慢走丝加工刷环内径断丝现象分析及对策
2014-08-27刘平江李鑫
刘平江+李鑫
（沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）
摘要：文章从电极丝、加工参数、切割路线等多方面分析了慢走丝加工刷环内径断丝产生的原因，针对各种断丝的原因采取相应的对策，通过多次的试验与研究，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题。
关键词：航空发动机；刷环内径；慢走丝；断丝现象
中图分类号：TG484文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0065-02刷式密封环（以下简称刷环）是一种新型的接触式密封装置，该装置安装于航空发动机涡轮的定子和转子之间，在动态径向位移下仍可保持良好的密封性，使发动机发热率减少2%～6%，动力输出增加3%～1%，提高了发动机总体性能和效率。
在刷环制造过程中，慢走丝是加工内径最为优化的加工方法，具有加工应力小、切削精度高等优点。但是，在加工过程中慢走丝机床时常发生断丝现象，有时加工1件刷环断丝达10余次，严重影响刷环的生产效率和产品质量。
本文从电极丝、加工参数、切割路线等多方面分析慢走丝加工刷环内径断丝产生原因，针对各种断丝的原因采取相应的对策，通过多次的试验与研究，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题。
1刷环结构特征
刷环是由前板、背板夹和刷丝组成，采用焊接工艺连接成一体的接触式密封装置。刷丝是由几万到几十万根细刷丝组成，与刷环中心线形成一定夹角，均匀有序且紧密地排列于前板与背板之间，构成了刷式密封的可弹性变形的密封孔，如图1所示：
图1刷环结构图
刷丝的空间排布方式给慢走丝切割刷环内径提出了很大的挑战。刷丝是由十几万根直径为φ0.08mm细刷丝组成，每根刷丝都可以近似看作圆柱体，多个圆柱体空间排布时必然存在缝隙，并且不同数量圆柱体形成的缝隙大小也不同，几何模型如图2所示：
图2刷丝分布几何模型图
2断丝原因分析
2.1断丝现象
数控电火花慢走丝机床是使用一根移动着的细金属丝（0.10～0.30mm铜丝或钼丝）作工具电极，并在工具电极与工件之间通以脉冲电流，使工件产生电腐蚀而加工成一定形状和尺寸的机床。在慢走丝加工刷环过程中，工具电极由于零件结构和放电参数等因素，经常会发生断丝现象，有时加工1件刷环断丝达10余次，严重影响刷环的生产效率和产品质量。
慢走丝切割刷环内径时断丝前的两个重要现象：（1）断丝前放电频率短时间内突然上升，从而使慢走丝的电极丝局部温度过高；（2）断丝前慢走丝丝损上升，电极丝直径变细。
2.2原因分析
一般认为慢走丝过程中断丝主要是由于加工过程中放电过于集中引起电极丝的温度过高而熔断。因而从热传导方面研究电极丝的温度分布成为研究断丝机理的主要解决途径。研究结果表明：（1）断丝前电极丝的热载荷超过其平均值；（2）冷却液对断丝有很大的影响；（3）丝径大小和脉冲宽度对丝温影响很大，加工过程中各参数（脉宽、脉间、电流、放电间隙、电压、伺服速度、电阻、丝速、丝张力、水流流速）应合理选择。
除了上述一般原因外，慢走丝切割刷环的断丝现象还有其特殊原因：（1）刷丝为非实体结构，各个刷丝之间存在不等距的间隙，所以较难控制慢走丝加工过程中的电流大小和放电时间。（2）刷丝直径为φ0.08mm，几乎没有刚性。所以在机床冷却水的冲击力和慢走丝放电排斥力的作用下，刷环的刷丝极易抖动。
上述两点刷环结构的特殊性导致慢走丝加工内径时容易产生异常电流，造成局部的短路、断路，从而造成电极丝温度突然上升和张力突然加大，最终产生断丝现象。
3导致断丝因素及采取相应对策
影响慢走丝断丝的理论因素有很多，但是通过多次的实践与摸索，最终确定主要影响因素包括：电极丝的材料及直径、张力、移动速度、切割路线。
3.1电极丝的材料及直径
电极丝材料分镀锌与非镀锌两种规格，由于镀锌电极丝具有耐高温、良好的放电特性，因而在加工过程中选用了镀锌的铜丝作为电极丝。
电极丝直径大小决定了其承载放电量的大小，进而直接影响断丝率。因此在加工过程中要根据实际的需求，选择直径大小适当、涂层表面光滑、没有氧化斑点的电极丝。从抗拉强度、经济性等多方面因素考虑得出：φ0.25mm镀锌铜丝最为适用。
3.2丝张力
在慢走丝加工刷环内径过程中，应该选择合适的张力参数，保证电极丝在极限强度下尽可能维持稳定的张力，使电极丝在放电爆炸力作用力下维持最小的滞后弯曲而不会断丝。通过多次的参数试验，选择合适电极丝的张力可以有效减小丝的振动幅度，在加工过程中使丝保持稳定。
3.3电极丝移动速度
由于慢走丝加工刷环内径过程中的电极丝直径较小（φ0.25mm），若电极丝移动过慢，电极丝上的某一点可能产生多次放电，使得这一点的蚀除量过大，在丝张力和火花放电的爆炸力作用下很易断丝。基于以上原因，在电极丝允许一点连续多次放电次数的条件下，结合刷丝层的厚度，根据放电频率调节慢走丝移动速度。
3.4电极丝切割路线
对于一般零件顺顺时针、逆时针切割都影响不大，但是由于刷环结构为非实体零件，微小的切削力都会影响零件的加工质量、电流传导、切削效率，最终导致断丝。图3为未改善前切割路线，可以看出切割方向与刷丝的倾斜角向相反，在加工过程中更容易使刷丝束“堆积”，从而导致局部电流异常、局部冷却异常，使丝的张力增大，进而更易产生断丝现象。
图3反向切割刷环内径
优化工艺后，将切割方向编排为顺向切割刷环内径，如图4所示：
图4顺向切割刷环内径
通过多次的试验对比得出：对于反向切割，顺向切割断丝率降低约20%。
4结语
本文通过对慢走丝切割刷环内径产生断丝各影响因素及原因的分析，不断优化电极丝材料及直径、张力、移动速度、切割路线等相关重要加工要素，有效地避免断丝现象发生，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题，为慢走丝加工其它零件发生断丝问题提供了有效借鉴意义。
参考文献
[1] M Mahmu，t F Aksit Advancedseals for industrial
turbineap plications[J]．Journal of Propulsionand
Power，2002，18（6）．
[2] 孙晓萍．刷式密封设计与试验研究[J]．航空发动机，
2005，（2）．
[3] 于海滨．电火花线切割机运动控制系统的设计与研究
[D]．合肥工业大学，2010．
[4] 姜永成．基于Labview的电极丝损耗在线检测系统
[J]．佳木斯大学学报，2008，（2）．
作者简介：刘平江（1980—），男，吉林白城人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工工艺。
endprint
（沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）
摘要：文章从电极丝、加工参数、切割路线等多方面分析了慢走丝加工刷环内径断丝产生的原因，针对各种断丝的原因采取相应的对策，通过多次的试验与研究，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题。
关键词：航空发动机；刷环内径；慢走丝；断丝现象
中图分类号：TG484文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0065-02刷式密封环（以下简称刷环）是一种新型的接触式密封装置，该装置安装于航空发动机涡轮的定子和转子之间，在动态径向位移下仍可保持良好的密封性，使发动机发热率减少2%～6%，动力输出增加3%～1%，提高了发动机总体性能和效率。
在刷环制造过程中，慢走丝是加工内径最为优化的加工方法，具有加工应力小、切削精度高等优点。但是，在加工过程中慢走丝机床时常发生断丝现象，有时加工1件刷环断丝达10余次，严重影响刷环的生产效率和产品质量。
本文从电极丝、加工参数、切割路线等多方面分析慢走丝加工刷环内径断丝产生原因，针对各种断丝的原因采取相应的对策，通过多次的试验与研究，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题。
1刷环结构特征
刷环是由前板、背板夹和刷丝组成，采用焊接工艺连接成一体的接触式密封装置。刷丝是由几万到几十万根细刷丝组成，与刷环中心线形成一定夹角，均匀有序且紧密地排列于前板与背板之间，构成了刷式密封的可弹性变形的密封孔，如图1所示：
图1刷环结构图
刷丝的空间排布方式给慢走丝切割刷环内径提出了很大的挑战。刷丝是由十几万根直径为φ0.08mm细刷丝组成，每根刷丝都可以近似看作圆柱体，多个圆柱体空间排布时必然存在缝隙，并且不同数量圆柱体形成的缝隙大小也不同，几何模型如图2所示：
图2刷丝分布几何模型图
2断丝原因分析
2.1断丝现象
数控电火花慢走丝机床是使用一根移动着的细金属丝（0.10～0.30mm铜丝或钼丝）作工具电极，并在工具电极与工件之间通以脉冲电流，使工件产生电腐蚀而加工成一定形状和尺寸的机床。在慢走丝加工刷环过程中，工具电极由于零件结构和放电参数等因素，经常会发生断丝现象，有时加工1件刷环断丝达10余次，严重影响刷环的生产效率和产品质量。
慢走丝切割刷环内径时断丝前的两个重要现象：（1）断丝前放电频率短时间内突然上升，从而使慢走丝的电极丝局部温度过高；（2）断丝前慢走丝丝损上升，电极丝直径变细。
2.2原因分析
一般认为慢走丝过程中断丝主要是由于加工过程中放电过于集中引起电极丝的温度过高而熔断。因而从热传导方面研究电极丝的温度分布成为研究断丝机理的主要解决途径。研究结果表明：（1）断丝前电极丝的热载荷超过其平均值；（2）冷却液对断丝有很大的影响；（3）丝径大小和脉冲宽度对丝温影响很大，加工过程中各参数（脉宽、脉间、电流、放电间隙、电压、伺服速度、电阻、丝速、丝张力、水流流速）应合理选择。
除了上述一般原因外，慢走丝切割刷环的断丝现象还有其特殊原因：（1）刷丝为非实体结构，各个刷丝之间存在不等距的间隙，所以较难控制慢走丝加工过程中的电流大小和放电时间。（2）刷丝直径为φ0.08mm，几乎没有刚性。所以在机床冷却水的冲击力和慢走丝放电排斥力的作用下，刷环的刷丝极易抖动。
上述两点刷环结构的特殊性导致慢走丝加工内径时容易产生异常电流，造成局部的短路、断路，从而造成电极丝温度突然上升和张力突然加大，最终产生断丝现象。
3导致断丝因素及采取相应对策
影响慢走丝断丝的理论因素有很多，但是通过多次的实践与摸索，最终确定主要影响因素包括：电极丝的材料及直径、张力、移动速度、切割路线。
3.1电极丝的材料及直径
电极丝材料分镀锌与非镀锌两种规格，由于镀锌电极丝具有耐高温、良好的放电特性，因而在加工过程中选用了镀锌的铜丝作为电极丝。
电极丝直径大小决定了其承载放电量的大小，进而直接影响断丝率。因此在加工过程中要根据实际的需求，选择直径大小适当、涂层表面光滑、没有氧化斑点的电极丝。从抗拉强度、经济性等多方面因素考虑得出：φ0.25mm镀锌铜丝最为适用。
3.2丝张力
在慢走丝加工刷环内径过程中，应该选择合适的张力参数，保证电极丝在极限强度下尽可能维持稳定的张力，使电极丝在放电爆炸力作用力下维持最小的滞后弯曲而不会断丝。通过多次的参数试验，选择合适电极丝的张力可以有效减小丝的振动幅度，在加工过程中使丝保持稳定。
3.3电极丝移动速度
由于慢走丝加工刷环内径过程中的电极丝直径较小（φ0.25mm），若电极丝移动过慢，电极丝上的某一点可能产生多次放电，使得这一点的蚀除量过大，在丝张力和火花放电的爆炸力作用下很易断丝。基于以上原因，在电极丝允许一点连续多次放电次数的条件下，结合刷丝层的厚度，根据放电频率调节慢走丝移动速度。
3.4电极丝切割路线
对于一般零件顺顺时针、逆时针切割都影响不大，但是由于刷环结构为非实体零件，微小的切削力都会影响零件的加工质量、电流传导、切削效率，最终导致断丝。图3为未改善前切割路线，可以看出切割方向与刷丝的倾斜角向相反，在加工过程中更容易使刷丝束“堆积”，从而导致局部电流异常、局部冷却异常，使丝的张力增大，进而更易产生断丝现象。
图3反向切割刷环内径
优化工艺后，将切割方向编排为顺向切割刷环内径，如图4所示：
图4顺向切割刷环内径
通过多次的试验对比得出：对于反向切割，顺向切割断丝率降低约20%。
4结语
本文通过对慢走丝切割刷环内径产生断丝各影响因素及原因的分析，不断优化电极丝材料及直径、张力、移动速度、切割路线等相关重要加工要素，有效地避免断丝现象发生，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题，为慢走丝加工其它零件发生断丝问题提供了有效借鉴意义。
参考文献
[1] M Mahmu，t F Aksit Advancedseals for industrial
turbineap plications[J]．Journal of Propulsionand
Power，2002，18（6）．
[2] 孙晓萍．刷式密封设计与试验研究[J]．航空发动机，
2005，（2）．
[3] 于海滨．电火花线切割机运动控制系统的设计与研究
[D]．合肥工业大学，2010．
[4] 姜永成．基于Labview的电极丝损耗在线检测系统
[J]．佳木斯大学学报，2008，（2）．
作者简介：刘平江（1980—），男，吉林白城人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工工艺。
endprint
（沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）
摘要：文章从电极丝、加工参数、切割路线等多方面分析了慢走丝加工刷环内径断丝产生的原因，针对各种断丝的原因采取相应的对策，通过多次的试验与研究，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题。
关键词：航空发动机；刷环内径；慢走丝；断丝现象
中图分类号：TG484文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0065-02刷式密封环（以下简称刷环）是一种新型的接触式密封装置，该装置安装于航空发动机涡轮的定子和转子之间，在动态径向位移下仍可保持良好的密封性，使发动机发热率减少2%～6%，动力输出增加3%～1%，提高了发动机总体性能和效率。
在刷环制造过程中，慢走丝是加工内径最为优化的加工方法，具有加工应力小、切削精度高等优点。但是，在加工过程中慢走丝机床时常发生断丝现象，有时加工1件刷环断丝达10余次，严重影响刷环的生产效率和产品质量。
本文从电极丝、加工参数、切割路线等多方面分析慢走丝加工刷环内径断丝产生原因，针对各种断丝的原因采取相应的对策，通过多次的试验与研究，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题。
1刷环结构特征
刷环是由前板、背板夹和刷丝组成，采用焊接工艺连接成一体的接触式密封装置。刷丝是由几万到几十万根细刷丝组成，与刷环中心线形成一定夹角，均匀有序且紧密地排列于前板与背板之间，构成了刷式密封的可弹性变形的密封孔，如图1所示：
图1刷环结构图
刷丝的空间排布方式给慢走丝切割刷环内径提出了很大的挑战。刷丝是由十几万根直径为φ0.08mm细刷丝组成，每根刷丝都可以近似看作圆柱体，多个圆柱体空间排布时必然存在缝隙，并且不同数量圆柱体形成的缝隙大小也不同，几何模型如图2所示：
图2刷丝分布几何模型图
2断丝原因分析
2.1断丝现象
数控电火花慢走丝机床是使用一根移动着的细金属丝（0.10～0.30mm铜丝或钼丝）作工具电极，并在工具电极与工件之间通以脉冲电流，使工件产生电腐蚀而加工成一定形状和尺寸的机床。在慢走丝加工刷环过程中，工具电极由于零件结构和放电参数等因素，经常会发生断丝现象，有时加工1件刷环断丝达10余次，严重影响刷环的生产效率和产品质量。
慢走丝切割刷环内径时断丝前的两个重要现象：（1）断丝前放电频率短时间内突然上升，从而使慢走丝的电极丝局部温度过高；（2）断丝前慢走丝丝损上升，电极丝直径变细。
2.2原因分析
一般认为慢走丝过程中断丝主要是由于加工过程中放电过于集中引起电极丝的温度过高而熔断。因而从热传导方面研究电极丝的温度分布成为研究断丝机理的主要解决途径。研究结果表明：（1）断丝前电极丝的热载荷超过其平均值；（2）冷却液对断丝有很大的影响；（3）丝径大小和脉冲宽度对丝温影响很大，加工过程中各参数（脉宽、脉间、电流、放电间隙、电压、伺服速度、电阻、丝速、丝张力、水流流速）应合理选择。
除了上述一般原因外，慢走丝切割刷环的断丝现象还有其特殊原因：（1）刷丝为非实体结构，各个刷丝之间存在不等距的间隙，所以较难控制慢走丝加工过程中的电流大小和放电时间。（2）刷丝直径为φ0.08mm，几乎没有刚性。所以在机床冷却水的冲击力和慢走丝放电排斥力的作用下，刷环的刷丝极易抖动。
上述两点刷环结构的特殊性导致慢走丝加工内径时容易产生异常电流，造成局部的短路、断路，从而造成电极丝温度突然上升和张力突然加大，最终产生断丝现象。
3导致断丝因素及采取相应对策
影响慢走丝断丝的理论因素有很多，但是通过多次的实践与摸索，最终确定主要影响因素包括：电极丝的材料及直径、张力、移动速度、切割路线。
3.1电极丝的材料及直径
电极丝材料分镀锌与非镀锌两种规格，由于镀锌电极丝具有耐高温、良好的放电特性，因而在加工过程中选用了镀锌的铜丝作为电极丝。
电极丝直径大小决定了其承载放电量的大小，进而直接影响断丝率。因此在加工过程中要根据实际的需求，选择直径大小适当、涂层表面光滑、没有氧化斑点的电极丝。从抗拉强度、经济性等多方面因素考虑得出：φ0.25mm镀锌铜丝最为适用。
3.2丝张力
在慢走丝加工刷环内径过程中，应该选择合适的张力参数，保证电极丝在极限强度下尽可能维持稳定的张力，使电极丝在放电爆炸力作用力下维持最小的滞后弯曲而不会断丝。通过多次的参数试验，选择合适电极丝的张力可以有效减小丝的振动幅度，在加工过程中使丝保持稳定。
3.3电极丝移动速度
由于慢走丝加工刷环内径过程中的电极丝直径较小（φ0.25mm），若电极丝移动过慢，电极丝上的某一点可能产生多次放电，使得这一点的蚀除量过大，在丝张力和火花放电的爆炸力作用下很易断丝。基于以上原因，在电极丝允许一点连续多次放电次数的条件下，结合刷丝层的厚度，根据放电频率调节慢走丝移动速度。
3.4电极丝切割路线
对于一般零件顺顺时针、逆时针切割都影响不大，但是由于刷环结构为非实体零件，微小的切削力都会影响零件的加工质量、电流传导、切削效率，最终导致断丝。图3为未改善前切割路线，可以看出切割方向与刷丝的倾斜角向相反，在加工过程中更容易使刷丝束“堆积”，从而导致局部电流异常、局部冷却异常，使丝的张力增大，进而更易产生断丝现象。
图3反向切割刷环内径
优化工艺后，将切割方向编排为顺向切割刷环内径，如图4所示：
图4顺向切割刷环内径
通过多次的试验对比得出：对于反向切割，顺向切割断丝率降低约20%。
4结语
本文通过对慢走丝切割刷环内径产生断丝各影响因素及原因的分析，不断优化电极丝材料及直径、张力、移动速度、切割路线等相关重要加工要素，有效地避免断丝现象发生，解决了慢走丝切割非实体细丝断丝的加工难题，为慢走丝加工其它零件发生断丝问题提供了有效借鉴意义。
参考文献
[1] M Mahmu，t F Aksit Advancedseals for industrial
turbineap plications[J]．Journal of Propulsionand
Power，2002，18（6）．
[2] 孙晓萍．刷式密封设计与试验研究[J]．航空发动机，
2005，（2）．
[3] 于海滨．电火花线切割机运动控制系统的设计与研究
[D]．合肥工业大学，2010．
[4] 姜永成．基于Labview的电极丝损耗在线检测系统
[J]．佳木斯大学学报，2008，（2）．
作者简介：刘平江（1980—），男，吉林白城人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工工艺。
endprint
