淺談電火花加工在航空領域的應用

程基彬 李國鵬

摘 要：本篇概述了電火花加工的原理和工藝特點，然后概述了在航空領域電火花加工應用。概述四個不同方面對電火花加工技術水平。最后分蜂窩部件和窄筋板部件的加工來具體論述了電火花加工技術的應用。

關鍵詞：電火花加工;航空制造;發動機

Abstract： this article summarizes the principle and process characteristics of EDM， and then summarizes the application of EDM in aviation. Summarize four different aspects of the technology level for EDM. Finally， the application of EDM technology is discussed in detail by the processing of Honeycomb parts and narrow plate parts.

Keywords： EDM; Aviation manufacturing; engine

電火花加工時，工具電極和工件分別接電源的兩極并浸入工作液中。工具電極向工件進給。產生火花放電，瞬間集中的大量熱能使表面的金屬材料立刻熔化并濺入工作液中冷卻成固態。此時電極之間的間隙增大，同時兩電極間又絕緣恢復。

然后下一個脈沖電壓到來，將在最后一次放電附近擊穿放電，同上所述不斷重復。在保持工具電極與工件之間放電間隙的前提下，在移除金屬的同時，工具電極要保持與工件的進給，最后加工成工具電機的形狀。[1]

電火花加工技術主要工藝特點：（1）可實現加工過程自動化。在加工過程中，需要自動控制系統，來控制高精度的進給運動，實現復雜軌跡的運動和加工。（2）適用于難切削材料的加工。導電材料均可加工，不受材料強硬度、脆韌性等大部分物理性能的限制，不受刀具的限制，適用于傳統加工難成形的材料。（3）加工過程無切削力。加工過程中，工具電極與工件存在間隙，無大量切削力，可以減小應力。（4）適用于加工特殊及復雜形狀的零件。復制工具電機的特點可以成形復雜腔體。[2]

1.航空領域應用概述

航天發動機由于使用需要，采用大多難以加工的材料例如高溫合金和鈦合金。己經難以實現常規加工。這時就可以采用電火花加工了。

作為航天發動機的核心部件，渦輪盤葉片的結構從開始的不帶冠結構到目前的冠結構，葉片從直紋到扭曲。渦輪盤結構也在不斷變化。隨著對發動機性能需求的提高，渦輪盤結構上采用了帶葉冠結構，不帶冠渦輪盤加工依靠的電解加工技術已經不如多軸聯動精密數控電火花加工。

在帶葉冠渦輪盤研制初期，由于工藝技術所限，主要采用CAD軟件進行手工編制程序，最后的葉片加工成形主要采用直線逼近方式。雖然把復雜的旋轉軸運動轉換為直線運動，降低了工藝難度，但是精度不高。為解決存在問題，提高工藝性，現在使用三維軟件仿真設計和專用CAD/CAM軟件。借軟件開發解決了帶葉冠渦輪盤加工中的軌跡搜索及程序仿真等難題。

渦輪盤帶冠結構和葉片彎扭結構是未來高性能發動機渦輪盤結構的一種發展趨勢。但這也對加工工藝提出了挑戰。雖然電加工技術解決了帶葉冠渦輪盤的加工難題，但是隨著型號任務的增加，電火花加工效率低的缺點扼制了生產效率的提高。然而電火花電弧復合銑削技術的出現，為實現高效加工提供了可能，電解-電火花組合加工技術也是目前看來能夠實現應用的比較可行的方法。[3]

2.航空制造加工技術

近年來，隨著電火花加工技術的不斷進步，加工大型薄壁結構件、大尺寸復雜整體結構件、大傾角群孔以及碳纖維復合材料的水平有了較大提升。

對于大型薄壁結構件，在渦輪軸彈性環線切割的研究過程中完成了環狀型面和凸臺的加工。不僅尺寸精度和表面質量高，且零件不易變形。

對于大尺寸復雜整體結構件，實現了各種形狀和尺寸的空腔的電火花加工，例如壓縮機殼體部件上的。型面加工精度可以達到0.03mm，同時也保證使用。

對于大傾角的致密簇孔，例如鈦合金進氣道防護格柵中密集的大傾角異形孔結構，能加工孔數超過1400個，孔尺寸精度達到±0.03mm，位置度小于0.1mm的零件。解決了材料去除量大，加工傾角大，數量多的難題。

對于先進碳纖維復合材料，可以實現型孔、型腔等多種結構的加工。加工表面平整、無裂紋。Ra值可達到0.6μm，型孔加工精度達±0.02mm。[2]

3.零件加工

隨著航空發動機的設計要求逐漸提升，把環狀蜂窩板焊接在渦輪導向器內相應的部位上，以降低油耗和密封。蜂窩體由電火花加工，類似于磨削。為了提高生產效率，可以將加工標準分成粗和精準則來選擇不同的脈寬。當進行產品的批量處理時，可以通過參照電極尺寸的實際變化量來減少輔助時間，并且可以縮短加工時間。用電火花的方式加工蜂窩結構件是一種非常有效的加工方式。加工時不僅可以依靠不同脈寬的選擇保證工件的精度，還具有一定的生產效率。

在渦槳發動機的一些組件上，需要加工葉片尖端以及葉片根部的密封翅片。此類零件的所處位置比較開敞，可以車削加工。然而車刀的擠壓易讓材料剝落，且葉片材料偏脆，因此電火花磨削加工的方法更優。一般葉冠上的齒高度差約1mm。對渦輪組件先進行粗車，為于電火花磨削留0.15mm的余量以提高效率。在加工過程中，采用內圓弧形加工方法，通過增強放電面積來提高加工的穩定性。為提高精度，根據放電間隙適當調整電極尺寸，以確保工件達到使用標準。在密封翅板加工時，同樣通過選擇圓弧狀片電極增大放電面積，以防止材料剝落來減少電極尺寸的變化量。[4]

參考文獻：

[1]魏德強，呂汝金，劉建偉主編;廖維奇，王喜社，桂慧副主編.機械工程制圖訓練：清華大學出版社，2016.03

[2]張志金，孫超，張明岐，崔海軍，張海龍.航空制造領域精密電火花加工技術[J].航空制造技術，2015（Z2）：61-63.

[3]張昆. 電火花加工技術在航天領域的典型應用及發展需求[A]. 中國機械工程學會特種加工分會、廣東工業大學.特種加工技術智能化與精密化——第17屆全國特種加工學術會議論文集（摘要）[C].中國機械工程學會特種加工分會、廣東工業大學：中國機械工程學會，2017：1.

[4]潘磊，翟瑩瑩.航空發動機零件電火花加工工藝分析[J].中國新技術新產品，2017（07）：63.