閉式變截面異型通道復合特種加工技術應用研究

■ 郭坤 徐江龍 廖旺 曾雪晴 葉成思 吳建 / 中國航發南方

閉式整體流道件結構設計在新一代渦軸發動機上的應用越來越多，對于閉式異型通道，“電火花加工（EDM）+磨粒流”復合特種加工技術具有較好的應用前景。

在新一代渦軸發動機的壓氣機部件中，整體閉式徑向擴壓器零件承擔著引流、轉能的重要用途。該零件有30余處閉式變截面異型通道，長約150mm，截面比高達1∶10，通道輪廓有20多組截面數據，喉部輪廓度要求為±0.02mm，表面粗糙度要求為Ra0.6。

針對渦軸發動機壓氣機部分徑向擴壓器零件開展閉式變截面異型通道的加工，創新團隊通過引入電火花加工（EDM）自動化工具、磨粒流先進設備，開展了“EDM＋磨粒流”復合加工工藝研究，解決了閉式復雜變截面通道零件的加工質量差、效率低的難題，并建立起適用于閉式復雜變截面通道加工的提高質量和效率的方案。

閉式變截面異型通道的加工技術特點

步驟繁瑣，周期長

閉式復雜變截面通道的EDM存在電極裝夾、找正困難等問題。每加工一個通道，都需要更換電極，且夾具分度定位精度差。EDM工序的加工周期通常需要30天。

閉式變截面異型通道特征零件

消耗量大

閉式深窄腔通道散熱效果不好，采用銅電極加工時受熱影響較大。粗加工時單個電極僅能加工3個通道；精加工時，采用2個銅電極分上下部分進行，單個零件加工需要更換30根電極進行加工。

質量不穩定

由于電極找正困難，導致零件加工通道位置度不合格。電極供應商無法保證電極制造精度，加工損耗過大，局部損耗不一致，加工參數未優化且不穩定，導致零件不符合輪廓度±0.02mm的標準。

手動拋光難度大

EDM加工完后，通道中附著一層重熔層，需要手工拋修，但通道型面復雜，拐角處無法進行拋修，導致重熔層殘留。此外，通道截面復雜，截面小而深，手工拋修易導致通道輪廓超差。

復合特種加工技術總體思路

自動加工，以機換人

首先，減少人工干預，實現機床24h不間斷加工，引入零點快換系統的3R標準夾頭和基準球，電極找正時系統自動進行偏移補償。然后，引入自動機械刀庫和A軸伺服轉臺，通過國際標準化組織（ISO）的代碼進行EDM的程序編制，實現自動電極抓取和自動旋轉分度，實現24h不間斷加工。

優化電極，高效低耗

為了減少電極消耗量，創新團隊通過對不同放電間隙及不同材料電極的加工進行試驗，收集零件表面質量、加工時間、電極損耗等信息，確定電極間隙和電極壽命，從而減少電極消耗，降低電極成本[1]。

過程優化，穩質提效

為了提高零件質量穩定性及加工效率，創新團隊通過加工過程數據表，查看程序每工步加工情況，以此分析EDM的加工狀態；通過設置小電流定時加工，提高加工效率；收集定時加工后通道輪廓欠加工情況，將該值預先補償進放電間隙，同時采用變量編程方式對每一個通道自動進行電極消耗補償，保證產品質量。

EDM與磨粒流復合應用

EDM的粗糙度要求越高，需要的加工時間越長。為了縮短零件加工周期，去除通道表面重熔層，EDM將零件粗糙度加工到Ra1.3 ～1.5，再通過磨粒流將零件粗糙度加工到Ra0.6 ～0.8。磨粒流拋光可保持通道一致性，對重熔層拋光起到最優效果。

復合特種加工技術實施情況

在“EDM＋磨粒流”復合加工方案實施過程中，創新團隊通過以下方式提高了零件的加工效率和質量穩定性。

零點快換系統和伺服轉臺驅動

創新團隊采用了FROM 400和QX6五軸精密電火花成形機，通過代碼進行自動抓刀和自動分度。加工流程包括：自動調刀—自動找正電極偏移—自動加工—自動分度—自動調刀。通過進行一個往復流程，可以保證設備無人工干預地持續運作。

石墨電極取代銅電極

石墨電極導電性好，熱膨脹小，放電時幾乎不發生受熱變形。同時，石墨電極材料放電去除材料效率高，形狀保持較好，放電間隙均勻，脈沖利用率高，可以保持高效放電加工。創新團隊通過3組放電間隙（0.2mm、0.3mm、0.4mm）試驗，確定使用粗、精電極放電間隙均為0.3mm的石墨電極進行加工，加工時間從每件350h縮短到每件300h，且石墨電極形狀保持較好，精加工后的電極還可用于進行粗加工，節約了70%的電極成本。

定時加工

EDM是一個不斷腐蝕的過程，每一個粗糙度（VDI）放電條件的加工都是將上一級VDI的表面修整后再加工到相應的輪廓值[2]。由于VDI22以上的電參數去除余量能力弱，加工到相應輪廓值會耗費大量時間，所以采用定時加工方案可大大提高加工效率。創新團隊進行數據分析確定了定時加工方案和輪廓欠加工值。通過大量試驗，對定時加工小電流參數進行定時加工，確定VDI20程序段定時加工10min、VDI18程序段定時加工18min、VDI16程序段定時加工20min，并對最終輪廓進行數據分析，輪廓欠加工的數值為0.02mm。加工時間從每件300h縮短到每件280h。

間隙補償

流道輪廓度可以控制流道形狀和流量大小，對零件極其重要，而影響EDM精度和效率的主要因素是放電間隙選擇和電極損耗的確定[3]。創新團隊通過使用同一根電極采用相同放電間隙依次加工不同通道，在線測量前后通道的輪廓差值，進行數據分析得出電極的間隙補償值，再采用變量編程方式，對電極損耗進行補償。通過收集大量數據確定單個通道的粗加工電極損耗為0.01mm，單個通道的精加工電極損耗為0.015mm。最終采用變量編程方式對電極損耗和輪廓補償進行加工補償，加工質量和效率均有所提高。

“EDM＋磨粒流”復合加工

EDM表面質量在VDI22以上的情況時，加工時長會成倍增加。采用“EDM+磨粒流拋光”復合加工，不僅能提高零件的表面粗糙度，而且能在很大程度上提高加工效率，同時磨粒流拋光可以去除流道表面的重熔層，增加零件的抗疲勞性能[4]。通過大量數據的收集和分析，確立了復合方式為先將EDM粗糙度加工到Ra1.3 ～1.5，再進行磨粒流拋光，粗糙度可達到Ra0.6 ～0.8，加工時間從每件280h縮短到每件210h。閉式流道內重熔層完全去除。

實施效果

創新團隊通過復合特種加工技術在閉式變截面異型通道的實施，采用“EDM＋磨粒流拋光”，使徑向擴壓器零件生產效率提高了3倍以上，不良產品率降低80%以上，電極成本降低70%，相關技術和制造模式可以在行業內推廣應用。