方形切縫扭簧電解線切割加工試驗研究*

唐 成，房曉龍，許崇長，曾永彬

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2.天津航空機電有限公司，天津 300308）

為獲得更大的機動性，飛行控制系統通過驅動配平舵機，帶動調整片或水平安定面使桿力動態配平補償，用以消除不平衡力矩，操縱飛機姿態，保持飛機穩定[1]。扭簧是配平舵機的關鍵零件，為配平舵機提供精確的扭矩梯度特性，使飛行員感受靈敏的操縱力感[2]。方形切縫扭簧是一種新的扭簧結構，沿圓周方向均勻分布有螺旋上升的貫穿式方形溝槽。與傳統扭簧相比，方形切縫扭簧具有結構靈巧、緊湊，便于端面安裝等優點，且已廣泛用于各類戰機、直升機配平舵機[3]。方形切縫扭簧力學特性受制造精度影響顯著。作為循環載荷作用下的高疲勞壽命和高可靠性要求零件，加工表面嚴格禁止有重鑄層、微裂紋存在[4]。上述高精度、高表面質量加工要求給常規制造技術（機械加工、激光加工、電火花線切割等）帶來諸多困難。

機械加工高彈性金屬材料易形成殘余應力、毛刺，零件熱處理后易變形[5]，嚴重影響扭簧的力學特性。激光加工利用高溫熔化氣化金屬切割出切縫[6]，切縫易熱變形，切縫表面存在重鑄層[7]；電火花線切割加工利用火花放電產生的高溫熔化氣化去除材料，扭簧切縫同樣存在熱變形和表面重鑄層等問題[8–9]。重鑄層是熔融材料在零件表面快速冷卻形成的淬火鑄造組織，內部常含有微裂紋，在交變載荷的作用下，微裂紋易擴展以致零件發生斷裂破壞，嚴重降低扭簧的疲勞壽命[10–11]。因此，激光加工和電火花線切割技術均無法直接用于無重鑄層零件的加工。方形切縫扭簧的高效精密加工已成為制約其應用和配平舵機性能提高的瓶頸。

電解線切割加工采用金屬絲作為工具陰極[12]。加工時，工件接電源正極，電極絲接電源負極，基于金屬電化學陽極溶解原理去除材料，通過線電極的多軸數控運動加工出直縫、窄槽等結構[13]。電解線切割加工繼承了電解加工的諸多優點：加工過程不受材料力學性能限制；加工表面無應力、無重鑄層、無微裂紋；工具電極無損耗，可重復使用。電解線切割加工工件時，加工間隙通常僅有數μm到數十μm，其電解產物排出困難，軸向沖液是電解線切割中最常用的促進加工產物排出的方法[14]。Qu等[15]采用用直徑為0.1mm的電極絲加工1.8mm厚的鈦合金，切縫側面間隙為150μm。Klocke等[16]將兩根電極絲絞合作為陰極工具，同時配合軸向沖液，在40mm厚的鉻鎳鐵合金上進行電解線切割，切割速率可達20mm2/min。He等[17]開展了軸向沖液電解線切割加工鈦鋁合金試驗，驗證軸向沖液電解線切割是一種有效的加工方法。從上述工藝特點看，電解線切割技術特別適合方形切縫扭簧的加工。

本文采用扭簧毛坯低速旋轉、相對電極絲低速直線進給的組合運動方式進行螺旋狀電解線切割加工，同時輔以沿電極絲軸向高速沖液帶走加工間隙內加工產物，以實現穩定加工。設計專用裝置，優化工藝參數和工藝方案，最后實現高精度扭簧樣件的加工。

電解線切割加工方形切縫扭簧原理

方形切縫扭簧切縫為螺旋上升的貫穿結構，根據電解線切割工藝特點，采用工件超低速旋轉，同時配合低速直線進給的復合運動方式進行加工，圖1為方形切縫扭簧旋轉切割示意圖，其電解液從進液口匯入沖液腔體，經過沖液腔體的緩沖作用后，從下方的噴嘴高速噴出，將匯流的電解液轉化成軸向噴射的電解液束，包裹住電極絲。為了避免機械鉆孔、電火花穿孔可能產生加工應力，同時提高加工效率，采用陣列管電極加工電解線切割加工用穿絲孔。

從運動學角度分析，方形切縫加工過程實際上是扭簧上任一點做螺旋線運動的過程，是旋轉運動和直線運動的復合運動。因此，實際加工速度則是工件旋轉速度和直線進給速度的合速度。通過控制工件轉速和進給運動平臺的速度就能夠加工出不同螺距的方形切縫。

如圖2所示，以扭簧毛坯外表面上點的線速度為工件的實際加工速度Vl（μm/s），工件外表面切縫一圈的長度為工件旋轉一圈的切割長度La（mm）。DS表示扭簧毛坯外徑（mm），P表示方形切縫的螺距（mm），那么，

若工件實際加工速度Vl為設定可知，那么加工一圈所需要的時間ta（s）為：

加工一圈，工件軸向進給距離是一個螺距，因此，可得工件直線進給速度VF（μm/s）：

工件外表面點的徑向線速度VS（μm/s）為：

由于螺距和工件外徑相差幾個數量級，因此選擇諧波減速器降低扭簧的轉速。諧波轉速器200000∶1的減速比，則伺服電機的轉速Sl（r/min）為：

所需要加工方形切縫扭簧毛坯外徑為68mm，螺距為4mm，圈數為5圈，當工件實際加工速度為10μm/s，則工件直線進給速度為0.187μm/s，伺服電機轉速為561.911r/min，當工件實際加工速度為20μm/s，則工件直線進給速度為0.374μm/s，伺服電機轉速為1123.249r/min。

方形切縫扭簧電解線切割加工系統

圖1 方形切縫扭簧旋轉切割示意圖Fig.1 Schematic of wire electrochemical machining square slotted torsional spring

方形切縫扭簧旋轉電解線切割加工系統如圖3所示，包括數控系統、加工電源、軸向沖液裝置、電解液循環系統、XYZ進給平臺、螺旋切割加工裝置及控制系統6個部分。軸向沖液裝置安裝在機床的橫梁上保持位置固定，扭簧毛坯通過連接軸套與旋轉進給平臺連接，螺旋切割加工裝置安裝在機床的XYZ進給平臺上，通過機床數控系統調整扭簧毛坯與軸向沖液裝置的相對位置。扭簧工件連接脈沖電源正極，電極絲連接負極。

軸向沖液電解線切割裝置如圖3（a）所示，包括電極絲固定裝置、沖液腔和二維微調平臺3個部分。電極絲繞過固定裝置的上下導向輪并穿過沖液腔，通過上下緊固螺母固定。電解液從進液口泵入沖液腔體，經過沖液腔體的緩沖作用后，從下方的噴嘴高速噴出，將匯流的電解液轉化成軸向噴射的電解液束。二維微調平臺可從兩個方向調整噴嘴與電極絲的相對位置，以保證從噴嘴噴出的電解液束將電極絲包裹在中心。

圖2 距離與速度的合成關系Fig.2 Composite relations of distance and velocity

螺旋切割加工裝置如圖3（b）和 （c）所示，包括連接軸套和旋轉進給平臺兩個部分。其中超低速旋轉進給平臺包括定位安裝盤、聯軸器、諧波減速器、伺服電機、進給運動平臺等。為了使得加工轉速與進給速度匹配以實現特定的螺旋運動軌跡，采用高精度的進給運動平臺實現直線運動，選用AKM13C–AKC2R–00型號的伺服電機控制工件轉速。采用諧波減速器來作為減速裝置，以實現高精度、超低轉速的旋轉運動，減速器傳動比200000∶1，從而大幅度降低伺服電機提供的轉速來滿足試驗需求。伺服電機控制器采用Kollmorgen公司的AKD–B00306–NBAN–0000控制器，通過Kollmorgen WorkBench軟件進行轉速控制和實時監控。連接軸套的作用是連接定位安裝盤與扭簧毛坯。連接軸套的內徑與扭簧毛坯的內徑一致，外徑略大于扭簧毛坯，兩端的螺紋開孔分別與定位安裝盤和扭簧毛坯相匹配。

圖3 方形切縫扭簧電解線切割加工系統Fig.3 Wire electrochemical cutting system for square slit torsion spring

方形切縫扭簧電解線切割加工試驗

1 穿絲孔管電極電解加工

在進行方形切縫扭簧軸向沖液電解線切割加工前，需要在距離扭簧毛坯端面3.5mm處沿徑向預先加工出半徑為0.5mm的穿絲孔。針對以50CrVA彈簧鋼為材料的壁厚6mm方形切縫扭簧，開展管電極電解加工穿絲孔試驗研究，原理示意圖如圖4所示。試驗采用流量為12L/h，質量分數為10%的NaNO3電解液，管電極采用外徑0.76mm、內徑0.4mm的304不銹鋼管，初始加工間隙為0.3mm，試驗探究加工電壓和進給速度對孔的入、出口直徑和孔型的影響。

圖4 多管電極電解加工原理示意圖Fig.4 Schematic of multi-tube electrochemical drilling

由圖5可知，當進給速度恒定時，電壓與孔徑正相關，即電壓值越大，孔徑越大。當電壓值恒定時，進給速度與孔徑負相關，即進給速度越大，孔徑越小。

圖5 電壓和速度對入-出口直徑的影響Fig.5 Influence of voltage and speed on hole diameter of ertrance and exit

由圖6的入–出口孔形可以看出，進給速度過快或者過慢都對孔形有不利影響，孔形整體質量均比中等進給速度時的孔形差，且進給速度對孔形的影響效果十分顯著；另外，當進給速度一定時，電壓增大可以改善孔形，但電壓過大會使孔徑增大較多，導致加工一致性較低。

圖6 電壓和速度對入-出口孔型的影響Fig.6 Influence of voltage and speed on hole type of entrance and exit

綜合考慮電壓與進給速度對于孔徑與孔形的影響，盡量選擇低速進給與低電壓配合，或者高速進給與高電壓配合，因此，選擇進給速度0.6mm/min，加工電壓14V，加工出方形切縫扭簧解線切割預穿絲孔，如圖7所示，平均孔徑為0.96mm。

2 穩定電解線切割加工電壓分析

根據姚羊洋等[18]軸向沖液電解線切割加工試驗研究，本試驗采用直徑0.5mm的鉬絲作為電解線切割用線電極，質量分數5%的NaCl和5%的NaNO3的混合溶液作為電解液，脈沖頻率1kHz，占空比60%，沖液壓力1MPa，噴嘴直徑為0.8mm。試驗采用實際進給速度為5μm/s、10μm/s、15μm/s、20μm/s，探究不同進給速度下實現穩定加工所需加工電壓的變化，圖8所示為4種進給速度下不發生短路的最低電壓，可知，最低不短路電壓會隨著進給速度的增加而增加。為保證加工正常進行，進給速度增加的同時應保證單位時間內的材料蝕除量相應增大，若不能滿足這一要求，就會使得電極絲與工件之間的加工間隙越來越小，最終導致短路。因此，需要提高加工電壓來增大單位時間內的材料蝕除量，保證工件穩定加工。若采用20μm/s的加工速度，則加工電壓至少為30V 。

3 工藝優化及樣件加工

試驗中發現，50CrVA工件在加工過程中出現表面剝落和生銹的現象，嚴重影響工件的加工質量。為了解決這個問題，針對加工工藝過程提出兩項改進措施。（1）對工件表面進行絕緣處理，采用電泳工藝，涂敷材料為環氧樹脂漆。環氧樹脂及其固化物力學性能高，具有很強的內聚力，分子結構致密；附著力強，對金屬具有優良的附著力；固化收縮率小，線脹系數也很小，所以固化后體積變化不大；具有優良的電絕緣性和優良的抗化學藥品性。（2）去除加工軌跡絕緣層。加工軌跡上的表面絕緣層會阻擋電極絲的進給，去除加工軌跡絕緣層可以避免因表面絕緣層的阻擋造成的短路，有效避免損傷電極絲和工件。另一方面，保留加工軌跡外的表面絕緣層可以很好地保護非加工區域，避免二次腐蝕，改善表面質量。方形切縫扭簧的加工工藝流程如圖9所示。

4 加工結果分析

選擇工件實際加工速度20μm/s，則工件直線進給速度為0.374μm/s，伺服電機轉速為1123.249r/min。參照上述試驗結果，以0.5mm的鉬絲作為工具電極，質量分數5%的NaCl和5%的NaNO3的混合溶液為電解液，加工電壓30V，脈沖頻率1kHz，占空比60%，沖液壓力1MPa，噴嘴直徑為0.8mm，進給速度20μm/s，加工出平均縫寬為1.006mm的方形切縫扭簧結構，在顯微鏡下觀察到切縫縫寬均勻，切縫兩側直線度較好（圖10）。方形切縫扭簧切縫共5圈，總切割長度超過1m，每圈等長度取4個測量點，共取20個測量點測量切縫寬度，如表1所示，表中最大測量值為1039μm，最小測量值為967μm，即上偏差0.039mm，下偏差0.033mm，在±0.05mm公差內。后續用于實際生產，還需建立工藝規范，解決工藝和設備穩定性問題。

圖7 穿絲孔加工實物Fig.7 Machined holes

結論

（1）提出扭簧低速旋轉+直線進給的組合運動方式進行方形切縫扭簧電解線切割加工，分析了組合運動學特性，設計了專用運動裝置，建立了方形切縫扭簧電解線切割加工試驗系統。

（2）試驗研究了進給速度和加工電壓參數對管電極電解加工穿絲孔孔徑大小與孔型的影響，選擇進給速度為0.6mm/min，加工電壓為14V的加工參數組合加工出陣列穿絲孔。

（3）采用涂覆絕緣涂層避免了50CrV材料電解加工中極易出的非加工面腐蝕現象，試驗研究了加工電壓對電解線切割加工速度的影響，采用優化的工藝參數和改進的工藝流程，成功加工出平均縫寬為1.006mm、尺寸偏差在±0.05mm內、表面質量較好的方形切縫扭簧樣件。

圖8 進給速度與加工電壓的關系Fig.8 Relationship between feed speed and machining voltage

圖9 方形切縫扭簧加工工藝流程Fig.9 Processing flow of square slit torsion spring

圖10 加工樣件及顯微鏡下的切縫Fig.10 Machining samples and microscopic slits

表1 方形切縫扭簧切縫寬度Table 1 Slit width of square slotted torsional spring