浮動壁火焰筒電火花加工工藝

沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司（遼寧 110862）許 帥 于 冰

火焰筒是燃燒室的承溫部件，筒體壁上開有各種功能孔實現在其間氣液兩相流穩定高效的燃燒，并與冷氣摻混，滿足出口溫度分布需要，同時壁面采取有效的冷卻防護措施，防止燒壞。為了保證各種功能孔的使用效果，尤其是分布在筒體壁上沖擊孔的冷卻效用，對沖擊孔、對流孔等制造技術提出了更高的要求。

國內外普遍認為機械小孔加工難度較高，是精密加工領域的難題。現代航空發動機上要求在難加工材料上加工小孔越來越多，如燃燒室火焰筒上的沖擊孔、渦輪葉片氣膜孔、發動機噴嘴上的噴油孔，以及渦輪靜子葉片上的各類型孔和型槽等，這些小孔都是分布在錐面及空間面上，難于機械加工。

目前，國內外針對燃燒室火焰筒筒體壁上呈空間角度分布的沖擊孔，大多采用激光的方式進行加工，其能力較強，成本低，生產效率也高。但是由于激光的燒熔作用，孔內表面粗糙度不均勻，形成較厚的重熔層，實際測量的孔直徑要小于孔的實際通流直徑，且激光加工后小孔下方端口留有熔瘤堆積，上方端口邊緣毛刺眾多，后期需要進行人工打磨處理，大大增加了工作量，反而降低了生產效率。為了更有效地解決激光加工后遺留的質量隱患，加工出高質量的沖擊孔，從而提出了電火花加工。

一、浮動壁式火焰筒沖擊孔加工工藝分析

1.浮動壁式火焰筒簡介

浮動壁式火焰筒具有拆卸和維護方便、冷卻效果好、使用壽命長及可明顯改善溫度分布等優勢，能夠滿足第四代航空發動機對燃燒性能提高的要求。但這種結構的火焰筒給制造技術帶來一定的困難，如變為單層結構的火焰筒剛性差、尺寸精度高，尤其是內外筒體壁上上萬個沖擊孔和瓦片裝配定位孔的定位精度及加工技術等。另外，火焰筒的壁溫問題也尤為顯著，目前解決發動機火焰筒的冷卻問題，主要采取沖擊－對流－氣膜復合冷卻的浮動壁式壁面結構。該結構的冷卻效果直接取決于浮動瓦片上的氣膜孔與筒體壁上的沖擊孔能否形成對流效應，除了要求浮動瓦片型面、定位螺栓、對流孔和擾流柱精鑄的相對位置要非常精確外，還要求筒體壁上的浮動瓦片裝配定位孔和沖擊孔的相互位置也要非常精確，同時，沖擊孔的加工質量也尤為重要，它將直接影響到氣膜冷卻的效果。

針對上述筒體壁上的浮動瓦片裝配定位孔和沖擊孔的相互位置精確度及沖擊孔的加工質量要求，通過大量工藝試驗，確定沖擊孔的加工方法，完善工藝路線，保證火焰筒的使用壽命，從而提高發動機性能。

2.浮動壁式火焰筒沖擊孔加工技術的比較分析

孔加工是機械加工中占比例較大的一種重要加工工序。隨著高硬度、高強度難加工材料的發展，對孔的加工需求也逐漸增多。機械加工浮動壁式火焰筒沖擊孔難度較高，采用電火花、電液束、激光等特種加工技術，均可解決沖擊孔加工的難題，滿足精尖端制品對沖擊孔加工的需要。沖擊孔的加工主要有以下幾種方式：

（1）高速電火花小孔加工（High-speed small hole ED Drilling）高速電火花小孔加工是在旋轉的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時保持高電流密度連續正常放電。其加工速度一般可達60mm/min，比機械鉆削小孔快得多。多軸數控電火花高速打孔機在近幾年的發展速度非常之快，不僅可實現空間多個自由度的要求，而且加工質量也高，能夠滿足各類零件的生產需要。

（2）電液束加工 電液束加工是將具有一定壓力的電解液通過電極（陰極），經絕緣玻璃噴嘴形成一束射流噴向工件（陽極），同時在工件和電極之間施壓高電壓，使工件上被電解液噴射的材料部分溶解去除而進行的加工方法。其特點有：①“三無”，即無重熔層，無微裂紋，無熱影響區。② 具有可達性，表面完整性好，深徑比大。③ 電液束加工的孔進出口光滑、無毛刺，表面粗糙度值低。④ 與傳統電解電工工藝相比，可以加工更小的孔。

然而，電液束加工用的電極設計要求高，制造成本也高，且目前國內沒有適合加工大零件用的多軸數控聯動的電液束加工機床。

（3）激光加工 激光加工是將激光束照射到加工物體的表面，產生光輻射加熱作用，從而去除或熔化材料以及改變物體表面性能，達到加工目的。其加工特點速度快，效率高，無宏觀作用力，然而激光加工后小孔下方端口有熔瘤堆積，表面粗糙度值較高。

本課題以多軸數控電火花小孔加工設備為平臺，采用電火花高速打孔技術對火焰筒內外環沖擊孔進行加工。其優勢是加工精度高（圓度和尺寸精度高），孔內表面粗糙度均勻，無需后續的人工處理，節省了大量人力，提高了生產效率并保證了氣膜冷卻效果。

二、電火花高速打孔工藝方案的論證

火焰筒內外環采用GH3536材料，該材料機械切削性能差，且零件上設計了上萬個沖擊孔，孔徑尺寸為φ1.1～φ1.8mm不等，位置精度要求高，給加工帶來很大的困難。原采用激光加工，孔的加工質量較差，本課題通過對浮動壁式火焰筒內外環沖擊孔電火花加工技術的研究，實現對原有激光加工工藝的替代，以解決激光加工后遺留的質量隱患，提高沖擊孔的加工質量，保證零件的使用性能。

1.電火花打孔工藝試驗

（1）工藝試驗研究對象 本試驗采用浮動壁火焰筒作為研究對象，火焰筒是燃燒室的核心構件，一般都是用1.0～2.0mm厚的耐熱合金板碾焊拼成的幾段圓筒。本試驗采用電火花加工技術針對火焰筒壁上的沖擊孔進行加工，從而達到火焰筒對氣膜冷卻效果的要求。圖1所示為火焰筒內環模型，圖2所示為火焰筒外環模型。

圖1 火焰筒內環模型

圖2 火焰筒外環模型

（2）電極結構 火焰筒內外環上分布的上萬個沖擊孔孔徑尺寸分為7種規格，分別為φ1.1mm、φ1.2mm、φ1.3mm、φ1.4mm、φ1.5mm、φ1.7mm和φ1.8mm。由于沖擊孔孔徑尺寸各不相同，所以電極的尺寸也選取不同的規格，并且配套選取電極導套（導向器）規格。

（3）進行GH3536材料的電加工性能工藝試驗 設計7組與火焰筒壁厚一樣且材料相同（GH3536材料）的試片進行電火花小孔加工試驗，每一組試片對應一種沖擊孔的孔徑進行試驗，從而確定這種孔徑的電極尺寸。具體試驗結果如表1所列。

表1 7種沖擊孔孔徑電極尺寸的確定情況 (單位：mm)

（4）正交試驗優化工藝參數 本試驗在高壓電流和沖液壓力保持恒定的狀態下設計了加工電流（平均電流）、脈沖寬度、脈沖間隔和伺服進給速度為高速電火花小孔加工的4個工藝參數，每個工藝參數取3個水平，構成L9（34）正交試驗表進行正交試驗。

再將正交試驗優選出的7組最優水平組合參數應用于浮壁式火焰筒沖擊孔電火花加工的驗證試驗中，并針對每種孔徑的沖擊孔加工，各自再選取出一組較好的參數組合，與正交試驗優選出的最優水平組合參數進行比較驗證，表2中單數試驗號分別為7種孔徑正交試驗優選出的最優水平組合參數，偶數試驗號則為對應孔徑試驗加工中經驗較好的參數組合（詳見表2）。

表2 7種孔徑參數組合的驗證試驗

利用上述14組參數分別在14個試片上進行對應孔徑的沖擊孔加工，并將加工完成后的每一個試片上的20個沖擊孔進行重熔層厚度檢查，對檢查結果進行比較分析。由重熔層平均厚度值分析可得，每種孔徑沖擊孔的兩組參數組合中單數試驗號的試驗結果為該沖擊孔的理想參數組合，同時也是正交試驗優選出的兩組最優水平組合，該結論驗證了正交試驗的理論結果。

2.加工程序的驗證

火焰筒筒體直徑尺寸很大，壁薄、剛性差，如果一排一排地加工沖擊孔，極難保證一萬多個沖擊孔的位置度要求，所以采取特殊的加工方式，分別將整個內、外環筒體按照瓦塊的裝配關系各劃分成60個扇形區域（浮動壁式火焰筒由120塊鑄造耐熱合金“瓦片”襯附在整塊冷壁板內，具有極好的耐高溫和熱疲勞性能。內、外環形壁板內各襯5排“瓦片”，每排12塊），每個扇形區域都比較小，所以沖擊孔的偏離就不會太嚴重。利用UG建模確定每個扇形區域中所有沖擊孔的空間位置，即孔的中心線分別在筒體壁外壁面上X1、Y1、Z1值和筒體壁內壁面上的X2、Y2、Z2值，以便生成加工程序。

整個加工程序編制過程復雜，加工要素繁多，且加工程序為高級語言編制，分為兩個部分，第一部分是探頭程序，用于檢測沖擊孔位置度及確定零點；另一部分是打孔程序，加工單個扇形區域的沖擊孔。為了保證筒體壁上沖擊孔和瓦塊裝配定位孔的位置精度要求，需要重復找正60次才能加工出一個零件，雖然增加了加工周期，但卻保證了加工質量，提高了位置精度。

3.加工質量分析與檢查

對加工后的沖擊孔進行孔徑尺寸、位置度、加工質量的檢查，加工質量包括孔型的圓整度，重熔層厚度以及孔口邊的光滑程度（是否存有毛刺）。由于孔的加工是相對于瓦塊分區進行加工的，故孔的位置度檢查也應分區檢查。圖3、圖4所示為表1中φ1.16mm和φ1.66mm兩組電極及參數加工后的小孔金相檢查結果，由圖片觀察可得重熔層厚度較薄，表面質量也較好。

圖3 φ1.16mm小孔金相檢查結果

圖4 φ1.66mm小孔金相檢查結果

三、結語

本文主要針對浮壁式火焰筒沖擊孔加工的技術問題，提出了高速電火花小孔加工的工藝方案，開發出相應的加工程序以及運用正交試驗法優化工藝參數，并通過試驗驗證了加工程序和加工工藝的可行性。本文完成了有特色的研究工作：

（1）對浮壁式火焰筒的結構特點及工藝特性進行研究，提出高速電火花小孔加工工藝方案。

（2）研究了浮壁式火焰筒沖擊孔的分布結構和工藝要求，開發出連續完整的加工程序。

（3）運用正交試驗法對加工參數進行優化，確定加工質量最優的參數組合。

（4）通過分析檢測報告及結果顯示，再次確認了工藝路線，驗證工藝方案的可行性。