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1、2.2.火焰筒火焰筒零件上孔的数量很多，孔径大小不一，空间位置分布也较复杂，但孔的加工深度较浅(薄壁)。3.喷气发动机叶片喷气发动机叶片喷气发动机叶片有单联、双联和三联叶片，上有多个冷却小深孔、斜孔，直径为0.51.5mm。4.航空发动机环形件航空发动机环形件航空发动机环形件上的孔一般按圆周均匀分布，但这些环形件大多是多层的，所需加工的孔分布在窄槽的底部，并带一定斜角，因此必须设计专用的导向器。此外，有的环形件上要求加工出腰形(肾脏腰花截面形状)孔。第1页/共32页二、小深斜孔、群孔加工工艺及其机床设备由于小深孔、斜孔的数量多，因此必须采用第二章中小深孔高速电火花加工工艺。苏州电加工机床研究所
2、为此研制了商品化的多轴(68轴)数控电火花高 速加工小孔机床，如图10-2所示，图10-3为其外形照片。第2页/共32页第3页/共32页1.机床的主要性能、用途此类机床是为航空发动机制造业研制的专用设备，主要用于发动机中特殊材料丁件和空间位置复杂的深小孔加工(如火焰筒安装边、环件等零件)。除加工圆孔外，还可加工腰形孔，有一定的通用性和柔性，加工效率高，费用低。1)加工孔径范围一般为0.33mm。2)深径比可达300:1以上。3)加工速度一般可达560mm/min。4)不受材料硬度和籾性限制。5)该机可有68个坐标轴。6)控制系统采用586工控机。7)交流伺服驱动。8)加工中可自动修整电极，自动
3、找加工零位，自动伺服进给，加工到位 自动回退。9)带14in彩显，可显示坐标位置、加工状态、加工点位等信息。2.机床的主要技术规格1)工作台尺寸：850 x 850。2)工作台X、Y轴向行程：630mm x 800mm。3)主轴头拖板Z轴行程：300mm。4)工作台C轴回转角度：0360。5)主轴头W轴行程：200mm。第4页/共32页6)旋转头轴、管电极伺服进给S轴行程：300mm。7)主轴头回转盘B轴回转角度：90。8)电极旋转头R轴转速：100150r/min。9)可装夹电极管的直径：0.33mm。10)电极管导向器与工作台面最大距离：350mm。11)工作台面高度：1150mm。12)
4、最大输入功率：kW(380V、50Hz)。13)工作液箱容量：200L。14)工作液过滤方式：渗透。15)工作液最大压力：8MPa。16)工作台最大承重：500kg。、17)机床外形尺寸：1200mm x 2500mm x 2200mm。机床共有8个运动轴，即X、Y、C、Z、W、B、S、R。其中，X、Y轴为工作台水平向直线运动轴；C轴为工作台在水平面上分度、回转运动轴；Z轴为主轴头拖板上下运动轴，可根据丁作的不同高度，调整主轴头与工件之间的距离；W轴为上下直线运动轴，实现导向器与工件之间高度位置的调整，为手动调整轴；B轴为回转头摆动轴，实现主轴头、管电极加工不同角度的斜孔；S轴为管电极的直线伺
5、服进给运动轴；R轴为管电极旋转轴，实现既要夹持管电极在旋转状态下伺服进给，又要向电极管中通人高压工作液及导人脉冲电源的电压和电流。第5页/共32页此类机床已在我国的一些骨干航空发动机制造企业成功应用，如沈阳黎明航空发动机公司、西安航空发动机公司、成都航空发动机公司、贵阳新艺叶片制造厂、西罗叶片制造公司等。加工对象有火焰筒、火焰筒安装边、火焰筒环件、各种单联和多联叶片等。其中有些公司承接加工美国GE公司、英国罗罗公司等世界一流知名企业的航空发动机零件，获得了显著的经济效益和社会效益。第6页/共32页第二节 排孔、小方孔筛网的特种加工一、排孔、多孔的加工对于一般的多孔电火花加工，只要增加相应的工具
6、电极数量，把它们安装在同一个主轴上，就可以进行加工，实际上相当于增加了加工面积。与单孔相比，要获得同样的进给速度和较大的蚀除量，就得增加峰值电流，这样，孔壁的表面粗糙度就会恶化。条件许可时，最好采用多回路脉冲电源，每一独立回路供给15个工具电极，总共有34个回路。有时需用电火花加工有成千上万个小网孔的不锈钢板筛网，这时可分排加工，每排1001000个工具电极(一般用黄铜丝作电极，虽然损耗大，但刚度和加工稳定性好)，再进行分组、分割供电。加工完一排孔后，移动工作台再进行第二排孔的加工。由于工具电极丝较长，加工时离工件上表面5 10mm处应有一多孔的导向板(导向板不宜过薄或过厚，以5mm左右为宜)
7、。某飞机发动机的不锈钢散热板厚1.2mm，其上共有2106个小0.3mm的小圆孔，每个小孔之间的中心距为0.67mm。第7页/共32页今采用多电极丝电极夹头(刷状丝电极夹头)(图10-4)，每组进行排孔加工，一排孔共702个，分成6组，每组117孔(图(10-4)，每组用RC线路脉冲电源作为分割电极进行加工(共用6组RC线路脉冲电源)，加工时电极丝下部必须有导向板。第8页/共32页二、小方孔筛网的加工有时需加工方形小孔的筛网或过滤网，此时工具电极可选用方形截面的纯铜或黄铜杆，其端部用线切割切成许多小深槽，再转过90。重复切割一遍，就成为许多小的方电极，如图10-5所示。加工出一小块方孔滤网后，
8、再移动工作台，继续加工其余网孔。要保证移动距离精确，并消除丝杠螺母间隙的影响，最好在数显或数控工作台上加工。工具电极用钼丝线切割加工时，切出的缝宽比钼丝直径增大了2倍的单边放电间隙s，在用小方形工具电极加工过滤网孔时，四边也各有一个放电间隙s，加工留下的滤网肋条方形截面的宽度约等于钼丝的直径d，见图10-5中的放大图形。第9页/共32页三、电解加工小孔小于1mm大于0.2mm的小孔，也可以采用电解加工。1.小深孔束流电解加工小深孔束流电解加工是电解加工法的变种之一，是美国一家公司研究成功的。电解液束流加工专门用以加工小深孔，加工孔是用玻璃毛细管或外表涂绝缘层的无缝钛合金钢管来进行的。作为电解液
9、采用了稀释的硫酸。工作电压为2501000V。此法(图10-6)可以获得直径为0.2-0.8mm、深度可达直径50倍的小孔。这种方法与电火花、激光、电子束加工的不同之处在于，加工的表面不会产生形成细微裂纹的热变质层。第10页/共32页与叶片表面成40角的和直径小于0.8mm的冷却孔道也是用此法加工的。作为阴极，采用了内含导电心杆的玻璃弯管，见图10-6b。2.薄板上多个小孔的电解加工在沸腾干燥器的制造中，要求在宽1.6mm、长3.2mm、厚0.6mm的不锈钢板上加工直径为0.6mm的孔150万个左右，要求加工出无毛刺、翻边、倒角，公差在0.03mm、内壁滑的圆孔，可采用多个小针管内冲液电解加工
10、的方法。须解决电极、电极绝缘、水保护、加工尾段工艺等几个关键性的问题，分述如下。(1)电极 根据工艺要求选用合适的电极是电解加工中的首要问题，加工孔径D1为0.6mm，加工电极的直径D2应为D2D1-2H0.6mm-2x0.06mm0.48mm 式中H回流液单边间隙。选用不锈钢医用5号注射针头，经实测，外径在0.400.42mm间，小于计算值，刚好可外涂绝缘层。内孔直径在0.160.18mm之间，可满足要求。(2)电极绝缘 电极的绝缘保护很重要，经实验用烧结珐琅绝缘电极加工出的孔，孔径为0.580.62mm，内壁平滑，无毛刺，手摸无孔感，只是电极细弱，机械强度不高，加工中注意不要使电极受到机械
11、力。烧结珐琅是在800 900的温度下采用多次分层烧结的办法。绝缘层厚在0.02mm时要分34次烧结，且不可使烧结温度骤增骤减，以防珐琅层炸裂剥落。烧结后绝缘厚度约0.02mm，绝缘等级在500k以上，加绝缘后电极最大外径为0.45mm，而且珐玻层比较坚固，化学性能稳定，电极不受弯曲，珐琅层不易剥落。第11页/共32页(3)水保护 为控制散蚀半径和孔边倒角，经研究需加水保护腔，加工头结构如图10-7所示。在水保护下，腔底钻直径1mm的孔，电极从孔中穿出。电解液压力为39.298kPa时，溶液比重为1516Be的保护水的压力为9.8kPa。保护水是顺着电极轴向流下，使电解液在加工区内有加工所需浓
12、度和压力，而在加工区外则使电解液压力和浓度迅速降到钝化区工作范围内，这就有效地保证了孔的质量。(4)加工尾段的处理 加工通孔较不通孔有它的特殊性，即当孔巳穿透，但远小于图样要求的孔径时，电解液就已从透孔外流而无冋流液，此时加工作用已自动停止了，如再进给就会造成短路而使加工失败。为解决这一问题分别采用以下三种方法：第12页/共32页1)在加工板的背面加密封水腔，此法效果较好，但较复杂和繁琐。2)在加工板的背面垫橡皮膜，但因电极较细弱，此办法对电极安全不利。3)在加工板的背面涂以质设分数为6%的涂料绝缘膜，效果很好且很方便。涂料膜能很好地阻挡电解液外流，而电极又很容易通过。(5)基本参数 经多次实
13、验得到下面一组理想参数。电解质：NaNO3，16Be(波美浓度，英美的浓度)电解液压力54kPa，保护水压力9.8kPa；电源：脉动直流，电压15.5V，电流密度5A/mm2。孔的质量较高，内壁平滑，倒角极小，手感好，孔径为0.580.62mm，符合 0.03mm的公差。单孔加工时间为35s，一组孔加工时间为1min，加工时间和进给量很稳定。第13页/共32页第三节 薄壁、弹性、低刚度零件的特种加工一、蜂窝结构、薄壁、低刚度工件的电火花磨削航空发动机广泛使用的密封件-蜂窝结构环是典型的薄壁、低刚度工件。正六边形蜂窝的壁厚只有0.050.06mm(图10-8a)，自身刚度极差，其材质多为耐热合金
14、。采用常规机械加工(车削或磨削)时，在切削力作用下，大部分材料无法自基体切除而倒向一边，将蜂窝孔堵塞，不能满足使用要求。而电火花磨削时，电极与工件间作用力很小，不致引起低刚度工件的机械变形，而且蜂窝结构类型工件的蚀除余量很小，采用电火花磨削的加工效率还是较高的。实践证明，采用电火花磨削加工工艺，对蜂窝结构的成形效果很好，其加工效率高于机械磨削。第14页/共32页图10-8b为航空发动机压气机机匣蜂窝密封环结构示意图。压气机有三层叶片，机匣对应部位钎焊有三级蜂窝密封环(780mm、750mm、730mm)，蜂窝环单边的加工余量约25mm。(1)工具电极制备 为了提高加工速度，增加同时加工放电面积
15、，工具电极包角通常大于30，如图10-9所示。(2)工作液供给方式 为了防止火灾，不采用向放电部位喷液的供液方式，而是采用浸没式加工，放电部位浸没深度不得少于50mm，以防引起火灾。(3)粗粗加加工工 由于蜂窝密封环是由一块块蜂窝块钎焊而成，各块在径向的位置相差较多，加工余量大多为25mm(单边)。为了提高加工速度，粗加工时常采用工件不旋转的分段加工法，即根据工具电极的弧长l(或夹角)，分为2r/l(或360/)段(图10-9)，每段相邻处重合2 5mm，防止接缝处产生飞边，影响精加工的顺利进行。每段均进给至同一坐标处(例如为Xc)。由于加工蚀除的金属体积很小，所以电极的损耗可忽略不计。Xc根
16、据最终尺寸的X轴坐标Xz及精加工余量j确定，即第15页/共32页 Xc=Xz-j(4)精加工 精加工前，应先清除工具电极上的炭屑等附着物，再缓慢地使工具电极与工件表面接触，记下X轴的坐标值X1，然后在工件圆环内均匀地测56点，分别记下接触点的X1，依最小的X坐标值确定精加工的起始进给位置。各点的X坐标值通常相差0.040.06mm。这个差值主要是因工具电极的圆弧半径r与工件半径R不同而产生；其次，工具电极损耗也是差值产生的原因之一。精 加 工 余 量 的 大 小 通 常 单 侧 余 量 不 宜 大 于 0.20mm；若 要 求 不 高(如 公 差 大 于 0.10mm，Ra6.3m)为提高加工
17、效率，精加工余量为0.10mm即可。当 加 工 部 位 的 形 状 公 差 要 求 较 高(如 不 圆 度 0.030.04mm时，应 增 加 精 加 工 余 量0.050.10mm，以免超差。若工具电极圆弧半径r比R小25mm以上时，粗加工后的工件类似多棱圆，故精加工时，应放大加工余量0.100.15mm，如r与R之差小于等于510mm，则可不考虑这一因素。分段加工的段数越少，精加工的余量就越大。二、弹性、低刚度细长杆的电火花磨削航空、航天、航海等伺服阀中有一弹性、低刚度细长的反馈杆，图10-10 为某航天型号中反馈杆的外形及主要技术要求。第16页/共32页由于细长杆刚度很低，其加工精度、技
18、术要求又很高，用车削、磨削加工会引起弯曲弹性变形，采用不接触、无切削力的电火花精密磨削，可避免上述缺点。电火花磨削细长杆可在专用精密电火花磨床上进行，也可在改装的高速走丝数控线切割机床上进行。图10-11为电火花磨削细长杆的示意图。为了提高加工效率，采用宽刃块状工具电极。如为单件、小批生产，加工时可采用径向进给，即宽刃块状电极在水平面沿垂直于工件轴心线的方向进给。如为中批、大批生产，则最好采用更优越的 切向进给 法。第17页/共32页切向进给法的基本原理如图10-12所示。该图是垂直于工件轴线的剖面图。图中是以水平放置的工具电极的上表面作为主要工作表面-加工的尺寸控制表面。RS、RE分别为工件
19、加工起始和加工结束时的半径，为放电间隙，加工前应调整电极上表面与工件轴线之间的距离(简称为面轴间距)h0，令h0=RE+，即使其上表面与半径为h0的工件假想回转圆相切，工具沿着切线方向(水平方向)伺服进给，进行放电加工。图10-13为块状电极切向进给电火花磨削的立体示意图。第18页/共32页第19页/共32页值得注意的是，切向进给法加工尺寸及精度的控制方式与径向进给法截然不同，如图10-14所示。径向进给法的电极工作表面是前端面，通过控制电极前端面进给的位置或距离来控制工件的尺寸。其尺寸精度受前端面损耗 的影响，加工过程中往往需要多次中断加工，进行尺寸测量。而切向进给法的电极工作表面为上表面，
20、是使工具电极进给一个足够长的距离(图中为最简单的精度控制方式，是使工具电极的全长都通过加工区)，工件才退出加工。加工中，电极上表面是由前向后逐渐损耗，切向的伺服进给自动补偿电极的损耗。由于电极损耗的深度由前向后逐渐变小，因此工件是从无损耗或损耗很小的电极上表面退出加工，可以认为工件加工后的半径尺寸RE=h0-(见图10-13)。加工前，调整好电极的位置(保证面轴间距h0=RE+)，可以加工多个工件而加工过程中不必中断和测量。第20页/共32页第四节 微细表面、零件的电火花加工随着微型机械的发展和微细电火花技术的逐步成熟，微细电火花加工技术的应用也受到越来越广泛的重视，微细电火花加工在电火花加工
21、中所占的比重正逐年增加。一、微轴和微孔电火花加工光学系统中的光阑、喷墨打印机喷孔都需直径10-50m的小孔。加工小孔的关键是要有直径小的工具电极，即微小轴，而且要安装得与待加工孔的工件表面非常垂直。1.微小轴(工具电极)的制作实现微细孔电火花放电加工的首要条件之一是微小工具电极的在线制作和安装。与金属丝矫直、毛细管拉拔或金属块反拷等方法相比，采用精密旋转主轴头与线电极放电磨削相结合制作微小轴(工具电极)的方法，更容易得到更小尺寸的电极轴，且容易保证较高的尺寸和形状精度。上述微小轴(工具电极)的加工原理如图10-15所示。图10-15a是用块状电极电火花反拷磨削法，图10-15b、c轴的成形是通
22、过线电极丝和被加工轴间的放电加工来实现的。线电极磨削时电极丝缓慢沿走丝导块上导槽面滑移，被加工轴随主轴头旋转及作轴向进给。第21页/共32页在加工过程中，被加工轴随主轴旋转，在保证轴加工圆度的同时，避免了集中放电或短路，使放电加工连续正常进行。线电极磨削丝沿导槽面的移动，补偿了自身的放电损耗，确保被加工轴的尺寸精度。而若使主轴不旋转仅利用线电极磨削丝沿导槽面相对被加工轴的移动，亦可实现非圆截面的加工。第22页/共32页值得注意的是，采用旋转主轴头与线电极放电磨削走丝机构相结合制作微小轴(工具电极)的方法时，旋转主轴的径向圆跳动、线电极磨削丝的直径均匀度以及走丝平稳性都直接影响轴的加工精度和可能
23、达到的极限尺寸。2.高深径比微小孔的加工利用微小轴作为工具电极，轴向进给直接加工微小孔时，很难达到稳定的加工状态，因此加工效率极低。使工具电极随主轴旋转，利用微小圆轴(0.1mm)进行微小圆孔的加工，一般可顺利达到0.4mm左右的深度。但当孔深达到约0.5mm以上时，由于排屑不畅，加工状态趋于不稳定，加工效率急剧下降，甚至加工无法继续进行。加工微小孔时利用工作液循环强制排屑很难奏效，切屑只能依靠放电时产生的微爆炸力和小气泡自动带出。工具电极的旋转虽然有助于排屑和提高加工稳定性，但由于侧向放电间隙较小，使得能够加工的孔深毕竟有限。第23页/共32页为实现高深径比微小孔的高效率加工，可采取修扁工具
24、电极的方法。如图10-16所示，利用线电极放电磨削机构将电极轴两边对等削去一部分。实际单侧削去部分约为轴径的1/51/4，既不过分削弱轴的刚度和端面放电面积，又造成足够的排屑空间。用这种削边电极加工微小孔时，电极随主轴旋转，排屑效果显著改善，在加工深径比达10以上的微小孔时，能够保持稳定的加工状态和较高的进给速度。用煤油作为工作液在不锈钢材料上贯穿1mm深的微小孔所用加工时间为34min。微细电火花加工的极限能力一直是微细电火花研究工作者追求的目标之一。图10-17a、b是日本东京大学增泽隆久加工出的5m的微细孔和2.5m的微细轴，代表了当前这一领域的世界前沿水平，图10-17c为微细电火花加
25、工出的光纤连接器小孔矩阵，图10-17d为11m的长微细轴。第24页/共32页3.微细电火花加工机床为了提高机床的回转精度，早期的微细电火花加工机床采用了卧式水平主轴，用弹性压紧支撑在V形块上，用高分辨率(细分)步进电动机进给驱动，如图10-18a所示。为了进一步提高进给精度，又采用压电陶瓷微进给机构作为0.01 1m级的微进给，步进电动机作为“宏进给”(大于1m级)，如图10-18b所示。近来的微细电火花加工机床则常采用立式主轴结构，图10-19所示为X、Y、Z、C四轴数控机床。第25页/共32页第26页/共32页第27页/共32页二、窄槽(人工裂纹)、异形微细孔二维表面的电火花加工窄槽常用
26、作断裂力学中的人工裂纹源，用以研究金属材料中的微裂纹在长期交变负荷、振动时，裂纹扩展、突然断裂的过程。由于人工裂纹窄槽的宽度和深度都在微米级，因此常用电火花微细加工的方法来制造。图10-20所示为电火花加工的长250m、宽30m、深150m的微缝，作为人工微裂纹源。加工的关键是：1)先在精密电火花机床主轴上用反拷法制造薄片状的工具电极(常用RC线路脉冲电源)。2)必须在线、在位加工窄缝，以保证工具电极和工件表面垂直。3)反拷和加工时必须掌握和控制精微电火花加工时的单边(或双边)侧面放电间隙，以保证人工裂纹源的尺寸公差。第28页/共32页图10-21是电火花加工的微三角孔和四方孔。加工的关键也是在线制作三角和四方形的工具电极。图10-22是电火花加工的微细硅模具和微细铜电极。第29页/共32页三、三维立体表面和零件的电火花微细加工图10-23为电火花微细加工的1/8球面的型腔，是用多轴数控电火花铣削加工出来的。图10-24为微细电火花加工的微细零件。图10-24a为六叶微推进器，图10-24b为先用微细电火花线切割加工出微细工具电极，再用电火花穿孔成形加丁出微电动机定子和转子。图中用硬币对比微步进电动机的大小。第30页/共32页第31页/共32页感谢您的观看！第32页/共32页