劉卿華 陶敏 楊武奎/襄陽航泰動力機器廠

0 引言

金屬零件在進行電切削加工時，加工表面會產(chǎn)生殘留物，這些殘留物即為零件加工表面的重熔層。重熔層的產(chǎn)生導(dǎo)致金屬表層質(zhì)地變得不穩(wěn)定、組織脆性大、可能存在微裂紋，如圖1[1]所示。工作中長期承受載荷的金屬零件，在重熔層的影響下易發(fā)生斷裂而造成事故。同時，重熔層還會影響金屬零件銳邊在使用過程的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致銳邊掉塊。

航空精密偶件是控制飛機油泵做功的關(guān)鍵零件，形狀復(fù)雜，裝配精度及性能要求非常高，其裝配間隙通常僅有幾微米，必須同時滿足滑動性和密封性要求，工作中若發(fā)生卡滯，將造成嚴重的飛行事故，而精密偶件銳邊的脫落掉塊是引發(fā)卡滯的關(guān)鍵因素之一。因此，此類零件電加工表面產(chǎn)生的重熔層需要被徹底去除。目前，國內(nèi)去除重熔層較穩(wěn)妥的方法主要有機械加工磨削、熱處理淬火和化學(xué)腐蝕（使用重熔層去除液）[2]，但這三種方法對于型腔復(fù)雜且電加工后基本無加工余量的航空精密偶件是不適用的。為此，本文進行了不同加工參數(shù)下的電加工試驗，通過電子顯微鏡測量重熔層厚度值，總結(jié)各種工藝參數(shù)下加工后的重熔層厚度值的變化趨勢，以提出航空精密偶件重熔層的控制方法。

1 重熔層的形成

電加工時，極間介質(zhì)的電離擊穿形成放電通道，脈沖電源使通道間的電子高速奔向正極，正離子奔向負極。電能變成動能，動能通過碰撞又轉(zhuǎn)化為熱能。于是，在通道內(nèi)，正極和負極表面分別成為瞬時熱源，分別達到很高的溫度。正負極表面的高溫除使工作液汽化、熱分解汽化，也使金屬材料熔化直至沸騰汽化。這些汽化后的工作液和金屬蒸汽瞬間體積猛增，迅速熱膨脹，拋出金屬，達到去除零件余量的目的。同時，工作液和金屬材料的熔化、汽化、熱膨脹產(chǎn)生了很高的瞬時壓力。通道中心的壓力最高，壓力高處的熔融金屬液體和蒸汽就被排擠、拋出。熔化和汽化了的金屬在拋離電極（加工中基體材料接負極，工具電極接正極）表面時向四處飛濺，除大部分拋入工作液中收縮成小顆粒外，有一小部分飛濺、鍍覆、吸附在電極表面（基體金屬表面）上，形成所謂的重熔層。熔融材料拋出后，在電極表面形成單個脈沖的放電痕，熔化區(qū)未被拋出的材料冷凝后殘留在電極（基體金屬）表面，形成熔化凝固層（重熔層的一部分），熔化凝固層下面是熱影響層，再往下才是無變化的材料基體。金屬在進行電加工后表面及深層依次為電腐蝕層（重熔層）、過渡區(qū)域、基體金屬。

2 電切削參數(shù)對重熔層厚度影響

選擇航空精密偶件的試件材料為GCr15，硬度HRC58 ～64，要求加工厚度為20mm 的型腔，選用線切割進行加工，最終表面粗糙度達Ra1.6μm。分別選擇快走絲機床ST121 系統(tǒng)參數(shù)庫的粗加工參數(shù)C120、中加工參數(shù)C105、精加工參數(shù)C004（脈寬、脈間、電流、電壓和切割效率有顯著的區(qū)別）進行電加工試驗，并使用電子顯微鏡對試驗件電加工表面的重熔層進行測量。

調(diào)整電加工機床加工參數(shù)為粗加工參數(shù)C120（脈寬ON 25、脈間OFF 21、電流峰值IP 7.0 間隙電壓基準SV 03、切割效率60mm/min），進行試件1 的加工試驗。如圖2 所示，電子顯微鏡測量加工后的重熔層厚度為0.069 ～0.093mm，重熔層呈復(fù)熔球顆粒及塊狀特征，堆積分布在切割面邊緣，重熔層與基體界限明顯，表面粗糙度達Ra6.3μm。

調(diào)整電加工機床加工參數(shù)為中加工參數(shù)C105（脈寬ON 15、脈間OFF 11、電流峰值IP 7.0 間隙電壓基準SV 03、切割效率39mm/min），進行試件2 的加工試驗。如圖3 所示，電子顯微鏡測量加工后的重熔層厚度為0.018 ～0.027mm。重熔層呈膠泥狀覆在切割面邊緣，重熔層與基體界限不太明顯，表面粗糙度達Ra3.2μm。

調(diào)整電加工機床加工參數(shù)為精加工參數(shù)C004（脈寬ON 06、脈間OFF 07、電流峰值IP 3.0 間隙電壓基準SV 02、切割效率20mm/min），進行試件3 的加工試驗。如圖4 所示，電子顯微鏡測量加工后的重熔層厚度為0.006mm左右，重熔層呈細微收縮狀，與基體界限模糊，表面粗糙度達Ra2.5μm。

將上述試驗的測量數(shù)據(jù)進行整理，如表1 所示，從中總結(jié)出電加工重熔層產(chǎn)生的規(guī)律：隨著電加工參數(shù)和切割效率的增大，重溶層越來越厚；在保持加工設(shè)備、加工介質(zhì)、電極狀態(tài)符合規(guī)定要求的前提下，根據(jù)被加工零件的精度及工藝要求，選擇相應(yīng)的脈沖電源加工參數(shù)，可以合理控制重熔層厚 度。

從圖5 可以看出，重熔層厚度和表面粗糙度隨著切割效率的下降而下降，其中重熔層厚度值下降幅度大于表面粗糙度的下降幅度。

3 航空精密偶件的重熔層去除方法

上述試驗數(shù)據(jù)表明，選擇精加工參數(shù)C004 對航空精密偶件進行電加工，重熔層厚度可控制在0.006mm 左右，表面粗糙度達Ra2.5μm。而為了防止航空精密偶件在使用過程中銳邊重熔層掉塊造成卡滯，應(yīng)采取措施去除重熔層。但航空精密偶件尺寸和形位公差的精度很高，加工槽型的線切割工序一般都安排在精加工后進行，已不允許再實施熱處理淬火和化學(xué)腐蝕等工藝措施；如果采用機床磨削加工方式去除重熔層，砂輪外形尺寸受線切割所加工型腔形狀和尺寸的限制，也不宜選用。綜合考慮后決定選擇手工研磨微量去除余量的方法來去除重熔層。為此進行試驗，分別選擇粒度為500 #、800 #、1000 #的砂紙，沿線切割面對重熔層進行往復(fù)均勻研磨，單邊去處量不小于0.01mm。研磨后測量重熔層，如表2 所示，均未發(fā)現(xiàn)殘余重溶層，且800 #、1000 #砂紙研磨后的粗糙度滿足零件不大于Ra1.6μm的最終要求。圖6 為選擇800 #砂紙研磨后的放大圖，線切割面未見重熔層，重熔層已被去除。

圖2 粗加工參數(shù)加工后重熔層

圖3 中加工參數(shù)加工后重熔層

圖4 精加工參數(shù)加工后重熔層

表1 不同電加工參數(shù)下的試驗和測量表

圖5 重熔層厚度和表面粗糙度的關(guān)系

經(jīng)過上述試驗和測量，確定了在加工工藝中采取兩項措施，就可以消除航空精密偶件表面的重熔層：

1）電加工參數(shù)選擇精加工參數(shù)，切割效率≤20mm/min，從而將重溶層厚度控制在0.01mm 以內(nèi)。

2）選擇粒度不小于800 #的砂紙對電加工表面進行均勻研磨，單邊去除量不小于0.01mm。

上述電加工參數(shù)僅供參考，實際參數(shù)應(yīng)依照電加工設(shè)備、加工介質(zhì)、電極狀態(tài)等具體情況進行設(shè)定。

4 結(jié)束語

國外對電加工重熔層的危害早有認識和嚴格的規(guī)定，對零件電加工后表面微觀質(zhì)量，分別按不同的使用部位規(guī)定了嚴格的驗收標準。例如，美國GEAE公司《P29TF73-S1 特種加工表面完整性的技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：F 類即圓盤、線軸、軸桿特征的旋轉(zhuǎn)部件，不允許有母材裂紋和重熔層；E 類即渦輪機螺旋槳組件的螺旋或條狀冷卻孔，母材裂紋允許0.051mm，重熔層最大深度0.203mm[1]。關(guān)于重熔層的質(zhì)量控制在我國航空航天工業(yè)的重要零部件上已有應(yīng)用，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)精細化生產(chǎn)的發(fā)展，可以預(yù)見到對電加工微觀質(zhì)量的認識會越來越清晰，電加工的質(zhì)量控制規(guī)范也會逐步形成并廣泛推廣和應(yīng)用。

表2 不同研磨條件下 的試驗和測量表

圖6 研磨后重熔層已被去除