張 亮，段阿寶

[新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司103 廠，河南 新鄉(xiāng)453000]

0 引言

電加工是對(duì)金屬表面通過極間介質(zhì)的電離作用，使得金屬產(chǎn)生高溫熔融過程實(shí)現(xiàn)加工的方式。電加工產(chǎn)生的重熔層對(duì)零件使用會(huì)產(chǎn)生一定危害。航空、航發(fā)下屬的多個(gè)主機(jī)單位已明確了電加工為禁、限用工藝，因此研究減少重熔層、去除重熔層或者替代電加工方式尤為必要[1]。本文在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從加工機(jī)床、切割方式、切割厚度、材料成分、加工電壓/電流、充/放電時(shí)間等多維度分析和總結(jié)線切割重熔層厚度的影響因素及影響程度。研究去除重熔層的方法及無重熔層的加工方式，并以典型零件為例，闡述通過調(diào)節(jié)電加工參數(shù)、增加拋光處理等方法減少或去除重熔層，使其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 線切割加工現(xiàn)狀

目前電加工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司下發(fā)的Q/AVIC 06089-2015“激光/電火花制孔表面重熔層顯微評(píng)定方法”、航標(biāo)的HB/Z 20053-2018“電火花加工工藝”及其他主機(jī)廠內(nèi)部的企標(biāo)。我廠于2022 年綜合了多家標(biāo)準(zhǔn)，制定了企標(biāo)Q20D 05.02-“電火花加工技術(shù)規(guī)范”[2，3]。

目前電加工主要有電火花成型加工和線切割加工，其中線切割加工機(jī)床有慢走絲機(jī)床（型號(hào)αc400iB）和中絲（中絲w400）。慢絲主要用于精密零件的成型加工，如內(nèi)/外轉(zhuǎn)子齒形輪廓、定子內(nèi)腔輪廓、轉(zhuǎn)子槽及內(nèi)花鍵、鍵槽等加工；中絲主要用于精密形狀的粗加工及一般精度形狀的最終切割。中絲只割一次，慢絲用于精割時(shí)一般采用割一修二的方式。

線切割加工按照Q20D 05.02-“電火花加工技術(shù)規(guī)范”進(jìn)行首次特殊過程確認(rèn)，保證重熔層等各項(xiàng)要求可控及符合規(guī)范。電加工工序常規(guī)檢測(cè)除了尺寸、形位公差檢測(cè)外，還要求電弧燒傷及殘留銅層的檢查。

2 電加工參數(shù)對(duì)重熔層的影響

線切割電加工參數(shù)主要包括電壓、電流、脈沖寬度（充電時(shí)間）、脈沖間隙（放電時(shí)間）等，本文針對(duì)線切割電加工主要參數(shù)進(jìn)行分析，研究參數(shù)對(duì)重熔層（電腐蝕層、再鑄層、重鑄層）厚度（深度）的影響。

2.1 電壓、電流的影響

加工時(shí)的電壓直接影響電流的大小，中走絲的電壓與功放管的個(gè)數(shù)有關(guān)，功放管個(gè)數(shù)多，加工電壓大，加工電流大。試驗(yàn)保持其他參數(shù)不變，只改變功率管數(shù)（3 個(gè)、8 個(gè)、13 個(gè)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示重熔層厚度隨著功放管數(shù)的增加而增加。

重熔層的厚度隨著功放管個(gè)數(shù)的增加而逐漸增大，要想獲得較淺的重熔層，可以減少功放管個(gè)數(shù)，即減小電壓和電流。但電流的減小，意味著加工效率的降低。

2.2 脈沖寬度的影響

脈沖寬度（充電時(shí)間）是單個(gè)脈沖能量的決定因素之一，因此它對(duì)重熔層產(chǎn)生重要影響。從表1 和圖1所示可知，重熔層厚度隨著脈沖寬度的增加而增加。

圖1 不同脈沖寬度對(duì)重熔層厚度的影響

表1 脈沖寬度的影響

脈沖寬度寬時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，單個(gè)脈沖的能量大，加工穩(wěn)定，切割效率高，但表面粗糙度較差，重熔層厚度變厚。

2.3 脈沖間隙的影響

脈沖間隙（放電時(shí)間）的選取一般取決于工件材料、工件厚度以及工藝要求，在保持其他3 個(gè)參數(shù)不變的情況下，只改變脈沖間隙(2 μs、8 μs、12 μs)。從表2 和圖2 可知，隨著脈沖間隙的增加，重熔層厚度減小。

表2 脈沖間隙的影響

重熔層厚度隨著脈沖間隙的增大而變小，但過大的脈沖間隙會(huì)影響加工效率，過小的脈沖間隙會(huì)影響零件排屑，易產(chǎn)生斷絲。

3 切割方式、材料、厚度對(duì)重熔層影響分析

先后用中絲（鉬絲、割1）和慢絲（鍍鋅黃銅絲、割1 修1）按照切割高度8 mm 和25 mm 分別切割18Cr2Ni4WA、38CrMoAlA、GCr15、9310、GH4169、2A12-T4 材料，共形成24 種狀態(tài)零件，做好標(biāo)記，制成樣件后做重熔層分析。

對(duì)比分析，慢絲加工重熔層影響會(huì)略輕于中絲、慢絲和中絲，都會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象。慢絲最大重熔層≤0.025 mm，加工重熔層深度中值約10 μm；中絲最大重熔層≤0.04 mm，中絲加工重熔層深度中值約15 μm。多數(shù)零件材料對(duì)重熔層影響不很明顯，除高溫合金材料GH4169 重熔層較淺外，其余材料重熔層差別不大；切割長(zhǎng)度對(duì)重熔層影響不明顯。

4 重熔層去除及無重熔層加工的方法

4.1 重熔層的去除

目前重熔層的去除方法有機(jī)械加工去除、手工拋修、磨粒流、光整機(jī)、吹砂、化學(xué)腐蝕等。

機(jī)械加工去除重熔層最直接、徹底，但局限性比較大，一些不易加工的部位無法使用機(jī)械加工，或者加工余量較小，裝夾找正困難。另外，有些零件是在熱處理后進(jìn)行的電加工，表面硬度高，較難加工。

手工拋修優(yōu)點(diǎn)是方法靈活，一般不受零件結(jié)構(gòu)限制。其缺點(diǎn)是重熔層去除質(zhì)量不穩(wěn)定，零件尺寸不易保證。

磨粒流去除方法效率高，一般僅限于重熔層深度較淺零件，去除效果受影響的因素較多，磨料的粒度、新舊、過孔的大小、拋光次數(shù)、壓力、工裝結(jié)構(gòu)等都是影響因素。

光整機(jī)同磨粒流相似，限于去除重熔層深度較淺零件，一些死角部位去除效果差。

吹砂去除主要是需要局部保護(hù)，如果手動(dòng)吹砂，會(huì)導(dǎo)致各表面去除量不均勻，另外也會(huì)降低表面光潔度。

化學(xué)腐蝕同吹砂一樣，需要對(duì)非加工表面進(jìn)行保護(hù)，且加工不易受控。

4.2 無重熔層加工

重熔層的去除存在各種局限性，去除效果也不是十分理想，因此無重熔層加工是解決重熔層問題的最佳方案。結(jié)合我廠實(shí)際，總結(jié)了一些常用的電加工替代方案。

4.2.1 機(jī)械加工替代電加工

我廠傳統(tǒng)內(nèi)花鍵加工基本都是慢走絲或電火花成型加工，近年來隨著數(shù)控拉床和內(nèi)插齒機(jī)的引進(jìn)，將逐漸改用拉齒、插齒的機(jī)械加工方式。

定子與外轉(zhuǎn)子內(nèi)腔輪廓及內(nèi)轉(zhuǎn)子外輪廓以前多用慢絲割成型，引進(jìn)了成型磨床，解決了內(nèi)轉(zhuǎn)子輪廓的磨削問題，可以替代慢絲加工。近幾年購買了銑磨復(fù)合機(jī)床，定子輪廓逐漸由慢絲加工改為銑磨復(fù)合磨削加工，部分外轉(zhuǎn)子也可以實(shí)現(xiàn)在該機(jī)床磨削內(nèi)輪廓，保證無重熔層的產(chǎn)生。

4.2.2 電解加工

電解加工是基于電化學(xué)陽極溶解原理，利用一定形狀的工具陰極，將工件加工成符合一定尺寸和形狀要求的零件的特種加工方法。工具電極和工件之間的間隙通入電解液，隨著工具陰極的進(jìn)給，工件陽極表面不斷被蝕除，電解反應(yīng)產(chǎn)物隨著電解液流動(dòng)帶出加工間隙，工件陽極表面逐漸形成與工具陰極表面基本相似的形狀。不同于電加工是瞬間高溫熔化去除材料，電解加工是類似通過化學(xué)反應(yīng)去除材料，不會(huì)產(chǎn)生高溫高熱，因此可以實(shí)現(xiàn)無重熔層加工。目前該方法在國(guó)內(nèi)僅限于研究或小批試用階段，未大規(guī)模應(yīng)用和形成商業(yè)化。

5 典型零件電加工

5.1 內(nèi)花鍵慢絲加工

某產(chǎn)品主動(dòng)齒輪零件材料為18Cr2Ni4WA，中間結(jié)構(gòu)是內(nèi)花鍵，由慢走絲加工，使用的設(shè)備是日本沙迪克公司的AQ360LXs 慢走絲設(shè)備。2019 年改為日本FANUC 慢走絲ROBOCUTα-c400iB 加工。

5.1.1 AQ360LXs 慢絲加工重熔層分析

抽取2016 年使用AQ360LXs 慢走絲加工（割一修二）的某批次5 個(gè)主動(dòng)齒輪進(jìn)行內(nèi)花鍵重熔層檢測(cè)。1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)這三個(gè)零件的晶間腐蝕與重熔層分層不符合要求，4 號(hào)的重熔層裂紋與重熔層分層不符合要求，5 號(hào)只有重熔層分層不符合要求?？傮w來看，內(nèi)花鍵重熔層有10 項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)1 級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別有微裂紋、晶間腐蝕和分層不能達(dá)到技術(shù)規(guī)范的要求。5 個(gè)樣件重熔層的最大厚度0.019 μm，最小厚度0.005 μm。

當(dāng)時(shí)采用手工拋光內(nèi)花鍵，主要目的為去除花鍵毛刺，對(duì)重熔層去除效果有限，可以認(rèn)為5 個(gè)零件的重熔層檢測(cè)值為AQ360LXs 慢走絲加工（割一修二）產(chǎn)生重熔層的真實(shí)情況。

5.1.2 FANUC 慢走絲加工重熔層分析

通過多次試驗(yàn)分析，F(xiàn)ANUC 慢走絲加工產(chǎn)生的重熔層基本與AQ360LXs 慢走絲相同，無太大差距，最大、最小重熔層厚度接近，微裂紋與晶間腐蝕略好于沙迪克機(jī)床，兩種機(jī)床生產(chǎn)樣件均會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

使用FANUC 慢走絲加工5 個(gè)齒輪內(nèi)花鍵樣件，使用磨粒流機(jī)床拋光處理，進(jìn)行試驗(yàn)，主要調(diào)整壓力和拋光參數(shù)，隨著壓力和拋光次數(shù)的增加，表面的重熔層會(huì)逐步改善，當(dāng)壓力設(shè)置在上限，拋光至15 次，基本能去除重熔層。

5.2 外轉(zhuǎn)子內(nèi)腔輪廓慢絲加工重熔層分析及去除方法

某擺線泵產(chǎn)品外轉(zhuǎn)子零件材料38CrMoAlA、內(nèi)腔是多段圓弧構(gòu)成，采用FANUC 慢走絲機(jī)床割成形。

為驗(yàn)證慢走絲加工后的重熔層深度及拋光后去除重熔層的效果，多次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用割一修二的加工方法時(shí)，磨粒流拋光20 次還不能完全去除重熔層，拋光達(dá)到25 次時(shí)可以完全去除。采用割一修三的加工方法，磨粒流拋光20 次可以去除重熔層（殘留≤0.002），只殘留局部分層。

通過驗(yàn)證，慢絲加工增加修整次數(shù)及拋光次數(shù)，對(duì)去除重熔層有效果。

6 結(jié)語

本文闡述了電加工機(jī)理、重熔層產(chǎn)生過程及危害，試驗(yàn)、總結(jié)了零件材料、加工方式對(duì)重熔層的影響程度，高溫合金材料相比其他材料線切割加工時(shí)產(chǎn)生的重熔層淺，慢絲加工產(chǎn)生的重熔層小于中絲加工零件。驗(yàn)證了電加工參數(shù)影響重熔層，通過增減切修次數(shù)、調(diào)節(jié)電壓電流、改變充放電時(shí)間等可以影響重熔層深淺。總結(jié)了去除重熔層的多種方法、替代電加工的機(jī)械加工方法，驗(yàn)證隨著磨粒流拋光次數(shù)的增加去除重熔層效果越佳。線切割技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有高效率、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，通過合理使用線切割技術(shù)可以為企業(yè)提供很好的加工方案，應(yīng)用本文提出的加工方案，大部分現(xiàn)有的電加工重熔層問題可以得到有效控制，滿足標(biāo)準(zhǔn)、主機(jī)使用要求，解決了使用質(zhì)量隱患問題。