航空精密工件電火花加工微型方窗口研究

北京航科發動機控制系統科有限公司（102200) 呂紅梅 張 喆 李 歡

一、問題的提出

在航空航天領域中，細長桿類零件的應用非常廣泛，經常作為活塞桿、間隙活門等使用，它們在燃油調節器中起著十分重要的作用。但是它的高精度要求和微型窗口也給我們的加工帶來了很大困難。對于一般窗口我們采用銑床或加工中心加工，精密窗口一般采用高精度線切割機床加工，但對于微小方窗口本文主要介紹電火花機床的加工方法。

XX軸是某型號燃油調節器關鍵零組件，同時其組件也是某航空型號產品中的重要件。離心飛重伺服系統、加速三維凸輪及轉速設定三維凸輪均安裝于其上，具體結構如圖1所示。

具體工作原理:軸組件內部為典型噴嘴-擋板控制機構，定壓油經過節流器變成伺服油，伺服油通過出油窗口流入低壓腔。離心飛重感受發動機轉速，向上輸出軸向力，推動分油活門組件向上移動，以改變出油窗口開度來改變伺服腔油壓，帶動加速三維凸輪及轉速設定三維凸輪軸向移動，以給出適合發動機要求的燃油流量。微型窗口在這里起了非常大的作用。

圖1

XX軸零件結構如圖2所示，在外圓上有3個徑向窗口，窗口特別小，長度(0.7±0.1)mm，寬度 (1.6±0.12)mm，而且最關鍵的是窗口拐角處要求尖邊R0.05max。

圖2

窗口在圓周方向上均布，窗口尺寸小，用銑床和加工中心銑削的辦法刀具無法制作，線切割機床切孔無法實現在圓周上的均布，且并非是通孔，傳統的機械加工方法都達不到零件的設計需求。電火花加工的工藝特點是利用極間火花放電時產生的電腐蝕現象，靠高溫熔化和汽化金屬進行蝕除加工。一般使用較軟的純銅等電極，對任何導電的難加工材料 (硬質合金、耐熱合金、不銹鋼及淬火鋼等，用普通方法難以加工或無法加工)進行加工，以達到以柔克剛的效果。由于電火花加工是一種非接觸式加工，加工時不受工具和工件剛度限制，因而有利于實現微細的窗口加工。但加工時因尖邊放電現象，工具電極會產生損耗，R0.05mm處電極磨損最快，這會影響加工精度，導致R0.05mm超差。而且零件是氮化零件，在加工時，窗口處總有崩邊現象。尖邊倒圓過大和窗口崩邊，都嚴重影響該型號泵的調試參數。試制階段首批加工完后，試驗時參數不達標，全部報廢。如何解決高硬度微型窗口尖邊加工的問題，已經迫在眉睫。

二、問題的解決

通過對首批大量試驗得到的數據，總結歸納教訓，嘗試通過以下3個方面進行調整和改善。

1.多電極更換法加工

根據零件加工的特點和需求，我們采用了多電極更換法。多電極更換法是指根據1個型腔在粗、中、精加工中放電間隙各不相同的特點，采用幾個不同尺寸的工具電極完成1個型腔的粗、中、精加工。在加工時，首先用粗加工電極蝕除大量金屬，然后更換電極進行中、精加工 (見圖3);對于加工精度高的型腔，往往需要較多的電極來精修。

圖3

多電極更換加工法的優點是仿形精度高，尤其適用于尖角、窄縫多的型腔模加工。它的缺點是需要制造多個電極，并且對電極的重復制造精度要求很高。另外，在加工過程中，電極的依次更換需要有一定的重復定位精度。

2.電極的結構設計和材料選取

為了降低在精加工時電極的磨損，我們在粗加工時選用普通的純銅作為電極材料，精加工時選用了材料較硬的銅鎢合金材料作為電極，以減少精加工時電極尖邊處的磨損。確立了加工方法后，我們根據多電極更換法的加工特點，來設計電極的結構和尺寸，圖4所示是粗、精加工分別設計的電極尺寸。

3.加工參數的優化

圖4

工具電極與工件表面之間保持一定的放電間隙，通常是幾微米至幾十微米。如果間隙過大，極間電壓不能擊穿間介質，則不會產生電火花放電;如果間隙過小，很容易造成短路。在設計電極時，間隙大小對形狀精度也有影響，間隙越大，則復制精度越差，特別是對復雜形狀的加工表面。如電極為尖角時，而由于放電間隙的等距離，工件則為圓角。因此，為了減少加工尺寸誤差，應該采用較弱小的加工規準，縮小放電間隙，另外還必須盡可能使加工過程穩定。放電間隙在精加工時一般為0.01～0.1mm，粗加工時可達0.5mm以上。針對此類零件的特點，分粗加工和精加工，粗加工時選取放電間隙是0.05mm，精加工時選取放電間隙是0.02mm。其他加工參數可參考一下數據:

(1)脈沖寬度 (TA) 一般來說，在峰值電流一定的條件下，脈寬越大，表面粗糙度越差，但電極損耗越小，所以粗加工時選擇600μs;精加工時逐漸減小選擇200μs。

(2)脈沖間隔 (TB) 脈間增大時，電極損耗會增大，但有利于排渣。本機設有EDM自動匹配功能，一般情況下脈間由自動匹配而定，若發現積碳較重時可將自動匹配后的脈間再加大一檔。例如自動匹配后的脈沖間隔為3μs，我們選擇改為4μs。

(3)高壓電流 (BP) 高壓脈動的主要作用是形式先導擊穿，有利于加工穩定和提高加工效率。一般加工時高壓電流選為0～2A，在加工大面積或深孔時可適當加大高壓電流，以利于加工穩定和提高加工效率。加工時我們選擇高壓電流選1A。

(4)低壓電流 (AP) 在脈寬和脈間一定時，低壓電流增大，加工速度提高，電極損耗增大。低壓電流的選擇因根據電極放電面積而確定，若電流密度過大，則容易產生電弧燒傷，因此一般選擇低壓電流，使得通過電極加工表面每平方厘米面積的電流不超過6A，我們選擇4A。

(5)間隙電壓 粗加工時選取較低值，以利于提高加工效率;精加工時選取較高值，以利于排渣，一般情況下由EDM自動匹配即可。

(6)伺服敏感度 機頭上升、下降時間一般由EDM自動匹配，在積碳嚴重時，可以減少下降時間或加大上升時間來解決。

(7)編制程序 程序如下:

最后精打參數:

三、結語

經過多次調整加工參數，反復試驗，最終零件的窗口加工效果良好，能夠達到設計圖要求，并保證不會在窗口邊緣崩邊。

在電火花成形加工領域，微型加工和尖邊加工是普遍存在的加工難題。本文針對此類問題，以某一航空部件為例，對電加工的方法和電極設計加工參數等方面進行闡述，在其他特種加工行業可進行引用和推廣。