浅谈电火花加工在航空领域的应用

程基彬 李国鹏

摘 要：本篇概述了电火花加工的原理和工艺特点，然后概述了在航空领域电火花加工应用。概述四个不同方面对电火花加工技术水平。最后分蜂窝部件和窄筋板部件的加工来具体论述了电火花加工技术的应用。

关键词：电火花加工;航空制造;发动机

Abstract： this article summarizes the principle and process characteristics of EDM， and then summarizes the application of EDM in aviation. Summarize four different aspects of the technology level for EDM. Finally， the application of EDM technology is discussed in detail by the processing of Honeycomb parts and narrow plate parts.

Keywords： EDM; Aviation manufacturing; engine

电火花加工时，工具电极和工件分别接电源的两极并浸入工作液中。工具电极向工件进给。产生火花放电，瞬间集中的大量热能使表面的金属材料立刻熔化并溅入工作液中冷却成固态。此时电极之间的间隙增大，同时两电极间又绝缘恢复。

然后下一个脉冲电压到来，将在最后一次放电附近击穿放电，同上所述不断重复。在保持工具电极与工件之间放电间隙的前提下，在移除金属的同时，工具电极要保持与工件的进给，最后加工成工具电机的形状。[1]

电火花加工技术主要工艺特点：（1）可实现加工过程自动化。在加工过程中，需要自动控制系统，来控制高精度的进给运动，实现复杂轨迹的运动和加工。（2）适用于难切削材料的加工。导电材料均可加工，不受材料强硬度、脆韧性等大部分物理性能的限制，不受刀具的限制，适用于传统加工难成形的材料。（3）加工过程无切削力。加工过程中，工具电极与工件存在间隙，无大量切削力，可以减小应力。（4）适用于加工特殊及复杂形状的零件。复制工具电机的特点可以成形复杂腔体。[2]

1.航空领域应用概述

航天发动机由于使用需要，采用大多难以加工的材料例如高温合金和钛合金。己经难以实现常规加工。这时就可以采用电火花加工了。

作为航天发动机的核心部件，涡轮盘叶片的结构从开始的不带冠结构到目前的冠结构，叶片从直纹到扭曲。涡轮盘结构也在不断变化。随着对发动机性能需求的提高，涡轮盘结构上采用了带叶冠结构，不带冠涡轮盘加工依靠的电解加工技术已经不如多轴联动精密数控电火花加工。

在带叶冠涡轮盘研制初期，由于工艺技术所限，主要采用CAD软件进行手工编制程序，最后的叶片加工成形主要采用直线逼近方式。虽然把复杂的旋转轴运动转换为直线运动，降低了工艺难度，但是精度不高。为解决存在问题，提高工艺性，现在使用三维软件仿真设计和专用CAD/CAM软件。借软件开发解决了带叶冠涡轮盘加工中的轨迹搜索及程序仿真等难题。

涡轮盘带冠结构和叶片弯扭结构是未来高性能发动机涡轮盘结构的一种发展趋势。但这也对加工工艺提出了挑战。虽然电加工技术解决了带叶冠涡轮盘的加工难题，但是随着型号任务的增加，电火花加工效率低的缺点扼制了生产效率的提高。然而电火花电弧复合銑削技术的出现，为实现高效加工提供了可能，电解-电火花组合加工技术也是目前看来能够实现应用的比较可行的方法。[3]

2.航空制造加工技术

近年来，随着电火花加工技术的不断进步，加工大型薄壁结构件、大尺寸复杂整体结构件、大倾角群孔以及碳纤维复合材料的水平有了较大提升。

对于大型薄壁结构件，在涡轮轴弹性环线切割的研究过程中完成了环状型面和凸台的加工。不仅尺寸精度和表面质量高，且零件不易变形。

对于大尺寸复杂整体结构件，实现了各种形状和尺寸的空腔的电火花加工，例如压缩机壳体部件上的。型面加工精度可以达到0.03mm，同时也保证使用。

对于大倾角的致密簇孔，例如钛合金进气道防护格栅中密集的大倾角异形孔结构，能加工孔数超过1400个，孔尺寸精度达到±0.03mm，位置度小于0.1mm的零件。解决了材料去除量大，加工倾角大，数量多的难题。

对于先进碳纤维复合材料，可以实现型孔、型腔等多种结构的加工。加工表面平整、无裂纹。Ra值可达到0.6μm，型孔加工精度达±0.02mm。[2]

3.零件加工

随着航空发动机的设计要求逐渐提升，把环状蜂窝板焊接在涡轮导向器内相应的部位上，以降低油耗和密封。蜂窝体由电火花加工，类似于磨削。为了提高生产效率，可以将加工标准分成粗和精准则来选择不同的脉宽。当进行产品的批量处理时，可以通过参照电极尺寸的实际变化量来减少辅助时间，并且可以缩短加工时间。用电火花的方式加工蜂窝结构件是一种非常有效的加工方式。加工时不仅可以依靠不同脉宽的选择保证工件的精度，还具有一定的生产效率。

在涡桨发动机的一些组件上，需要加工叶片尖端以及叶片根部的密封翅片。此类零件的所处位置比较开敞，可以车削加工。然而车刀的挤压易让材料剥落，且叶片材料偏脆，因此电火花磨削加工的方法更优。一般叶冠上的齿高度差约1mm。对涡轮组件先进行粗车，为于电火花磨削留0.15mm的余量以提高效率。在加工过程中，采用内圆弧形加工方法，通过增强放电面积来提高加工的稳定性。为提高精度，根据放电间隙适当调整电极尺寸，以确保工件达到使用标准。在密封翅板加工时，同样通过选择圆弧状片电极增大放电面积，以防止材料剥落来减少电极尺寸的变化量。[4]

参考文献：

[1]魏德强，吕汝金，刘建伟主编;廖维奇，王喜社，桂慧副主编.机械工程制图训练：清华大学出版社，2016.03

[2]张志金，孙超，张明岐，崔海军，张海龙.航空制造领域精密电火花加工技术[J].航空制造技术，2015（Z2）：61-63.

[3]张昆. 电火花加工技术在航天领域的典型应用及发展需求[A]. 中国机械工程学会特种加工分会、广东工业大学.特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议论文集（摘要）[C].中国机械工程学会特种加工分会、广东工业大学：中国机械工程学会，2017：1.

[4]潘磊，翟莹莹.航空发动机零件电火花加工工艺分析[J].中国新技术新产品，2017（07）：63.