中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 (遼寧 110043)劉 丹 崔秀藩 王德新

某重型燃機(jī)分級(jí)壓氣機(jī)殼體存在多圈起密封作用的浮動(dòng)鑲嵌塊。為減少氣流損失，提高密封效果，鑲嵌塊壁面上設(shè)計(jì)了許多蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這些蜂窩深度大、網(wǎng)格小、筋格間厚度只有0.2mm，且網(wǎng)格數(shù)量巨大，這種結(jié)構(gòu)采用普通工藝無法完成加工。本項(xiàng)研究通過對(duì)電火花成形加工技術(shù)進(jìn)行深度開發(fā)，解決了重型燃?xì)廨啓C(jī)鑲嵌塊蜂窩制造中存在的諸多技術(shù)難題，研制出合理電極結(jié)構(gòu)和最佳電極分組方式，并通過大量工藝試驗(yàn)優(yōu)選出加工參數(shù)、確定了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，穩(wěn)定可靠地加工出合格零件，滿足了重型燃機(jī)關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化的研制需求。

一、工藝準(zhǔn)備

某重型燃機(jī)1～4 級(jí)壓氣機(jī)共有四種件號(hào)蜂窩鑲嵌塊，每個(gè)鑲嵌塊弧度為10°，由36 個(gè)圓弧塊組成一個(gè)整體圓弧，材料為K4648，其主要成分Ni、Cr等(見表1)，零件網(wǎng)格深度達(dá)5mm，蜂窩壁斜度1°底面圓弧半徑R0.6～0.8mm，加工時(shí)排屑困難。因零件加工后的表面質(zhì)量、尺寸精度對(duì)燃機(jī)封嚴(yán)性能起著至關(guān)重要的作用，要制定合理工藝路線和技術(shù)方案，才能加工出合格零件，為批量生產(chǎn)提供可靠保障。四種件號(hào)的零件尺寸不同，但結(jié)構(gòu)大同小異，可采用基本相同的加工方式進(jìn)行加工，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，減少工藝試驗(yàn)的工作量，以某級(jí)鑲嵌塊為代表進(jìn)行了專項(xiàng)工藝試驗(yàn)。

試件規(guī)格:

鑲嵌塊尺寸:242mm×61mm

鑲嵌塊表面圓弧角度:10°

表1 高溫合金K4648 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

蜂窩網(wǎng)格表面圓弧半徑:R1 400mm

蜂窩網(wǎng)格尺寸:3mm×3mm×5mm

蜂窩網(wǎng)格筋厚尺寸:0.2～0.4mm

試驗(yàn)指標(biāo):

提供鑲嵌塊蜂窩網(wǎng)格成形加工方式

研制組合電極，提供單塊電極一次加工的最佳面積

優(yōu)選鑄造高溫合金K4648 材料電火花加工最佳參數(shù)

重熔層厚度＜0.04mm

加工效率＞60mm3/min

試驗(yàn)條件:

電極材料:銅鎢合金

設(shè)備:ET—D7125 電火花機(jī)床

工作液:電火花專用油

二、工藝試驗(yàn)

典型試件利用K4648 材料采用快速成型工藝鑄造而成，按有關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了吹砂→淬火→時(shí)效處理。并用電火花線切割加工了6 面，圓弧半徑R 1 400mm，表 面 尺 寸 (內(nèi) 弧 長(zhǎng)×寬×厚)=240mm×65mm×16mm，經(jīng)檢測(cè)加工后的試件各項(xiàng)指標(biāo)均符合后續(xù)試驗(yàn)要求。

1.夾具研制

為了解決加工時(shí)的“接刀”問題，采用如下結(jié)構(gòu)形式的夾具(見圖1)。

圖1 夾具結(jié)構(gòu)示意圖

夾具體2 的圓弧面R'=R +δ，R 為蜂窩網(wǎng)格表面圓弧半徑的R 值，δ 為試件厚度，按電極在試件上的跨度在夾具體上切割出寬1mm 深6mm 的均布定位槽3，試件上也加工出兩條寬1mm 定位槽，槽距為兩個(gè)電極在試件上的跨度，每加工完一組蜂窩網(wǎng)格后，向前移動(dòng)一個(gè)跨距，用二塊定位片4 插入槽中定位，再用壓緊塊5 將試件1、6 固定。加工過程中，根據(jù)試件在夾具上的具體位置，選擇適當(dāng)位置壓緊(夾具體上鉆有五個(gè)M6 螺孔供選用)。定位槽與夾具圓弧面同時(shí)加工出，確保了“接刀”準(zhǔn)確性。

2.電極結(jié)構(gòu)確定

由于蜂窩網(wǎng)格呈45°分布，而鑲嵌塊尺寸大，分布在R1 400mm 圓弧面上，加工時(shí)需保證蜂窩網(wǎng)格的中心線均指向工件中心，因此必須分段加工，進(jìn)行不同加工面積的加工效率試驗(yàn)，從多種方案中選擇適合加工用的電極。

(1)斜電極結(jié)構(gòu) 采用45°斜角排列的電極(以下簡(jiǎn)稱斜電極)，如圖2 所示，平行四邊形ABCF。單個(gè)電極工作面均為2.6mm×2.6mm 正方形，便于找正及切割，在實(shí)際加工時(shí)，“接刀”難度不大。

圖2 電極分組加工示意圖

采用這種電極加工的不利因素是:

電極材料加工面積大，放電時(shí)所占弧長(zhǎng)AD 大，初始加工的放電面積很小，不利于提高加工效率(放電面積隨加工深度逐步擴(kuò)大)。

一次加工面積

試件總面積

則每個(gè)試件至少需加工次數(shù)為

考慮到斜三角形ABP 處加工面積小于S1，則需增加6 次，因此加工次數(shù)為25 次。

(2)直電極結(jié)構(gòu) 采用直排電極如圖2 中長(zhǎng)方形BCDE，此電極外觀整齊，加工量少，且節(jié)省材料，但電極工作面不易找正，加工難度大。為便于“接刀”，也取整數(shù)排。

一次加工面積

加工次數(shù)為

從加工效率看，采用直電極，仍用三排(三個(gè)對(duì)角線寬)，電極工作面為45°，電極切割稍顯復(fù)雜，但整體效率要優(yōu)于斜電極。采用斜電極加工次數(shù)為25 次，“接刀”24 次。采用直電極，仍用三排(三個(gè)對(duì)角線寬)，加工次數(shù)為19 次，“接刀”18 次。

3.加工誤差分析

采用“斜電極”加工時(shí)，由圖2 可知電極在試件表面上的跨度為AD

即:使用“斜電極”加工出的蜂窩網(wǎng)格深度相差0.347mm。

采用“直電極”加工時(shí)，由圖2 可知，電極在試件上的跨度為ED，其弦長(zhǎng):由圖3 得知

即:使用“直電極”加工出的蜂窩網(wǎng)格深度相差僅0.02mm。

由上述計(jì)算可知:采用“直電極”加工誤差小于“斜電極”。

圖3

4.工藝試驗(yàn)

鑲嵌塊上蜂窩深度大、網(wǎng)格小 (3mm×3mm×5mm)、筋格厚度只有0.2mm，每塊零件上蜂窩網(wǎng)格數(shù)量高達(dá)2 200 多個(gè)，分布在R1 400mm 圓弧面上，加工時(shí)需保證蜂窩網(wǎng)格的中心線均指向工件中心，按圖樣網(wǎng)格尺寸實(shí)施加工后，筋格上端無燒傷、加工效率不低于60mm3/min (見表2)。

從上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工深度超過4mm 時(shí)，由于電極底部排屑不暢，電極表面經(jīng)常發(fā)生積碳和頻繁發(fā)生二次放電的現(xiàn)象，導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)格的筋格局部出現(xiàn)燒傷，外觀很不整齊。經(jīng)研究確定修改電極結(jié)構(gòu)，將電極槽底部分加深。經(jīng)試驗(yàn)加工驗(yàn)證，試件網(wǎng)格筋格頂部基本沒有燒傷，證明措施有效 (見圖4)。

表2 直電極加工試驗(yàn)記錄

圖4 完成加工后單塊組合電極形貌

5.加工結(jié)果檢測(cè)

按表3 設(shè)定的加工規(guī)準(zhǔn)對(duì)6 個(gè)試塊進(jìn)行了加工，并進(jìn)行了金相檢測(cè)，結(jié)果如圖5～圖8 所示。

圖5 1#試件網(wǎng)格底邊圖象

表3 試塊加工記錄

圖6 2#試件網(wǎng)格側(cè)棱邊圖像

圖7 3#試件網(wǎng)格側(cè)棱邊圖像

圖8 4#試件網(wǎng)格側(cè)棱邊圖像

6.電極損耗

直電極尺寸:H1=20.11mm

加工一塊鑲嵌塊后電極尺寸:H2=19.49mm

電極損耗:ΔH=0.62mm

加工22 排平均每排孔長(zhǎng)度損耗:0.62/22=0.028mm

每次加工深度5mm，單位長(zhǎng)度損耗:0.028/5=0.005 6mm

單位長(zhǎng)度損耗在1%以內(nèi)，可用于正式加工。

7.優(yōu)選工藝參數(shù)

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果優(yōu)選工藝參數(shù):

脈沖寬度:480～600μs

脈沖間隔:102～150μs

加工電流:8～11A

采用優(yōu)選參數(shù)加工的試件，經(jīng)過二次共45min 超聲波清洗。在北京測(cè)量中心用500 倍掃描電子顯微鏡(JSM—35C)進(jìn)行了檢測(cè)，重熔層厚度為0.018～0.022mm，深度為4.96～5.06mm，網(wǎng)格尺寸為2.97～3.07mm，筋格尺寸為0.2～0.4mm，蜂窩網(wǎng)格各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全部符合設(shè)計(jì)要求，零件達(dá)到合格交付狀態(tài)(見圖9)。

圖9 電火花加工后的蜂窩鑲嵌塊

三、結(jié)語

通過大量試驗(yàn)制定的鑲嵌塊蜂窩網(wǎng)格電火花加工工藝方案合理可行，采用直排斜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的電極，加工效率78.4mm3/min，單塊加工時(shí)間28h，達(dá)到課題設(shè)定的試驗(yàn)指標(biāo)。通過分段設(shè)定粗、中加工參數(shù)，預(yù)留0.15mm 平動(dòng)量，提高型腔成形精度等工藝改進(jìn)措施，確保了電加工后蜂窩筋格完好無損。目前工藝已成熟穩(wěn)定，完成了某機(jī)四種規(guī)格160 余件蜂窩鑲嵌塊的加工任務(wù)，為重型燃機(jī)研制任務(wù)順利完成發(fā)揮了重要作用。