異形難熔陽極的精密加工難點與工藝改進

殷寶森，王文平，劉征，許東，鄭然，韓峰

北京控制工程研究所 北京 100190

1 序言

陽極使用的難熔合金材料WRe25鎢錸合金為粉末冶金方法制造而成，具有硬度高、密度高和熔點高等特點，具有優良的高溫強度、抗蠕變性能和電性能，工作溫度可達2000℃以上。加工難點包括材料難加工，內孔異形結構尺寸公差和幾何公差要求較嚴，以及表面質量要求高等。內孔異形結構中的微小孔結構與外圓同軸度要求＜φ0.01mm，雙錐錐面結構角度公差滿足±10′，表面質量最優達到表面粗糙度值Ra＝0.4μm。

目前，加工雙錐錐面結構和微小孔結構一般可采用機械加工、電火花線切割和電火花成形加工等方法[1，2]，有時也會選用超聲振動輔助電火花復合加工[3]。經過對比，采用機械加工制造異形孔，存在成本高、復雜孔加工困難等缺點，尤其對于難熔高硬度材料，加工刀具易折斷，造成無法加工。復合加工成本相對較高且加工靈活性也較差。電火花加工可有效避免上述問題。

通過對難加工材料的微小孔、雙內錐面等內孔異形結構的精密加工工藝分析，開展電加工工藝研究，采用合理的加工方法，最終實現達到尺寸和幾何公差及表面質量要求。

2 陽極加工要求

陽極材料為W R e25鎢錸合金，外圓和端面對幾何公差要求較高，內部結構加工要求也較嚴格，內錐孔錐角40°±20′和60°± 10′、φ（0.6±0.01）mm微小孔與外圓同軸度φ0.01mm以內，φ（0.6±0.01）mm微小孔長度（0.8±0.03）mm，錐孔角度公差最嚴要求為±10′，表面質量達到表面粗糙度值Ra＜0.8μm。陽極如圖1所示。

圖1 陽極

3 加工難點分析

1）陽極材料為難加工材料。鎢錸合金熔點為3180℃，密度為21g/cm3，硬度＞50HRC。相對于常規加工材料，鎢錸合金熔點約是鋼的2倍、鋁的5倍；密度約是鋼的3倍、鋁的7倍。其高熔點、高密度及高硬度特性給加工帶來很大困難。

2）高精度內孔與外圓的同軸度要求高。陽極兩端雙內錐孔和中間微小孔需要與外圓保證同軸度φ0.01mm以內，結構之間才能較好過渡，從而避免出現結構錯位。為保證后續線切割能加工內孔成形，穿絲孔需要單邊留余量≥0.1mm，φ0.2mm電極絲與放電間隙之和需要≥0.25mm，避免慢走絲加工時，因電極絲裝夾偏離穿絲孔中心較大而造成短路。φ（0.6±0.01）mm內孔的穿絲孔孔徑最大可達φ0.4mm。線切割絲徑與內孔如圖2所示。穿絲孔為深徑比達57的深小孔，并要求與外圓的同軸度＜φ0.10mm，可避免φ（0.6±0.01）mm內孔加工后留下穿絲孔痕跡。

圖2 線切割絲徑與內孔

采用高速穿孔機加工φ0.4mm穿絲孔，然后采用慢走絲機床加工φ（0.6±0.01）mm內孔，進行2次裝夾定位，加工出的孔很容易與外圓存在同軸度偏差。如何保證工序間加工出的穿絲孔、內孔與外圓擁有較高的同軸度，也是加工難點之一。

3）線切割雙內錐孔與微小孔時易產生相互干涉。線切割加工40°±20′錐孔后，φ（0.6±0.01）mm微小孔長度（0.8±0.03）mm易產生過切（見圖3），長度超差。加工40°錐角時，主切偏移量為0.1mm，再加上0.04mm放電間隙，當電極絲傾斜20°時，影響φ0.6mm微小孔60°方向孔口到60°端面距離。

圖3 線切割錐面后易產生中間孔長過切

4）雙內錐孔精度和表面質量要求高。40°±20′和60°±10′錐角尺寸精度要求較高，并且全跳動值在0.02mm以內，表面粗糙度值Ra＜0.8μm，對電加工工藝參數及電極制作都提出了較高要求。

4 解決方案

4.1 設計并制作高精度裝夾工裝

陽極經過外圓和端面磨削后，需設計多道工序加工內孔用的高精度裝夾工裝，以外圓和端面為基準，進行陽極與工裝裝夾，保證內孔與外圓同軸度要求。

如果以圓形孔進行定位，則工裝主要存在以下問題。

1）由于工裝裝配孔內徑27mm加工過程中存在讓刀現象，導致裝配孔底端有輕微錐角，與底面基準面不垂直，陽極裝配不到底面。

2）需要陽極磨制件和裝夾工裝進行配磨，不適用于不同批次間加工。

改進裝夾結構，用V 形孔定位替換整圓孔定位，降低裝夾工裝與陽極配磨要求，并要求φ27mm與陽極裝配間隙在0.005mm以內，降低胎具加工公差要求，提高裝夾胎具的靈活性。改進前后裝夾胎具如圖4所示。

圖4 改進前后裝夾胎具

4.2 微小孔雙錐結構高精度線切割加工

針對慢走絲線切割錐面時φ（0.6±0.01）mm內孔干涉問題，采取加工時φ0.6mm兩端孔口到端面距離分別留余量0.2mm的措施。此時錐角需加工至24°。然后其余錐孔尺寸和內孔長度轉至電火花成形加工。線切割后中心微小孔形貌如圖5所示。

圖5 線切割后中心微小孔形貌

4.3 高質量雙錐面電火花成形加工

加工過程中考慮電極的設計尺寸、電極表面質量等因素，通過實踐與摸索，電極錐面角度60°、40°分別設計為59.9°～59.95°、39.9°～39.95°，最終電極尺寸如圖6～圖8所示。

圖6 60°粗加工電極

圖7 60°精加工電極

圖8 40°加工電極

加工過程中粗加工需要大能量去除余量，然后精加工深度達到尺寸公差要求，修光表面達到工藝要求。加工過程中的參數，隨著零件表面余量的減少，低壓電流和脈寬逐漸減小，間隙放電電壓逐漸變大。電加工參數見表1。

表1 電加工參數

電極錐面質量顯著影響加工后陽極表面質量。如果用數控車床加工，因靠數控程序控制進行X軸、Y軸運動完成，在顯微鏡下觀察表面有明顯的波峰波谷紋路，會影響陽極加工后錐面的表面質量；而采用手動車削，車刀安裝在小滑板上，靠手動沿導軌直線加工出來，加工后的表面較為平整。由此需采用手動車削機床加工電極。數控和手動加工電極錐面外觀對比如圖9所示。

圖9 數控和手動加工電極錐面外觀對比

5 實施效果

加工后的陽極經過微小孔、雙錐孔及表面質量檢測，全部滿足圖樣要求，微小孔實測值為φ0.603mm，與外圓同軸度為φ0.008mm，錐面全跳動最優可達0.006mm。陽極檢測值見表2，陽極外觀如圖10所示。

表2 陽極檢測值

圖10 陽極外觀

6 結束語

本文針對陽極的異形內孔結構和鎢錸合金材料的電加工難點進行工藝分析與方案改進，通過線切割與電火花成形加工相配合的方法，高效高質地完成陽極內孔異形結構的加工，實現了高精度裝夾定位、線切割加工微小孔大錐面結構以及電火花加工錐面等關鍵技術突破，為類似難熔高密度材料的精密加工提供了參考。

專家點評

文章闡述了異型難熔陽極的雙錐微小孔加工難點和解決方案。根據同軸度要求設計制作高精度裝夾胎具，通過線切割和電火花成形加工相配合的方法，實現了難熔陽極的微小孔線切割加工以及大錐面電火花加工等多項關鍵技術突破，為類似材料的精密加工提供了實踐經驗。

文章結構合理，分析全面，思路清晰，數據準確，在線切割和電火花成形加工方面積累了豐富的經驗。