線切割加工工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工中的應(yīng)用

■ 曹李君 沈仙/中國航發(fā)渦輪院

線切割加工工藝的信息化和自動(dòng)化程度相對(duì)較高，有加工變形小、精準(zhǔn)程度高等優(yōu)勢。本文通過對(duì)線切割加工工藝原理，以及線切割加工機(jī)床功能的分析，探討航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工中線切割加工工藝的應(yīng)用途徑。

線切割加工工藝作為一種相對(duì)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工方法，是20世紀(jì)80年代提出的。線切割加工不需要特定的電極，并且能針對(duì)表面相對(duì)粗糙的鈦合金、高溫合金、不銹鋼等材料進(jìn)行精細(xì)化加工，可有效提高航空機(jī)械零件的加工質(zhì)量。隨著當(dāng)前航空技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工處理中，線切割加工工藝的應(yīng)用也日益增多，可滿足鎖片、葉片、葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的加工需求，能夠有效節(jié)省成本、縮短零件加工周期。

線切割加工工藝原理

線切割加工工藝的核心是線狀電極在被加工零件中運(yùn)動(dòng)并通過脈沖放電的手段實(shí)現(xiàn)零件加工，其工藝原理簡圖如圖1所示。線切割加工工藝能有效借助脈沖電源的輔助作用，嚴(yán)格控制零件加工的尺寸和形狀，保證零件的精度[1]。脈沖電源作為線切割加工的重要組成，存在正負(fù)兩級(jí)，通過脈沖電源正負(fù)電極絲運(yùn)動(dòng)的形式，可在被加工材料上預(yù)設(shè)零件的尺寸和形狀。工作臺(tái)的控制手段形式相對(duì)較多，一般較為常用的控制手段為跟蹤控制、數(shù)字控制、靠模控制3種手段。其中數(shù)字控制是當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工中較為高效的技術(shù)手段，通過數(shù)控線切割機(jī)床，能確保線切割工藝的加工效率。

線切割加工機(jī)床的分類及特點(diǎn)

按電極運(yùn)行速度，可將線切割機(jī)床分為慢走絲機(jī)床和快走絲機(jī)床。我國當(dāng)前較為常見的線切割加工設(shè)備中，80%以上都是慢走絲機(jī)床。客觀地說，與慢走絲機(jī)床相比，快走絲機(jī)床不僅運(yùn)行速度較快，而且運(yùn)絲效率也相對(duì)較高。由于快走絲機(jī)床中的電極絲一般都是利用熔點(diǎn)更高的金屬材料制作，所以能夠有效確保快走絲機(jī)床中的電極絲運(yùn)行速度和實(shí)效性，其重復(fù)使用效率也相對(duì)較高，使用快走絲機(jī)床進(jìn)行線切割加工圓弧面如圖2所示。

此外，快走絲機(jī)床的結(jié)構(gòu)相比慢走絲更加簡單，操作便捷，能切實(shí)有效保障零件加工的精度[2]。針對(duì)快走絲機(jī)床技術(shù)發(fā)展層次來說，當(dāng)前很多快走絲機(jī)床已經(jīng)可以滿足±0.03mm范圍內(nèi)的精度需求，切割厚度能達(dá)到200mm以上。

圖1 線切割加工工藝原理簡圖

圖2 線切割加工圓弧面

從加工成本來說，快走絲機(jī)床的運(yùn)行成本以及設(shè)備成本相對(duì)較低，對(duì)零件的加工環(huán)境沒有特殊要求。但慢走絲機(jī)床也有快走絲機(jī)床無法企及之處，其加工精度可以達(dá)到微米級(jí)。慢走絲機(jī)床的電極絲一般都是黃銅制成，所以可重復(fù)使用率較低，切割工件后不能再次使用。為了確保慢走絲機(jī)床的精度，在開展慢走絲機(jī)床運(yùn)行的過程中，需要保障加工環(huán)境溫度恒定，機(jī)床還需要在內(nèi)部添加大型工作液過濾裝置。

線切割加工工藝的應(yīng)用

由于存在精密、精細(xì)、高速、高效等優(yōu)勢，線切割工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工中應(yīng)用廣泛，尤其是零部件加工的中間過程。對(duì)加工效率要求較高的零部件，有窄縫、凸臺(tái)等難加工或易干涉部位的零部件，也常用到線切割加工工藝。

葉片性能試驗(yàn)件加工

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造過程中，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，需要進(jìn)行大量的葉片和葉柵試驗(yàn)，葉型及葉片數(shù)量各不相同，葉片的制造技術(shù)要求相對(duì)較高。如果用傳統(tǒng)的加工方法加工，如鍛造、機(jī)加、拋光（一般為手工）等，工序較為復(fù)雜冗長，加上大量的專用工裝，導(dǎo)致加工周期長、加工成本高。

使用線切割加工工藝可以解決顫刀、接刀、機(jī)加殘余應(yīng)力、周期成本等問題。為了確保葉片加工質(zhì)量，避免因?yàn)榫€切割材料厚度過大而出現(xiàn)線切割加工機(jī)床故障[3]，需要結(jié)合葉片加工需求，合理地優(yōu)化傳統(tǒng)加工技術(shù)和流程。目前很多航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片高度在100mm以上，與快走絲機(jī)床的加工極限接近，因此在葉片加工過程中，容易導(dǎo)致短路現(xiàn)象發(fā)生，無法保證加工質(zhì)量和加工效率。為了避免短路，應(yīng)定期檢查快走絲機(jī)床狀態(tài)。在葉片加工的工藝試驗(yàn)中，針對(duì)不同冷卻液進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)方案，有效解決短路現(xiàn)象并保證快走絲機(jī)床的實(shí)際效率。若在快走絲機(jī)床加工過程中，出現(xiàn)了斷絲現(xiàn)象，可以通過改進(jìn)電極絲材料、優(yōu)化走絲路徑及參數(shù)等手段加以解決。

鎖片等緊固件的加工

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中很多零部件的緊固，都需要用到鎖片，而鎖片的規(guī)格、尺寸、造型、材料各異且數(shù)量較多，部分鎖片在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用量可達(dá)幾百件。如果采用傳統(tǒng)的沖壓成形工藝則周期較長，且一種鎖片對(duì)應(yīng)一種模具，成本較高。因此，此類零件使用線切割加工工藝優(yōu)勢明顯。

在開展線切割加工鎖片的過程中，設(shè)計(jì)人員須結(jié)合鎖片的實(shí)際應(yīng)用和質(zhì)量要求，科學(xué)合理地針對(duì)鎖片的結(jié)構(gòu)、尺寸、驗(yàn)收要求進(jìn)行改進(jìn)，再通過線切割加工工藝進(jìn)行小批試制，反向驗(yàn)證設(shè)計(jì)，以便最大程度地提高鎖片加工效率[4]。

相較于傳統(tǒng)的模具沖壓成型，在鎖片加工中全部使用線切割加工工藝，更能夠縮短加工周期、有效節(jié)省加工費(fèi)用且性能相當(dāng)。

其他特殊用途

在批量加工時(shí)，為了保證效率和質(zhì)量，渦輪葉片榫頭通常采用無余量精鑄工藝成形，而渦輪盤榫槽則采用拉削加工。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤的測頻夾具、配重葉片，以及用于試驗(yàn)?zāi)康牡拈绢^、榫槽加工，采用上述工藝會(huì)導(dǎo)致成本的明顯增加，此時(shí)使用線切割來加工榫頭、榫槽是比較經(jīng)濟(jì)的手段。

此外，線切割加工工藝廣泛用于零件毛坯階段甚至是粗加工階段，以及深孔、窄槽、異形凸臺(tái)等特殊結(jié)構(gòu)加工，在模具制造、工裝制造中也顯示出了高效性和經(jīng)濟(jì)性。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件試驗(yàn)中，使用線切割加工工藝取樣、去黑皮、補(bǔ)加工等，也體現(xiàn)出該工藝的便捷與高效。

結(jié)束語

線切割加工工藝作為一種相對(duì)先進(jìn)的航空零件加工技術(shù)手段，可以有效滿足當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工需求。結(jié)合不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工的需求，科學(xué)合理開展零部件試制工作，最大程度展現(xiàn)出線切割加工工藝自身的優(yōu)勢，強(qiáng)化線切割加工工藝效率與經(jīng)濟(jì)性，可確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工又快又好地進(jìn)行。