鑲嵌塊蜂窩網格零件電火花加工技術研究

中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司 (遼寧 110043)劉 丹 崔秀藩 王德新

某重型燃機分級壓氣機殼體存在多圈起密封作用的浮動鑲嵌塊。為減少氣流損失，提高密封效果，鑲嵌塊壁面上設計了許多蜂窩網格結構，這些蜂窩深度大、網格小、筋格間厚度只有0.2mm，且網格數量巨大，這種結構采用普通工藝無法完成加工。本項研究通過對電火花成形加工技術進行深度開發，解決了重型燃氣輪機鑲嵌塊蜂窩制造中存在的諸多技術難題，研制出合理電極結構和最佳電極分組方式，并通過大量工藝試驗優選出加工參數、確定了各項關鍵技術指標，穩定可靠地加工出合格零件，滿足了重型燃機關鍵部件國產化的研制需求。

一、工藝準備

某重型燃機1～4 級壓氣機共有四種件號蜂窩鑲嵌塊，每個鑲嵌塊弧度為10°，由36 個圓弧塊組成一個整體圓弧，材料為K4648，其主要成分Ni、Cr等(見表1)，零件網格深度達5mm，蜂窩壁斜度1°底面圓弧半徑R0.6～0.8mm，加工時排屑困難。因零件加工后的表面質量、尺寸精度對燃機封嚴性能起著至關重要的作用，要制定合理工藝路線和技術方案，才能加工出合格零件，為批量生產提供可靠保障。四種件號的零件尺寸不同，但結構大同小異，可采用基本相同的加工方式進行加工，為了簡化計算，減少工藝試驗的工作量，以某級鑲嵌塊為代表進行了專項工藝試驗。

試件規格:

鑲嵌塊尺寸:242mm×61mm

鑲嵌塊表面圓弧角度:10°

表1 高溫合金K4648 化學成分(質量分數)(%)

蜂窩網格表面圓弧半徑:R1 400mm

蜂窩網格尺寸:3mm×3mm×5mm

蜂窩網格筋厚尺寸:0.2～0.4mm

試驗指標:

提供鑲嵌塊蜂窩網格成形加工方式

研制組合電極，提供單塊電極一次加工的最佳面積

優選鑄造高溫合金K4648 材料電火花加工最佳參數

重熔層厚度＜0.04mm

加工效率＞60mm3/min

試驗條件:

電極材料:銅鎢合金

設備:ET—D7125 電火花機床

工作液:電火花專用油

二、工藝試驗

典型試件利用K4648 材料采用快速成型工藝鑄造而成，按有關技術要求進行了吹砂→淬火→時效處理。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 弧 長×寬×厚)=240mm×65mm×16mm，經檢測加工后的試件各項指標均符合后續試驗要求。

1.夾具研制

為了解決加工時的“接刀”問題，采用如下結構形式的夾具(見圖1)。

圖1 夾具結構示意圖

夾具體2 的圓弧面R'=R +δ，R 為蜂窩網格表面圓弧半徑的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，槽距為兩個電極在試件上的跨度，每加工完一組蜂窩網格后，向前移動一個跨距，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，根據試件在夾具上的具體位置，選擇適當位置壓緊(夾具體上鉆有五個M6 螺孔供選用)。定位槽與夾具圓弧面同時加工出，確保了“接刀”準確性。

2.電極結構確定

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

(1)斜電極結構 采用45°斜角排列的電極(以下簡稱斜電極)，如圖2 所示，平行四邊形ABCF。單個電極工作面均為2.6mm×2.6mm 正方形，便于找正及切割，在實際加工時，“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，放電時所占弧長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大)。

一次加工面積

試件總面積

則每個試件至少需加工次數為

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

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

一次加工面積

加工次數為

從加工效率看，采用直電極，仍用三排(三個對角線寬)，電極工作面為45°，電極切割稍顯復雜，但整體效率要優于斜電極。采用斜電極加工次數為25 次，“接刀”24 次。采用直電極，仍用三排(三個對角線寬)，加工次數為19 次，“接刀”18 次。

3.加工誤差分析

采用“斜電極”加工時，由圖2 可知電極在試件表面上的跨度為AD

即:使用“斜電極”加工出的蜂窩網格深度相差0.347mm。

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

即:使用“直電極”加工出的蜂窩網格深度相差僅0.02mm。

由上述計算可知:采用“直電極”加工誤差小于“斜電極”。

圖3

4.工藝試驗

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

從上述試驗發現，當加工深度超過4mm 時，由于電極底部排屑不暢，電極表面經常發生積碳和頻繁發生二次放電的現象，導致蜂窩網格的筋格局部出現燒傷，外觀很不整齊。經研究確定修改電極結構，將電極槽底部分加深。經試驗加工驗證，試件網格筋格頂部基本沒有燒傷，證明措施有效 (見圖4)。

表2 直電極加工試驗記錄

圖4 完成加工后單塊組合電極形貌

5.加工結果檢測

按表3 設定的加工規準對6 個試塊進行了加工，并進行了金相檢測，結果如圖5～圖8 所示。

圖5 1#試件網格底邊圖象

表3 試塊加工記錄

圖6 2#試件網格側棱邊圖像

圖7 3#試件網格側棱邊圖像

圖8 4#試件網格側棱邊圖像

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 排平均每排孔長度損耗:0.62/22=0.028mm

每次加工深度5mm，單位長度損耗:0.028/5=0.005 6mm

單位長度損耗在1%以內，可用于正式加工。

7.優選工藝參數

根據上述檢測結果優選工藝參數:

脈沖寬度:480～600μs

脈沖間隔:102～150μs

加工電流:8～11A

采用優選參數加工的試件，經過二次共45min 超聲波清洗。在北京測量中心用500 倍掃描電子顯微鏡(JSM—35C)進行了檢測，重熔層厚度為0.018～0.022mm，深度為4.96～5.06mm，網格尺寸為2.97～3.07mm，筋格尺寸為0.2～0.4mm，蜂窩網格各項技術指標全部符合設計要求，零件達到合格交付狀態(見圖9)。

圖9 電火花加工后的蜂窩鑲嵌塊

三、結語

通過大量試驗制定的鑲嵌塊蜂窩網格電火花加工工藝方案合理可行，采用直排斜網格結構的電極，加工效率78.4mm3/min，單塊加工時間28h，達到課題設定的試驗指標。通過分段設定粗、中加工參數，預留0.15mm 平動量，提高型腔成形精度等工藝改進措施，確保了電加工后蜂窩筋格完好無損。目前工藝已成熟穩定，完成了某機四種規格160 余件蜂窩鑲嵌塊的加工任務，為重型燃機研制任務順利完成發揮了重要作用。