短電弧車削蜂窩環重鑄層影響實驗研究*

王子健 周碧勝② 周建平 汪兵兵 張晟晟 丁勝威

（①新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；②西安金弧航空科技有限公司，陜西 西安 710018）

蜂窩結構密封是現代航空發動機廣泛使用的高效密封方式。據研究表明，封嚴技術嚴重影響著航空發動機的技術水平，且好的封嚴技術可以有效降低航空發動機的油耗，同時起到很好的隔熱作用，并提高發動機的工作效率，減少環境污染[1]。

蜂窩環由外環金屬Cr 鋼圈以及內環GH3536 材料的蜂窩網格部分構成，網格為正六邊形蜂窩結構，深度較大，網格較小，壁厚只有0.08 mm，剛度極差。對尺寸以及加工后表面質量要求嚴格，不允許出現蜂窩變形、重鑄層脫離和基體金屬裂紋等，同時對于重鑄層厚度、重鑄層氣孔等指標要求較高。

傳統機械加工容易導致蜂窩薄壁倒伏而封住蜂窩格，變形會影響蜂窩的密封效果[2]。由于需要選擇樹脂等材料作為填充物對蜂窩格進行填充，加工后將填充物去除，故容易造成填充物殘留的現象，并且會有蜂窩格一次填充不完整的情況[3]。因此部分學者為解決上述問題對機械加工進行了大量的研究，目前先進的高速銑削加工仍會發生蜂窩壁的塑性變形、微小毛刺、翻邊毛刺以及焊點拉脫等現象[4]。

大量學者通過研究采用電加工技術手段解決以上問題，電加工是利用兩極間的間隙放電來蝕除材料，達到加工工件的效果。很好地解決了機械加工導致蜂窩變形等問題，但是在加工時，工件材料被高溫熔化，在沖液以及工件和電極的旋轉作用下被排出，有部分熔化材料未能及時排出而重新凝固在工件表面，形成重鑄層。目前廣泛應用的電火花磨削加工，粗加工一般重鑄層厚度為0.05 mm，精加工一般為0.025 mm[5]。

作為我國自主研發的短電弧加工技術，是利用電極與工件之間產生等離子通道來擊穿間隙，產生電弧放電群組，從而產生高溫來加工工件。據研究表明，短電弧磨削蜂窩的加工質量比電火花磨削蜂窩質量提高了一個數量級，短電弧磨削蜂窩的加工尺寸可以控制在0.05 mm 以內，重鑄層厚度可以達到0.009 mm，達到航空發動機一類件的標準[6]。

為在生產過程中提高加工效率以及改善表面質量，本文對各影響因素進行實驗研究，探究電壓、電極轉速、工件轉速、進給速度以及電極形狀對蜂窩表面重鑄層厚度、元素以及微觀形貌的影響。

1 實驗設置

1.1 實驗原理

短電弧車削蜂窩環加工時將蜂窩環固定在旋轉卡盤上，并接入電源正極，磨輪電極伸入蜂窩環內部，緊靠蜂窩環內壁，接入電源負極，利用極性效應降低電極損耗[7]。加工時電極進給向蜂窩環內壁靠近，當工件和電極距離達到放電距離時，在電極與蜂窩內壁之間產生電離，擊穿間隙中是空氣和介質，電極和工件表面大量帶電粒子瞬時劇增，在受到極間形成的電場力下，不斷轟擊工件和電極表面，共同形成放電通道，產生超高溫，將工件材料熔化以及氣化[8]。熔融材料在工件和電極相互旋轉產生的離心力以及高速沖液的流體力和冷卻作用下，快速凝固成顆粒物，從工件基體剝離，從極間排出，從而達到加工蜂窩的效果，實驗原理如圖1 所示。

圖1 短電弧車削蜂窩環原理圖

1.2 實驗條件

本次實驗研究采用四軸短電弧車削專用機床，主要包括控制系統、短電弧專用數控電源、沖液系統、床身及旋轉系統，具體結構如圖2 所示。工件由四爪卡盤裝夾在工件轉盤上，并進行找正，以確保工件裝夾在卡盤的正中心，達到加工尺寸要求。

圖2 短電弧車削蜂窩環機床結構圖

實驗裝置包括以下幾種。

（1）實驗機床：DHCK12530 系列短電弧數控車削加工機床。

（2）機床電源：DHX3000/28FS 數控短電弧切削電源。

（3）實驗工件：采用某型號蜂窩材料為GH3536的蜂窩環構件。

（4）加工電極：采用三種直徑為100 mm 的開槽鑄鐵磨輪電極，形狀如圖3 所示。

圖3 加工電極圖

（5）切割及檢測設備：DK7720 電火花線切割機床，將加工后的工件切樣進行檢測；Tektronix TBS1000X 示波器，實時檢測加工時電流電壓狀態，及時發現加工時是否發生短路；Teelen 4XCE 金相顯微鏡，ZEISS Gemini 1 Sigma 300 掃描電子顯微鏡。

1.3 實驗參數設置

在短電弧車削蜂窩時，通過控制電壓、電極轉速、工件轉速以及進給速度來完成不同的加工工序，同時電極形狀特征決定加工時流場特征，通過控制上述變量來滿足加工尺寸和表面質量的要求。因此對上述參數進行單因素實驗，以電流電壓波形圖、重鑄層截面形貌、表面形貌以及重鑄層元素分析作為檢測指標，具體實驗參數設置見表1。

表1 實驗參數設置

2 實驗結果分析

2.1 電壓與電流波形分析

為充分研究短電弧放電時的狀態，通過示波器以及上位機軟件對加工過程進行實時數據采集。圖4a 所示為未放電狀態下電流電壓波形圖，電流隨電壓的脈動變化趨勢一致。圖4b 所示為放電狀態下的波形圖，每當產生電弧放電時，間隙介質被擊穿，電流迅速升高，產生壓降現象。單次完整電弧放電電壓突破零點，成為負壓，此時電弧在工件與電極的轉動下被拉斷，電流與電壓迅速回歸常值。而在連續放電情況下，由于前一次放電時，電壓還未降至突破零點便產生新的電弧，故電流與電壓均為正值，且均呈現出連續的波浪峰值。

圖4 短電弧車削電流及電壓波形圖

2.2 電壓對重鑄層的影響

由于短電弧專用脈動直流電源特性，電壓成為了蜂窩加工質量的決定性電參數。圖5 和圖6 分別為不同電壓下的微觀形貌分析和金相分析。高電壓加工時，工件的表面微觀形貌更加粗糙，會出現明顯密集的熔滴顆粒、裂紋、溝壑、凹坑以及褶皺，甚至出現沖蝕孔洞，且重鑄層更厚。低電壓加工后，表面的熔滴顆粒及凹坑群組更加細密，工件表面更平整，重鑄層更薄。這是由于低電壓產生的放電離子通道放電能量低，熔化物少，而高電壓放電能量強，熔化物顯著堆積，在相同的高壓沖液作用下，較多熔化物難以蝕除，造成高電壓下表面質量更差、重鑄層更厚的現象。

圖5 不同電壓加工表面微觀形貌

圖6 不同電壓加工截面金相圖

由于放電區域的瞬時高熱和驟冷，使工件表面小范圍內體積收縮，而周邊未加工區域的約束力防止其收縮，因此在其表面張力和內部收縮力的耦合作用下，使得表面應力大于表面拉伸極限形成了裂紋，熔化材料越多表面裂紋越顯著[9-11]。由于蜂窩結構的特點，重鑄層大熔滴出現在三片蜂窩壁的交叉處。其產生原因為單蜂窩壁較薄，熔化的材料少，且熔滴難以附著，可及時被排出。而三片蜂窩壁交叉處，熔滴受力面大，更易附著在工件表面，且熔化材料顯著堆積，凝固成大熔滴。

由圖6c 和圖6d 可以看出，大量熔融物難以及時蝕除，于是在工件轉動產生的離心力作用下，沿著蜂窩壁向外環流動，呈現出滴落的狀態，而低電壓加工的工件，由于熔化材料較少，只附著在蜂窩網格薄壁的表面。

2.3 電極轉速和工件轉速對重鑄層的影響

電極轉速和工件轉速決定機械斷弧的效果。圖7～圖10 為不同電極和工件轉速下，加工后表面微觀形貌和截面形貌分析。由圖可知，電極和工件的轉速越快，產生機械斷弧效果越好，電弧通道未能及時擴張便被拉斷，故產生的放電能量較弱，熔化材料少，工件表面重鑄層凹坑、裂紋、熔滴顆粒和碎片較細密，重鑄層厚度更小，表面更加平整。相反，電極和工件轉速減緩，電弧單次放電時間提高，等離子放電通道擴散時間長且能量較強，在相同的沖液流體作用力以及冷卻作用下，工件表面凹坑、熔滴、顆粒以及裂紋更顯著，重鑄層厚度更厚。

圖7 不同電極轉速加工表面微觀形貌

圖8 不同工件轉速加工表面微觀形貌

圖9 不同電極轉速加工截面金相圖

圖10 不同工件轉速加工截面金相圖

2.4 進給速度對重鑄層的影響

相同的加工參數下，電弧加工能產生等離子放電通道的兩極間寬度相同，而進給速度可以通過縮短兩極間寬度來增加等離子通道內的材料量，以及擴展電弧放電群組的密度和面積。圖11 和圖12 為不同進給速度下工件表面微觀形貌和截面形貌分析。由圖可知，提高進給速度有助于蝕除材料，直到蝕除部分材料后，電極與工件之間再次達到該參數下放電通道的極限距離。但進給速度過高，會導致大量熔融物堆積，形成短路。由于蜂窩結構薄壁低剛度的特性，短路將造成電極與蜂窩表面產生干磨的現象，使蜂窩壁表面變形。同時，進給速度提高會縮短極間距離，降低進入極間的沖液量，削弱沖液效果，熔化材料更難蝕除，產生更厚的重鑄層，顯著的表面凹坑、熔滴顆粒和裂紋，更劣的表面形貌。通過圖11b 發現有重鑄層剝離母體的現象，是由于重鑄層產生大量裂紋，表面結構疏松，在高速沖液流體力的作用下將重鑄層剝離母體。

圖11 不同進給速度加工表面微觀形貌

圖12 不同進給速度加工截面金相圖

2.5 電極形狀對重鑄層的影響

在短電弧加工過程中，高速沖液起到排出熔化物以及加速冷卻的效果，而電極的形狀特征影響著沖液作用于工件的效果。電極的開槽有助于沖液通過槽作用在工件上，開斜槽電極在高速旋轉時，會帶動沖液隨著電極進行轉動，從而徑向作用于工件表面，形成兜液效果。同時開槽電極很有效地起到了斷弧的作用，加工時可以隔斷電弧，降低放電能力。圖13 和圖14 所示為三種電極加工后工件表面微觀形貌和截面金相分析。圖13 所示的3 種電極中，2 號電極的開槽數量大于1 號電極，因此直沖和兜液均有更好的效果，且有助于增強斷弧效果，故加工后表面熔滴顆粒、凹坑和微裂紋明顯稀少，重鑄層厚度降低，表面更加平整，加工質量更優。3 號電極較2 號電極增加了擋板，高速沖液在擋板的作用下被彈回，從而再次作用于工件，同時有效防止產生的兜液從通槽的另一側流失。使部分沖液兩次作用于工件，且使更多沖液作用于工件表面，因此有更好的沖液效果。如圖13c 和圖14c 所示，加工后工件表面凹坑群組密集，更加平整，重鑄層厚度更薄且形狀規則。

圖13 不同電極形狀加工表面微觀形貌

圖14 不同電極形狀加工截面金相圖

2.6 工件表面元素分析

為深入研究工件表面材料成分及加工時電極與工件之間放電發生的反應，對工件表面進行EDS能譜分析，結果如圖15 所示。通過對比基體材料成分可以得出，重鑄層中的C、Mo、Fe 元素均顯著提高，同時Cr 元素有所降低，且有來自于沖液介質的Ca 元素和空氣中O 元素出現。這是由于加工時，電極、工件、沖液介質和空氣共同形成等離子通道，其中帶電粒子運動劇烈，對工件和電極表面進行劇烈沖擊，導致放電通道內的帶電粒子滲入工件熔化部分，并發生遷移和擴散的現象，同時工件表面的元素向外遷移進入蝕除顆粒物及電極表面，在沖液冷卻作用下凝固，從而存在于工件表面，重鑄層經過高溫氧化[12]，形成合金化的重鑄層。

圖15 工件表面能譜元素分析

3 結語

本文通過對短電弧車削蜂窩環進行單因素實驗，研究了不同參數（電壓、電極轉速、工件轉速、進給速度和電極形狀）下，短電弧車削蜂窩環重鑄層的影響規律，著重分析了電流和電壓波形圖、加工后工件表面微觀形貌、截面形貌和元素成分，結論如下：

（1）通過對電流和電壓波形圖分析得出，電弧生成時，產生壓降現象；單次完整放電，電壓出現負壓；連續放電時電流電壓呈現出正值的連續波浪峰值。

（2）通過對工件表面和截面微觀形貌分析得出，重鑄層表面有凹坑、褶皺、熔滴顆粒和裂紋，這些結構造成工件表面質量更差，重鑄層厚度更厚。

（3）通過分析不同參數的影響規律得出，電壓和進給速度越大，表面質量越差，重鑄層越厚；電極轉速和工件轉速越高，表面質量越好，重鑄層厚度越薄。多槽擋板電極沖液效果更好，故表面形貌更好，重鑄層厚度更薄。

（4）通過對工件表面進行EDS 能譜分析得出，在加工時，等離子通道內的空氣、介質、工件和電極中的帶電粒子不斷轟擊工件和電極表面，造成C、Mo、Fe 和Ca 元素滲入工件、遷移并擴散，Cr 元素向外運動含量降低，重鑄層經過高溫氧化出現O元素，使重鑄層合金化。