張 龍，佟 浩,2，李 勇,2，李 巖，柴永生,，李朝將

（1.清華大學(xué)機械工程系制造工程研究所/摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京 100084；2.精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室，北京 100084；3.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東煙臺 264005）

航空發(fā)動機中，壓氣機轉(zhuǎn)子葉片在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)期間，常會在進/排氣邊產(chǎn)生疲勞裂紋，且會不斷擴展，導(dǎo)致葉片折斷，極易打傷其他葉片或構(gòu)件，給飛行安全帶來隱患。為預(yù)防葉片折斷，目前常采用超聲表面無損檢測方法，判斷葉片是否已產(chǎn)生裂紋[1]。檢測過程中遇到波形不穩(wěn)定或有變化時，需使用帶有微窄槽的人工標準缺陷葉片，重新校準檢測儀器。

人工標準缺陷是模擬葉片裂紋的存在，形狀為帶有微小內(nèi)棱角的穿透型窄槽，槽寬50～100 μm，槽深200～300 μm（圖1）[1]，且葉片材料一般為沉淀硬化型不銹鋼材料，常規(guī)機械加工方法無法滿足這種微窄槽的加工要求。微細電火花加工作為一種非接觸式特種加工方法，適合在導(dǎo)電材料上加工尺寸小、精度要求高的微孔、微槽和微三維結(jié)構(gòu)[2,3]。

然而，現(xiàn)有的微細電火花加工工藝還難以滿足上述加工要求。現(xiàn)有微槽電火花加工工藝可歸納為線切割加工、掃描加工、盤狀電極加工[4-7]。由于線切割加工使用的工具電極截面為圓形，必然使窄槽的內(nèi)棱產(chǎn)生圓角，且由于受電極絲直徑的限制，很難加工60 μm 以下的微細窄槽。微槽電火花掃描加工是利用簡單截面電極或扁平成形電極端部進行掃描加工的由于電極端部損耗，使加工深度難以精確控制，且電極邊角損耗也造成微槽內(nèi)棱角無法精確成形。盤狀電極加工方法使用薄圓盤狀電極相對工件作旋轉(zhuǎn)進給，通過圓盤邊緣放電加工窄槽，電極損耗也會使窄槽內(nèi)棱邊產(chǎn)生圓角。

圖1 葉片裂紋缺陷示意圖

針對目前帶有微小內(nèi)棱角穿透型窄槽加工中深度不可控及內(nèi)棱存在圓角的問題，本文提出了一種微細扁平成形電極穿槽電火花加工方法。該方法通過在線制作微細扁平電極，采用穿透成形加工方法，補償加工中扁平電極損耗，以實現(xiàn)微細窄槽的精密成形加工；并在航空發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子葉片上開展了驗證性實驗。

1 窄槽微細電火花加工工藝

為了實現(xiàn)微細扁平電極的在線制作，基于線放電磨削（WEDG）機構(gòu)[8]，設(shè)計了具有微缺口導(dǎo)向塊的穩(wěn)定線走絲模塊（圖2）。通過在傳統(tǒng)WEDG 導(dǎo)向塊前端加工微缺口，使線走絲導(dǎo)向塊具有線切割加工功能。該設(shè)計借鑒了WEDG 機構(gòu)的電極損耗補償及穩(wěn)定導(dǎo)向的優(yōu)點，線電極在微缺口兩端為固定導(dǎo)向塊支撐，且微缺口的尺寸?。▽挾? mm）。這樣，可充分利用導(dǎo)向塊的導(dǎo)向支撐作用，保證了在缺口位置線電極走絲的穩(wěn)定可靠，用于實現(xiàn)扁平微細電極的高精度在線制作。

圖2 帶有微缺口的線走絲導(dǎo)向塊示意圖

微細扁平電極制作過程見圖3。結(jié)合工具電極Z 軸和Y 軸方向的進給運動，即可實現(xiàn)微細扁平電極的線切割加工。首先，將工具電極放置在微缺口的內(nèi)側(cè)，工具電極以恒定的速度緩慢進給，得到如圖3a 所示的工具電極形狀；然后，通過計算放電間隙和已知的線電極直徑，根據(jù)所需扁平電極的厚度，計算出導(dǎo)向塊在Y 軸方向需進給的長度，再進行工具電極的緩慢進給，得到如圖3b 所示的工具電極形狀；由于工具電極初始截面為圓形，為形成直棱邊，還需去除扁平電極側(cè)面多余的材料，將主軸分別旋轉(zhuǎn)90°和270°，通過工具電極的進給，可得到扁平電極的棱邊（圖3c和圖3d）。經(jīng)過上述步驟的制作，可在線制成所需尺寸的微細扁平電極。

圖3 線切割制作扁平電極示意圖

利用制作出的微細扁平電極，對帶有微小內(nèi)棱角穿透型窄槽進行微細電火花加工（圖4）。將需要加工微窄槽的工件側(cè)向放置，扁平電極從側(cè)面開始對微窄槽進行加工，通過放電間隙伺服控制實現(xiàn)電極和工件間連續(xù)穩(wěn)定放電。雖然電火花加工中存在電極損耗現(xiàn)象，但利用在線制作較長的扁平電極穿透進給一定長度的方法，可補償扁平電極前端的損耗，消除電極損耗對微窄槽形狀精度的影響（圖5）。

為控制微窄槽加工深度（圖6），采用低壓電接觸感知方法。在加工前，先電接觸感知扁平電極與工件相對位置，通過數(shù)控系統(tǒng)得到坐標值；再根據(jù)微窄槽設(shè)定深度及放電間隙，即可計算出電極的相對位移量，保證微窄槽深度方向的精度。

綜合上述扁平電極的制作方法和微窄槽的穿透加工方法，可實現(xiàn)帶有微小內(nèi)棱角穿透型窄槽的電火花加工。

圖4 電火花穿槽加工示意圖

圖5 過進給穿透加工示意圖

圖6 微窄槽深度控制

2 窄槽的微細電火花加工實驗研究

航空發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子葉片的缺陷微窄槽技術(shù)要求為寬度＜90 μm，深度250±12 μm。針對這一要求，開展了加工實驗研究。微細電火花加工實驗系統(tǒng)X、Y 軸定位精度為2 μm，Z 軸定位精度為0.5 μm，安裝有WEDG 機構(gòu)，更換了帶有微缺口的導(dǎo)向塊（圖2）。加工實驗參數(shù)見表1。

表1 微窄槽加工實驗參數(shù)

圖7 是制作過程中扁平電極的截面示意圖。先采用間隙伺服控制方法提高放電率，使工具電極和線電極之間保持恒定的放電間隙，快速去除無關(guān)最終成形精度的大部分材料（圖示①區(qū)域）；再采用無間隙伺服控制，工具電極以恒定速度進給，僅去除少量材料（圖示②、③區(qū)域），獲得較高的表面質(zhì)量，最終得到的扁平電極截面（圖示④區(qū)域）。

圖8 是制作出的微細扁平電極的掃描電鏡圖片。經(jīng)測量，扁平電極的寬度為485 μm，厚度為70 μm，制作時間36 min。

圖7 扁平電極制作過程示意圖

圖8 微細扁平電極圖

利用制作出的扁平電極進行電火花穿槽加工，加工后的微窄槽顯微圖片見圖9，寬度為85 μm。由于無法直接測量微窄槽的深度，故采用高分子有機物對微槽進行注模處理[9]，測得注模深度為244 μm（圖10）。

圖9 微窄槽寬度測量

圖10 微窄槽深度測量

為驗證加工出的微窄槽形狀精度及內(nèi)棱邊，對加工窄槽最終成形部位的扁平電極進行了測量（圖11）?？煽闯觯馄诫姌O前端出現(xiàn)了電極損耗區(qū)域，且電極棱邊出現(xiàn)圓角；由于微窄槽的寬度為扁平電極寬度的一半，扁平電極使用左右兩側(cè)進行了2 個微窄槽的加工。通過局部放大發(fā)現(xiàn)，扁平電極后半部分仍有較好的形狀精度和直棱邊，這就保證了微窄槽的形狀精度和內(nèi)棱角。對微窄槽的注模進行掃描電鏡觀察，可看出微窄槽整體具有較好的形狀精度（圖12a）；對內(nèi)棱邊所在的注模位置進行局部放大，實現(xiàn)了過渡圓角小的技術(shù)要求（圖12b）。

圖11 微窄槽加工后的扁平電極

圖12 微窄槽模型內(nèi)棱邊放大圖

3 結(jié)論

（1）設(shè)計了帶有微缺口的導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了穩(wěn)定走絲的微細電火花線切割功能。通過分步微細線切割加工，在線制作出寬度485 μm、厚度70 μm的直棱邊微細扁平電極。

（2）采用穿透成形加工方法，補償加工中的扁平電極損耗。通過接觸感知控制微槽的加工深度，實現(xiàn)了微細窄槽的精密成形加工過程。

（3）在硬化型不銹鋼葉片上，加工出具有較微小內(nèi)棱角的微窄槽，槽寬為85 μm，槽深為244 μm，可滿足葉片缺陷微窄槽的技術(shù)要求。

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