高密度微槽結(jié)構(gòu)精密加工技術(shù)

楊春雷，牛少鵬，尹兆剛，陳穎，周晨，李晉軍

北京控制工程研究所 北京 100190

1 序言

在航空航天領(lǐng)域，許多零件包含尺寸微小的“微槽”結(jié)構(gòu)，以達(dá)到精確控制流量的目的。目前，對(duì)于微槽結(jié)構(gòu)的精密加工方法主要有切削加工、線切割加工等，而切削加工受制于刀具尺寸、變形等因素，很難加工特別微小的結(jié)構(gòu)；線切割加工以其非接觸加工無(wú)明顯宏觀應(yīng)力，可加工微小尺寸，以及具有定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高密度微槽的精密加工[1]。本文將重點(diǎn)介紹軌控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)栓零件高密度微槽結(jié)構(gòu)的加工難點(diǎn)及精密加工方法。

2 零件結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)

為了達(dá)到精確控制流量的目的，某新研發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器首次采用高密度對(duì)稱(chēng)微槽結(jié)構(gòu)+環(huán)縫的組合形式，其中內(nèi)栓零件出口端包含了沿圓周方向均勻分布的36個(gè)（共18對(duì)）微槽結(jié)構(gòu)，其尺寸微小（深度0.14mm、寬度0.3mm），精度要求高，且微槽的一致性及位置度要求較高。微槽結(jié)構(gòu)的面積和位置度直接影響噴注器流量大小及均勻性，一方面決定了推進(jìn)劑的燃燒效率，另一方面影響到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面液膜冷卻效率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性起著至關(guān)重要的作用，是噴注器的核心結(jié)構(gòu)。噴注器內(nèi)栓零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)栓與中心桿組成的“微槽結(jié)構(gòu)+環(huán)縫”組件如圖2所示。

圖1 噴注器內(nèi)栓零件結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)栓與中心桿組成的“微槽結(jié)構(gòu)+環(huán)縫”組件

經(jīng)過(guò)加工工藝性分析，綜合考慮工藝實(shí)現(xiàn)、加工成本和加工效率等因素，選取線切割加工方法成形。主要加工思路：采用分度頭裝夾專(zhuān)用工裝，將內(nèi)栓零件固定到專(zhuān)用工裝上找正，然后電極絲端面找正，線切割第一個(gè)槽成形后，旋轉(zhuǎn)10°，切割第2個(gè)槽，依此類(lèi)推共18次。

依據(jù)上述加工思路，經(jīng)過(guò)分析得出微槽結(jié)構(gòu)的精度主要取決于專(zhuān)用工裝設(shè)計(jì)、電極絲相對(duì)內(nèi)栓零件的找正定位精度、電極絲速度及合適的電參數(shù)等工藝因素。主要難點(diǎn)如下。

（1）裝夾 內(nèi)栓零件由于法蘭處為四方結(jié)構(gòu)，精確定位裝夾難度很大，因此需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝。

（2）定位找正精度 由于高密度對(duì)稱(chēng)微槽寬度為0.3mm，深度為0.14mm，數(shù)量為36個(gè)，因此加工時(shí)需要多達(dá)18次的重復(fù)翻轉(zhuǎn)。電極絲與零件基準(zhǔn)的相對(duì)位置找正精度不夠，極易累積裝夾定位誤差，不僅單個(gè)微槽尺寸超差，而且36個(gè)均布微槽的一致性也很難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，直接影響噴注器流量大小及均勻性，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，為此，需要精度較高的找正方法來(lái)保證。

（3）電參數(shù)優(yōu)化選取 線切割加工的微觀過(guò)程較為復(fù)雜，加工精度及穩(wěn)定性的研究很復(fù)雜，目前定量分析有一定的困難，電參數(shù)的摸索大多數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合工藝試驗(yàn)。微槽結(jié)構(gòu)小，對(duì)電參數(shù)組合敏感，需要摸索合適的電參數(shù)組合。

3 高密度微槽結(jié)構(gòu)的精密線切割加工

根據(jù)上述分析，采取相應(yīng)的措施解決加工難點(diǎn)，設(shè)計(jì)噴注器內(nèi)栓零件高密度微槽加工路線如圖3所示。

圖3 噴注器內(nèi)栓零件高密度微槽加工路線

3.1 設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝

由于噴注器內(nèi)栓的端面是四方結(jié)構(gòu)，不利于后續(xù)的裝夾定位，故設(shè)計(jì)專(zhuān)用固定工裝。此工裝的裝夾部分與端面的垂直度有嚴(yán)格的幾何公差要求，需保證在0.008mm以?xún)?nèi)，同時(shí)工裝與內(nèi)栓貼合的端面平面度也應(yīng)該保證在0.01mm以?xún)?nèi)；專(zhuān)用工裝前端加工一凸臺(tái)，凸臺(tái)外圓與工裝的裝夾部分需保證同軸度0.008mm以?xún)?nèi)的要求，同時(shí)凸臺(tái)外圓與內(nèi)栓零件內(nèi)孔嚴(yán)格配加工，裝夾時(shí)依靠凸臺(tái)定位，通過(guò)螺釘緊固，保證裝夾后工裝的裝夾部分與固定在工裝上的內(nèi)栓加工微槽結(jié)構(gòu)的外圓同軸度要求。內(nèi)栓零件專(zhuān)用工裝裝夾如圖4所示。

圖4 內(nèi)栓零件專(zhuān)用工裝裝夾

3.2 電阻法精密找正

定位找正的目的是確定電極絲與零件基準(zhǔn)的相對(duì)位置，定位找正精度直接決定內(nèi)栓零件的加工質(zhì)量。如果找正方法選擇不當(dāng)、精度不高，則很難保證各個(gè)微槽尺寸的精度，同時(shí)加工過(guò)程需要18次反復(fù)的翻轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致均布槽一致性差。常用的線切割找正方法[2]如下。

（1）目測(cè)法 采用目測(cè)法找正電極絲相對(duì)零件基準(zhǔn)的位置誤差較大，均布槽的一致性很難保證。

（2）火花法 移動(dòng)工作臺(tái)使工件的基準(zhǔn)面逐漸靠近電極絲，在出現(xiàn)火花的瞬間記下工作臺(tái)上的坐標(biāo)，來(lái)記錄電極絲相對(duì)零件基準(zhǔn)的位置。但往往因電極絲靠近基準(zhǔn)面時(shí)產(chǎn)生的放電間隙與正常切割條件下的放電間隙不完全相同而產(chǎn)生誤差。

（3）自動(dòng)找正 目前大部分線切割機(jī)床具有接觸感知功能，采用自動(dòng)找正的方法去找邊、找中心，找正精度比較高。但是該方法多次對(duì)邊找正后的誤差最大可達(dá)到0.05mm，不能滿(mǎn)足36個(gè)微槽尺寸精度、微槽之間尺寸一致性要求。

（4）電阻法 其原理是利用電極絲與工件基準(zhǔn)面由絕緣到短路接觸的瞬間兩者間電阻突變的特點(diǎn)，來(lái)確定電極絲相對(duì)工件基準(zhǔn)的坐標(biāo)位置，重復(fù)定位精度較高，一般可達(dá)0.005mm以?xún)?nèi)。

對(duì)比以上找正方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，最終采用電阻法來(lái)確定電極絲與零件基準(zhǔn)的相對(duì)位置，從而確定加工原點(diǎn)，電阻法精密找正如圖5所示。設(shè)計(jì)電阻法精密找正裝置，萬(wàn)用表一側(cè)表筆接電極絲導(dǎo)輪，另一側(cè)接被加工零件，將萬(wàn)用表置于歐姆檔，手控盒或操作面板使工件與電極絲逼近來(lái)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工件與電極絲瞬間接觸時(shí)萬(wàn)用表指針對(duì)零。剛接觸時(shí)是絲的邊緣，尋邊后需要加絲的半徑補(bǔ)償。

圖5 電阻法精密找正

用手控盒或操作面板將電極絲移到零件端面，保證接觸良好，此時(shí)萬(wàn)用表指針處于最右側(cè)。之后采用手控盒或者操作面板以每次0.002mm移動(dòng)電極絲。當(dāng)萬(wàn)用表指針發(fā)生大幅度擺動(dòng)時(shí)（短路變化為斷路），說(shuō)明電極絲與零件端面瞬間分離，此時(shí)設(shè)定電極絲坐標(biāo)為（0，0），經(jīng)過(guò)多次找正，誤差最大為0.004mm，可滿(mǎn)足均布微槽加工的找正要求。

加工過(guò)程中每切割1對(duì)槽重新找正一次，切割時(shí)需要時(shí)刻觀測(cè)剛放電時(shí)坐標(biāo)零點(diǎn)的偏移量。如果電極絲剛剛發(fā)生放電時(shí)坐標(biāo)零點(diǎn)偏移超過(guò)0.005mm，需要重新找正，避免累積誤差。

3.3 線切割及電加工參數(shù)的優(yōu)化

找正基準(zhǔn)位置后，回退0.5mm作為起切點(diǎn)，編程切割路徑[3]，切割過(guò)程中對(duì)電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。影響線切割加工質(zhì)量的指標(biāo)很多，包括：電參數(shù)脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、非電參數(shù)運(yùn)絲速度、電極絲張力及工作液清潔度等。結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)，選擇影響加工的重要指標(biāo)因素，并均勻分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)定正交試驗(yàn)，優(yōu)化加工參數(shù)，并通過(guò)影像儀精確測(cè)量出的加工值與理論值的偏差，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)測(cè)量，確定加工微槽結(jié)構(gòu)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合[4]。電加工優(yōu)選參數(shù)：切割次數(shù)為1次，電極絲直徑為0.12mm，極性為正極，脈寬為1μm，絲速為6m/s，選用DIC-206水溶性線切割液。

3.4 微槽測(cè)量

采用高倍影像儀放大400倍測(cè)量，測(cè)量結(jié)果（見(jiàn)圖6）一致性較好，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

圖6 高倍影像儀測(cè)量結(jié)果

4 工藝方法應(yīng)用效果

采用上述工藝方法，配合電阻法精密找正裝置，切割出符合尺寸精度、表面質(zhì)量要求的微槽（見(jiàn)圖7），尺寸精度保證±0.01mm，且熱試車(chē)試驗(yàn)也驗(yàn)證了加工的有效性。

圖7 內(nèi)栓均布微槽結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器內(nèi)栓微槽結(jié)構(gòu)加工工藝難點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)采取設(shè)計(jì)專(zhuān)用固定工裝、電阻法精密找正裝置以及優(yōu)化電加工參數(shù)等措施，解決了內(nèi)栓零件高密度微槽結(jié)構(gòu)裝夾困難及高精度要求的難題，保證了內(nèi)栓零件的36個(gè)微槽結(jié)構(gòu)的尺寸精度及位置精度。加工合格后的噴注器流量一致性穩(wěn)定，均勻性好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期，熱試車(chē)結(jié)果全面驗(yàn)證了工藝方案的可行性和正確性，發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。此方案能夠推廣應(yīng)用到其他高精度微尺寸結(jié)構(gòu)的加工中。

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

文章的亮點(diǎn)是找對(duì)方法、重點(diǎn)突破。試驗(yàn)證明，基于線切割和電阻法找正的高密度微槽加工方法，具有很好的加工一致性和均勻性，在類(lèi)似零件微小結(jié)構(gòu)的線切割加工中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。