中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì) (北京 100081) 王克錫編譯

近年來(lái)，為應(yīng)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)透平葉片冷卻孔加工的需求，日本ELENIX公司 (本刊曾在2012年第13期中做過(guò)介紹)，三菱電機(jī)公司、牧野公司、英國(guó)Winbro公司先后研制出了新型高速、高品質(zhì)多軸、專(zhuān)用的電火花加工機(jī)以及激光加工與電火花加工相復(fù)合的加工機(jī)。在此，擬對(duì)相關(guān)的報(bào)道作一個(gè)介紹，以供參考。

氣體發(fā)動(dòng)機(jī)或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的零件，其動(dòng)葉片與固定葉片 (見(jiàn)圖1)，一般皆利用鎳基耐熱合金。為使葉片表面絕熱、則需要在這種難加工材料上利用電火花加工機(jī)來(lái)加工為數(shù)眾多的微細(xì)冷卻孔。一般而言，一臺(tái)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)要用200個(gè)葉片，每一葉片要加工200個(gè)冷卻孔。為更高效率地冷卻這些葉片，便要求將冷卻孔的形狀加工成擴(kuò)散口 (如圖1所示的不同剖面的孔道)。因此，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一種零件而增加了制造成本。不言而喻，若當(dāng)作可進(jìn)行更換的零件，其數(shù)量也進(jìn)一步增多了。

圖1 氣體透平與結(jié)構(gòu)件

1.高速化的電火花加工機(jī)

日本牧野銑床制作所研制了電火花加工擴(kuò)散口的機(jī)床EDBV3(見(jiàn)圖2)是針對(duì)加工氣體透平發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面冷卻孔的專(zhuān)用機(jī)床。為了高效率加工這種零件，只要通過(guò)一次準(zhǔn)備工序，機(jī)床便能連續(xù)地自動(dòng)化加工，是利用市場(chǎng)上銷(xiāo)售的管子電極與電火花加工方法在葉片上高速加工成冷卻孔與擴(kuò)散口 (Diffuser)的形狀展成加工。

使用已研制的機(jī)床，在鎳鉻鐵耐熱、耐蝕合金材料718上，借助于黃銅管電極，加工件厚度為4mm，孔徑為φ0.3～φ0.6mm的冷卻孔時(shí)，其加工時(shí)間為6～7s，電極損耗率為70% ～130%，擴(kuò)散口的形狀展成時(shí)間為15～30s，用以往的機(jī)床卻需要花費(fèi)420min，而使用EDBY3型機(jī)床僅為100min。

擴(kuò)散口加工機(jī)床具有以下特點(diǎn):①每孔加工速度跟該公司以往機(jī)床相比，提高了4倍左右。②擴(kuò)散口與冷卻孔能連續(xù)加工。③可縮短電極交換時(shí)間。④縮短了加工準(zhǔn)備時(shí)間。

該機(jī)床不僅能支配冷卻效率的擴(kuò)散口的最佳形狀，提高氣體透平的燃燒溫度 (1500℃以上)，進(jìn)而還可改善燃燒效率。

(1)擴(kuò)散口的展成加工 (輪廓加工的組合)該機(jī)床是利用了電極損耗率 (100%)較高的放電條件進(jìn)行高速加工、并使管子電極實(shí)施旋轉(zhuǎn)，以此控制管子電極外周達(dá)到均勻的損耗 (見(jiàn)圖3)。

(2)電火花加工的控制把用于能實(shí)施高精度、高速加工微細(xì)形狀的放電控制技術(shù)也應(yīng)用在以水作加工液的線電極切割加工中，將工件設(shè)置在加工液槽中進(jìn)行加工，通過(guò)AD變流器進(jìn)行內(nèi)部處理來(lái)檢測(cè)放電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了管子電極的高速加工進(jìn)給。

圖2 擴(kuò)散口加工機(jī) (EDBV3)

圖3 冷卻孔與擴(kuò)散口的展成加工

圖4 在加工槽中電火花加工

(3)高壓噴液功能 從管子電極端部邊噴射加工液 (壓力為7MPa)，邊進(jìn)行加工 (見(jiàn)圖5)，借助于這種加工液的壓力能提高放電加工屑的排出效率與高速加工。而且，因冷卻效率高使得加工面的熱變質(zhì)層被限制最小限度。

圖5 高壓噴流加工

由于工件的熱變質(zhì)層小，能使高溫條件下所使用的透平葉片與葉輪增長(zhǎng)了使用壽命。

(4)貫通檢測(cè)功能 經(jīng)檢測(cè)，當(dāng)管子電極使工件加工部位貫通之后，電極就會(huì)自動(dòng)移出冷卻孔的上部，停留在1mm以內(nèi)，然后便斷續(xù)對(duì)擴(kuò)散口實(shí)施加工，因此縮短了作業(yè)的循環(huán)時(shí)間 (見(jiàn)圖6)。

(5)電極導(dǎo)向器的定位 就準(zhǔn)備工序而言，由于將電極夾具、管子電極、穿梭裝置及導(dǎo)向器定位構(gòu)成為一個(gè)整體，所以電極自動(dòng)交換時(shí)，無(wú)須在管子電極定位導(dǎo)向器上實(shí)施調(diào)作業(yè)，從而減少了作業(yè)時(shí)間。

關(guān)于電極的定位導(dǎo)向器，因?yàn)槔檬袌?chǎng)品而實(shí)現(xiàn)了低成本化。

(6)防止旋轉(zhuǎn)振擺的選擇指 (Finger) 要使管子電極像夾持在兩葉片中間那樣來(lái)約束電極，從而限制了電極中間點(diǎn)上的振擺變大。隨著加工的進(jìn)展，當(dāng)管子電極變短時(shí)，雖然電極的振擺變小了，然而，由于電極夾具與葉片之間就會(huì)產(chǎn)生干擾，此時(shí)通過(guò)自動(dòng)控制，能夠予以避免。因?yàn)橄拗屏穗姌O的旋轉(zhuǎn)振擺，所以才能使用市銷(xiāo)品的管子電極實(shí)現(xiàn)了電火花穩(wěn)定的高精度加工 (見(jiàn)圖7)。

圖6 在加工液槽中穩(wěn)定加工

圖7 工件與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

作為生產(chǎn)工業(yè)用的氣體透平零件加工機(jī)的英國(guó)Winbro公司，早在30年前已將高速電火花加工機(jī)(EDM鉆床)產(chǎn)品化了。在冷卻孔加工的實(shí)際效果方面，低噪聲化與提高燃料效率已成為最近關(guān)心的題目，因此用戶期望采用新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)。

因此，該公司為了應(yīng)對(duì)用戶的要求而將以下的機(jī)床實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化:① 6軸高速電火花加工機(jī)HSD—6系列。②激光孔加工機(jī) Laser Drill系列。③激光與電火花加工復(fù)合加工機(jī)800系列。④激光孔加工與切斷機(jī)Delta。⑤管子電極展成加工機(jī)STEM。⑥微細(xì)孔加工機(jī)CD4A。⑦電解加工機(jī)等。

2.激光與電火花復(fù)合加工機(jī)

在上述的800系列中還研制了利用激光與電火花加工的復(fù)合功能的加工機(jī) (見(jiàn)圖8)實(shí)施孔加工。這是以激光作為加工手段來(lái)去除防熱的陶瓷保護(hù)膜(TBC:Thermal Barrier Coating)，然后再用電火花加工冷卻孔與擴(kuò)散口形狀的精加工。

圖8 激光與電火花復(fù)合加工機(jī)

該機(jī)床的主體 (床身)采用樹(shù)脂與混凝土原料，在X、Y、Z三軸上配置了直線電動(dòng)機(jī)、在工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸上使用了力矩電動(dòng)機(jī)。

各軸的移動(dòng)量在 X、Y、Z軸分別為 800mm、300mm、700mm，旋轉(zhuǎn)軸B±150°(100r/min)，旋轉(zhuǎn)軸C:連續(xù)旋轉(zhuǎn) (150r/min)。直線移動(dòng)精度為0.08mm，旋轉(zhuǎn)精度為10rad·s。在重復(fù)精度情況下，直線精度為0.006mm，旋轉(zhuǎn)精度為8rad·s。工件重量為25kg。ATC可用于4個(gè)激光加工工位，電火花加工可用于6個(gè)工位。