和瓦片裝配定位孔的定位精度及加工技術(shù)等。另外，火焰筒的壁溫問(wèn)題也尤為顯著，目前解決發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒的冷卻問(wèn)題，主要采取沖擊－對(duì)流－氣膜復(fù)合冷卻的浮動(dòng)壁式壁面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的冷卻效果直接取決于浮動(dòng)瓦片上的氣膜孔與筒體壁上的沖擊孔能否形成對(duì)流效應(yīng)，除了要求浮動(dòng)瓦片型面、定位螺栓、對(duì)流孔和擾流柱精鑄的相對(duì)位置要非常精確外，還要求筒體壁上的浮動(dòng)瓦片裝配定位孔和沖擊孔的相互位置也要非常精確，同時(shí)，沖擊孔的加工質(zhì)量也尤為重要，它將直接影響到氣膜冷卻的效果。

針對(duì)上述筒體壁上的浮動(dòng)瓦片裝配定位孔和沖擊孔的相互位置精確度及沖擊孔的加工質(zhì)量要求，通過(guò)大量工藝試驗(yàn)，確定沖擊孔的加工方法，完善工藝路線，保證火焰筒的使用壽命，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2.浮動(dòng)壁式火焰筒沖擊孔加工技術(shù)的比較分析

孔加工是機(jī)械加工中占比例較大的一種重要加工工序。隨著高硬度、高強(qiáng)度難加工材料的發(fā)展，對(duì)孔的加工需求也逐漸增多。機(jī)械加工浮動(dòng)壁式火焰筒沖擊孔難度較高，采用電火花、電液束、激光等特種加工技術(shù)，均可解決沖擊孔加工的難題，滿足精尖端制品對(duì)沖擊孔加工的需要。沖擊孔的加工主要有以下幾種方式：

（1）高速電火花小孔加工（High-speed small hole ED Drilling）高速電火花小孔加工是在旋轉(zhuǎn)的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時(shí)保持高電流密度連續(xù)正常放電。其加工速度一般可達(dá)60mm/min，比機(jī)械鉆削小孔快得多。多軸數(shù)控電火花高速打孔機(jī)在近幾年的發(fā)展速度非常之快，不僅可實(shí)現(xiàn)空間多個(gè)自由度的要求，而且加工質(zhì)量也高，能夠滿足各類零件的生產(chǎn)需要。

（2）電液束加工 電液束加工是將具有一定壓力的電解液通過(guò)電極（陰極），經(jīng)絕緣玻璃噴嘴形成一束射流噴向工件（陽(yáng)極），同時(shí)在工件和電極之間施壓高電壓，使工件上被電解液噴射的材料部分溶解去除而進(jìn)行的加工方法。其特點(diǎn)有：①“三無(wú)”，即無(wú)重熔層，無(wú)微裂紋，無(wú)熱影響區(qū)。② 具有可達(dá)性，表面完整性好，深徑比大。③ 電液束加工的孔進(jìn)出口光滑、無(wú)毛刺，表面粗糙度值低。④ 與傳統(tǒng)電解電工工藝相比，可以加工更小的孔。

然而，電液束加工用的電極設(shè)計(jì)要求高，制造成本也高，且目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有適合加工大零件用的多軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)的電液束加工機(jī)床。

（3）激光加工 激光加工是將激光束照射到加工物體的表面，產(chǎn)生光輻射加熱作用，從而去除或熔化材料以及改變物體表面性能，達(dá)到加工目的。其加工特點(diǎn)速度快，效率高，無(wú)宏觀作用力，然而激光加工后小孔下方端口有熔瘤堆積，表面粗糙度值較高。

本課題以多軸數(shù)控電火花小孔加工設(shè)備為平臺(tái)，采用電火花高速打孔技術(shù)對(duì)火焰筒內(nèi)外環(huán)沖擊孔進(jìn)行加工。其優(yōu)勢(shì)是加工精度高（圓度和尺寸精度高），孔內(nèi)表面粗糙度均勻，無(wú)需后續(xù)的人工處理，節(jié)省了大量人力，提高了生產(chǎn)效率并保證了氣膜冷卻效果。

二、電火花高速打孔工藝方案的論證

火焰筒內(nèi)外環(huán)采用GH3536材料，該材料機(jī)械切削性能差，且零件上設(shè)計(jì)了上萬(wàn)個(gè)沖擊孔，孔徑尺寸為φ1.1～φ1.8mm不等，位置精度要求高，給加工帶來(lái)很大的困難。原采用激光加工，孔的加工質(zhì)量較差，本課題通過(guò)對(duì)浮動(dòng)壁式火焰筒內(nèi)外環(huán)沖擊孔電火花加工技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有激光加工工藝的替代，以解決激光加工后遺留的質(zhì)量隱患，提高沖擊孔的加工質(zhì)量，保證零件的使用性能。

1.電火花打孔工藝試驗(yàn)

（1）工藝試驗(yàn)研究對(duì)象 本試驗(yàn)采用浮動(dòng)壁火焰筒作為研究對(duì)象，火焰筒是燃燒室的核心構(gòu)件，一般都是用1.0～2.0mm厚的耐熱合金板碾焊拼成的幾段圓筒。本試驗(yàn)采用電火花加工技術(shù)針對(duì)火焰筒壁上的沖擊孔進(jìn)行加工，從而達(dá)到火焰筒對(duì)氣膜冷卻效果的要求。圖1所示為火焰筒內(nèi)環(huán)模型，圖2所示為火焰筒外環(huán)模型。

圖1 火焰筒內(nèi)環(huán)模型

圖2 火焰筒外環(huán)模型

（2）電極結(jié)構(gòu) 火焰筒內(nèi)外環(huán)上分布的上萬(wàn)個(gè)沖擊孔孔徑尺寸分為7種規(guī)格，分別為φ1.1mm、φ1.2mm、φ1.3mm、φ1.4mm、φ1.5mm、φ1.7mm和φ1.8mm。由于沖擊孔孔徑尺寸各不相同，所以電極的尺寸也選取不同的規(guī)格，并且配套選取電極導(dǎo)套（導(dǎo)向器）規(guī)格。

（3）進(jìn)行GH3536材料的電加工性能工藝試驗(yàn) 設(shè)計(jì)7組與火焰筒壁厚一樣且材料相同（GH3536材料）的試片進(jìn)行電火花小孔加工試驗(yàn)，每一組試片對(duì)應(yīng)一種沖擊孔的孔徑進(jìn)行試驗(yàn)，從而確定這種孔徑的電極尺寸。具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1 7種沖擊孔孔徑電極尺寸的確定情況 (單位：mm)

（4）正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù) 本試驗(yàn)在高壓電流和沖液壓力保持恒定的狀態(tài)下設(shè)計(jì)了加工電流（平均電流）、脈沖寬度、脈沖間隔和伺服進(jìn)給速度為高速電火花小孔加工的4個(gè)工藝參數(shù)，每個(gè)工藝參數(shù)取3個(gè)水平，構(gòu)成L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)。

再將正交試驗(yàn)優(yōu)選出的7組最優(yōu)水平組合參數(shù)應(yīng)用于浮壁式火焰筒沖擊孔電火花加工的驗(yàn)證試驗(yàn)中，并針對(duì)每種孔徑的沖擊孔加工，各自再選取出一組較好的參數(shù)組合，與正交試驗(yàn)優(yōu)選出的最優(yōu)水平組合參數(shù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，表2中單數(shù)試驗(yàn)號(hào)分別為7種孔徑正交試驗(yàn)優(yōu)選出的最優(yōu)水平組合參數(shù)，偶數(shù)試驗(yàn)號(hào)則為對(duì)應(yīng)孔徑試驗(yàn)加工中經(jīng)驗(yàn)較好的參數(shù)組合（詳見表2）。

表2 7種孔徑參數(shù)組合的驗(yàn)證試驗(yàn)

利用上述14組參數(shù)分別在14個(gè)試片上進(jìn)行對(duì)應(yīng)孔徑的沖擊孔加工，并將加工完成后的每一個(gè)試片上的20個(gè)沖擊孔進(jìn)行重熔層厚度檢查，對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行比較分析。由重熔層平均厚度值分析可得，每種孔徑?jīng)_擊孔的兩組參數(shù)組合中單數(shù)試驗(yàn)號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果為該沖擊孔的理想?yún)?shù)組合，同時(shí)也是正交試驗(yàn)優(yōu)選出的兩組最優(yōu)水平組合，該結(jié)論驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的理論結(jié)果。

2.加工程序的驗(yàn)證

火焰筒筒體直徑尺寸很大，壁薄、剛性差，如果一排一排地加工沖擊孔，極難保證一萬(wàn)多個(gè)沖擊孔的位置度要求，所以采取特殊的加工方式，分別將整個(gè)內(nèi)、外環(huán)筒體按照瓦塊的裝配關(guān)系各劃分成60個(gè)扇形區(qū)域（浮動(dòng)壁式火焰筒由120塊鑄造耐熱合金“瓦片”襯附在整塊冷壁板內(nèi)，具有極好的耐高溫和熱疲勞性能。內(nèi)、外環(huán)形壁板內(nèi)各襯5排“瓦片”，每排12塊），每個(gè)扇形區(qū)域都比較小，所以沖擊孔的偏離就不會(huì)太嚴(yán)重。利用UG建模確定每個(gè)扇形區(qū)域中所有沖擊孔的空間位置，即孔的中心線分別在筒體壁外壁面上X1、Y1、Z1值和筒體壁內(nèi)壁面上的X2、Y2、Z2值，以便生成加工程序。

整個(gè)加工程序編制過(guò)程復(fù)雜，加工要素繁多，且加工程序?yàn)楦呒?jí)語(yǔ)言編制，分為兩個(gè)部分，第一部分是探頭程序，用于檢測(cè)沖擊孔位置度及確定零點(diǎn)；另一部分是打孔程序，加工單個(gè)扇形區(qū)域的沖擊孔。為了保證筒體壁上沖擊孔和瓦塊裝配定位孔的位置精度要求，需要重復(fù)找正60次才能加工出一個(gè)零件，雖然增加了加工周期，但卻保證了加工質(zhì)量，提高了位置精度。

3.加工質(zhì)量分析與檢查

對(duì)加工后的沖擊孔進(jìn)行孔徑尺寸、位置度、加工質(zhì)量的檢查，加工質(zhì)量包括孔型的圓整度，重熔層厚度以及孔口邊的光滑程度（是否存有毛刺）。由于孔的加工是相對(duì)于瓦塊分區(qū)進(jìn)行加工的，故孔的位置度檢查也應(yīng)分區(qū)檢查。圖3、圖4所示為表1中φ1.16mm和φ1.66mm兩組電極及參數(shù)加工后的小孔金相檢查結(jié)果，由圖片觀察可得重熔層厚度較薄，表面質(zhì)量也較好。

圖3 φ1.16mm小孔金相檢查結(jié)果

圖4 φ1.66mm小孔金相檢查結(jié)果

三、結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)浮壁式火焰筒沖擊孔加工的技術(shù)問(wèn)題，提出了高速電火花小孔加工的工藝方案，開發(fā)出相應(yīng)的加工程序以及運(yùn)用正交試驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了加工程序和加工工藝的可行性。本文完成了有特色的研究工作：

（1）對(duì)浮壁式火焰筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝特性進(jìn)行研究，提出高速電火花小孔加工工藝方案。

（2）研究了浮壁式火焰筒沖擊孔的分布結(jié)構(gòu)和工藝要求，開發(fā)出連續(xù)完整的加工程序。

（3）運(yùn)用正交試驗(yàn)法對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定加工質(zhì)量最優(yōu)的參數(shù)組合。

（4）通過(guò)分析檢測(cè)報(bào)告及結(jié)果顯示，再次確認(rèn)了工藝路線，驗(yàn)證工藝方案的可行性。