燃烧室内、外重叠式蜂窝环电火花磨削加工技术 - 文章

燃烧室内、外重叠式蜂窝环电火花磨削加工技术

作者：刘丹尚硕李莹

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摘要：某航空发动机燃烧室单元体组件内、外蜂窝环位置相互交错、相对空间狭小，常规电火花磨削加工旋转圆柱电极无法进入加工区，通过攻关针对零件特殊位置尺寸特点，研制出新型扇形段结构电极，并采用电极固定径向限位伺服的全新加工方式，完成零件内、外蜂窝环的电火花磨削加工，特别是外蜂窝环电火花磨削加工的完成，填补了公司电加工技术领域的一项空白。
关键词：电火花磨削；内、外蜂窝环；扇形电极；限位伺服

引言

某航空发动机燃烧室单元体组合件采用内、外蜂窝环多道密封式结构。其中内、外蜂窝环位置重叠交错，相互空间位置狭小（毛坯初始状态下仅有 3～4mm 左右）。常规电火花磨蜂窝工艺是利用旋转圆柱电极在机床工作转台配合下对蜂窝环内径进行磨削加工。而该零件受结构上的限制，旋转圆柱电极无法进入加工区，且旋采用圆柱型电极在加工外蜂窝环时，其放电区间会始终成为一条线性狭窄区域，这种状态非常不利于稳定放电加工和获得良好表面。为解决上述问题，我们必须从加工方式、电极结构、工艺参数优化等多个技术环节入手开展攻关。力争突破传统加工方式的束缚，以厂内现有电火花蜂窝磨设备为试验平台，在大量工艺试验和理论研究的基础上，研制出适用的电极结构和合理的加工方式，并最终完成正式零件的加工，使公司电加工技术水平上升到一个新的台阶。

1 零件结构分析

燃烧室单元体密封组合件属静子工作部件，在航空发动机中处于高温，高压、高载荷的工作状态，为减少高温气体的流量损失，提高发动机的工作效率，该件与对应转子部件的配合部位采用了内、外交错重叠式蜂窝密封结构，使发动机的密封性能指标得到了极大提高，图一为按零件实际蜂窝环结构部位尺寸设计的一个试验件，该件要求采用电火花磨削加工方式，对零件内蜂窝环 A、C 表面以及外蜂窝环 B表面进行电火花磨削，加工后蜂窝环直径尺寸分别控制在 Aφ454 +0.063 0.00 mm、Cφ415 +0.063 0.00 mm 、Bφ437 0.00 -0.04 mm，三层蜂窝表面的径向跳动均控制在 0.05mm 以内，且蜂窝表面不允许有明显的烧伤和划碰伤现象，粗糙度控制在 Ra3.2μm 以内。

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图一蜂窝环试验件结构图

2 技术难点分析

通过分析发现该零件的内、外蜂窝环 A、B 为交错重叠结构，毛坯充盈状态时内外蜂窝环之间的间隙只有 3-4mm 左右，目前电火花磨削加工中常用的圆柱型电极根本无法进入加工区进行旋转伺服加工，从原理上分析，采用旋转圆柱型电极加工外蜂窝环时其放电区间会始终成为一条线性狭窄区域，这种状态非常不利于稳定放电加工和获得良好表面的，因此必须有针对性的研制出适应的电极结构，并确定出全新的加工方式，才可能解决上述问题。另外该零件蜂窝环内、外径尺寸精度要求非常高，最小公差值为0.04mm、蜂窝端面跳动量仅为 0.05 mm，以上两项技术指标均超出正常加工值一倍，给放电加工时电参数的选取、转换及过程控制带来了极大困难，需经过大量的工艺试验，才可能寻找出最佳加工参数和工艺路线。

3 工艺方案和电极研制

3.1 加工设备及工艺方案

本项试验在 ZT-021B 型电火花磨床上进行，该设备具有直径 1 米的工作转台，X 轴行程 1000mm，Z轴行程 500mm，伺服进给加工 U 轴行程为 70mm，常用加工方式为将圆柱型旋转电极进入加工区，利用 X轴上复合的伺服加工 U 轴和工作转台配合完成环型工件的内径电火花磨削加工，目前工厂蜂窝环零件的电火花磨削加工都在该类机床上进行。而该零件受结构上的限制，普通圆柱型电极（直径φ80—φ100mm之间）根本无法进入狭小的加工区。若根据加工区间的大小将电极设计成φ3 mm 左右的圆棒，电极虽可勉强进入加工区，但因电极直径太小，加工时电极与工件接触面积过小，加工效率极低，若强行增加电参数极意形成大密度电流对工件产生烧伤，加工成型后表面质量也不高。

根据以往的经验我们认为可此时考虑利用固定电极径向限位伺服方式来完成加工，固定电极径向限位伺服方式是将电极做成接近工件直径的圆弧扇形段，并固定安装在机床主轴头上，加工时机床转台带动工件绕电极做连续回转运动，电极在径向做伺服加工，根据电极与工件放电接触面积的大小适时调整放电参数，直到蚀除量达到设定值电极与工件间的放电停止整个加工过程结束。这种加工方式的特点是加工过程中材料去除量比较均匀，磨削成型后蜂窝环表面质量较高、径向跳动量较小，不足之处因电极与工件是非旋转性单面接触性放电，容易造成电极损耗不平均，且电极的互换性较差，加工成本相对较高。图二为旋转电极和固定扇形段电极磨削加工蜂窝对比示意图。

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3.2 电极设计

结合零件设计图纸，总体上将电极横向设计成扇形结构形式，考虑到电极加工端尺寸较薄，为防止变形并最大限度的提高强度，将电极纵向设计成阶梯形结构（见图三、四）。

按预先制定的工艺方案先进行内圆蜂窝环磨削，此时的加工区间非常窄小仅为 3-4mm 毫米左右，因此设计电极结构时首先应考虑其能进入加工位置，其次在保证结构强度的基础上，应尽量放大加工端面的直径尺寸，以提高放电加工效率，通过计算强度、绘制 UG 模型和虚拟仿真等技术手段，选取出适合的结构尺寸，设计出内、外圆蜂窝环电火花磨削加工用电极，利用紫铜材料制造了电极，实际加工过程中电极加工表面放电平均稳定、无任何变形，证明电极结构设计合理，材料选取适当。

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4 工艺试验

经过工艺分析，我们确定先利用结构尺寸较薄的内圆磨削电极对尺寸φ454 mm 的内圆蜂窝环进行电火花磨削加工，待加工区域尺寸扩大到 5mm 后，再更换外圆磨削电极，对尺寸φ437mm 的外圆蜂窝环进行电火花磨削加工。最后利用普通圆柱电极完成尺寸φ415 mm 的内圆蜂窝环电火花磨削加工。

根据以往经验我们将本试验件的蜂窝环磨削加工分成粗、精加工两个阶段来完成，粗加工阶段利用较大的电参数去除大部分余量，但应确保不能烧伤工件，为后续加工预留量在 0.5mm 左右。精加工阶段利用较小的电参数将蜂窝环加工到规定尺寸，并保证良好的表面质量，下表为经过大量工艺试验优选的各阶段加工参数表:

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试验环加工时我们先利用固定扇形电极先对φ454mm 内圆蜂窝环进行了磨削加工，达到规定尺寸后并没有马上更换电极，而是先利用原电极的背面直线段对尺寸φ437mm 外圆蜂窝表面进行了一次进给量为0.1mm 小余量粗加工，以消除外圆蜂窝环表面的过大毛刺和一些圆度误差，然后再更换电极加工尺寸φ437 mm 外圆蜂窝环，取得了非常理想的加工效果（见图五）。

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图五完成加工的重叠凹陷式内、外蜂窝环试验件

试验过程中我们发现选择固定电极伺服加工蜂窝环时，电极与工件加工面之间始终是单面接触，随着加工时间的延长，电极损耗也会增加，周向误差可通过工件的旋转和机床系统进给补偿功能得到修正，但纵向误差只会随着加工过程的深入呈逐渐扩大的趋势最终会传递到工件表面，因此严格控制加工时间和加工参数是这项技术能否获得成功的关键，为此我们对某型航空发动机燃烧室单元体组合件重叠凹陷式内、外蜂窝环的电火花磨削加工工艺进行了完善，对蜂窝环毛坯余量和待加工表面状态进行了严格规定。在能保证蜂窝环成型精度和表面质量的前提下，尽量缩小了毛坯余量以减少加工时间。正式零件加工时电极和工件在短时间内即达到了全接触状态，机床放电状态平稳，材料去除率可达 280mm3/min，加工时间也大大缩短，电极损耗可控制在 1%内，加工后的零件经过测量，各条蜂窝环的直径尺寸均在公差范围内，在压紧状态进行了蜂窝环圆周跳动量检测，三层蜂窝环圆周跳动量都在 0.05mm 以内，目测检测蜂窝加工表面没有任何烧伤和碰伤痕迹，零件达到合格交付状态。

5 结论

5.1 通过技术研究，利用固定电极径向限位伺服加工方式，解决了某航空发动机内、外交错蜂窝环结构件厂内无法进行电火花磨削加工的技术难题。

5.2 针对某航空发动机燃烧室组件蜂窝环设计的扇形电极，结构合理、电极材料选取适当，去除率可达280mm3/min、电极损耗可控制在 1%内，且无任何变形，满足了生产加工的实际需求。

5.3 通过大量工艺试验确定的电参数选取适当，蜂窝表面质量良好，内、外蜂窝环直径尺寸和径向跳动量等指标均满足设计要求。

5.4 本项研究成果，扩展了电火花蜂窝磨削加工技术的应用范围，特别是使公司不能对外圆蜂窝环进行电火花磨削加工的历史得到改写，大幅度提升了公司的电加工技术水准和行业影响力。

附录参考文献
曹凤国主编电火花加工技术 2005 年 1 月第 1 版化学工业大学出版社。
赵万生主编：电火花加工技术 2000 年 5 月第 1 版，哈尔滨工业大学出版社。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/17/2012)


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