钛合金密集异形群孔电火花加工技术研究

孙 超，李 辉，张明岐，张海龙，翟士民

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

目前，钛合金密集异形群孔结构的零件广泛应用于先进飞机上，典型零件结构见图1。该类零件孔数极多（超过2000个）、排列密集（孔间壁厚仅为0.4～0.5 mm，公差±0.05 mm）、加工角度大（孔轴线方向与零件表面法线方向的角度为75～80°）、孔形为扁平菱形且尺寸小（图2），此外，孔壁表面粗糙度要求达Ra3.2 μm。由于上述结构特点，使该类零件加工困难，如果采用常规机械切削方法，会存在诸多难点：①超大加工角度和狭小孔形结构导致进刀困难，加工可达性差，甚至进刀至一定深度后无法继续加工，需结合钻预孔加工和铣削加工等方法；②钛合金导热系数低，加工时易产生局部硬化和烧伤，属于难切削材料[1-3]，其加工周期长、成本高；③易产生变形和残余应力，且难以控制；④难以实现异型棱角尺寸的加工，需后续进行人工修整，加工质量难以保证，合格率低。

图1 典型钛合金密集异形群孔零件示意图

图2 孔形貌示意图

电火花加工属于非接触式加工，在难切削材料和复杂结构加工方面具有优势，近年来取得了显著的进展[4-5]，已成为加工密集异形群孔零件的主要方法。本文针对典型钛合金密集异形群孔结构，开展了电火花加工技术研究，解决了该类零件的加工难题，对钛合金材料及异形群孔结构的推广应用也起到了很好的促进作用[6]。

1 电极设计

电火花加工异形群孔时，一般采用单电极，其工艺简单且稳定性好。但由于零件孔数多、材料去除量大，单电极加工方法存在频繁更换电极、加工效率低等问题，故采用多电极同步加工是提高加工效率的必要方法。

1.1 单排电极设计

研究初期，采用单排电极设计，每排电极数量约为10～15个（图3），电极材料为黄铜。该设计的优点在于电极制造相对容易、电极装夹和定位难度较小、易实现局部自动化编程加工；不足之处在于群孔区域为不规则图形，需设计多种具有不同电极数量的单排电极，且单排电极能同时加工的孔数有限，因此仍需频繁更换和调整电极和工装，工作量很大。采用单排电极进行工艺实验，孔间壁厚能满足精度要求，但总工时超过300 h，故加工效率仍无法满足批量生产需求。

图3 单排电极示意图

1.2 整体电极设计

为进一步提高零件加工效率，在单排电极设计的基础上进行了结构优化，设计了多排整体电极（图4），电极材料为黄铜。通过一次装夹和定位，即可同步完成全部异形孔的加工，减少了生产准备时间，总工时仅需50 h，加工效率明显提高。

图4 整体电极示意图

但在加工实践中，多排整体电极也暴露出以下问题：

（1）制造整体电极的难度和工作量很大，特别是清理电极间隙内的碎屑、校正电极一致性的工作量较大且成本较高。

（2）采用整体电极加工群孔的难度极大，难以控制加工质量，主要体现在二个方面：一是电极数量多、覆盖面积大，需采用很大的放电能量才能保证正常加工，电极损耗程度也远大于单排电极，导致电极出口处的孔间壁厚偏大，普遍为0.8～1.0 mm（理论值为0.4～0.5 mm）；二是电极排布密集、间隔小，使排屑困难，二次放电严重，导致电极入口处的孔间壁厚偏小，普遍为0.3～0.4 mm，因此，呈现出严重的锥形孔特征，难以满足加工精度要求。电极出、入口的形貌对比见图5，孔表面质量较差，孔壁表面粗糙度值在Ra6.3 μm以上，且极难改善。因此，需对整体电极结构做进一步改进。

图5 整体电极出、入口形貌对比图

1.3 局部集束电极设计

为兼顾电极制造难度、加工效率和质量等诸多方面，设计了局部集束电极（图6），电极材料为黄铜。每个局部集束电极包含260～300个子电极，通过设计若干个局部集束电极实现组合加工。此类电极的制造难度适中，电极更换次数少。同时，为了适应其结构，还设计了专用电极夹具，其作用是实现电极的精确定位和可靠固定，使电极制造和电火花成形加工的基准严格统一，实现了快速换装和灵活调整，显著减少了生产准备时间，进而提高了加工效率。

图6 局部集束电极示意图

局部集束电极设计兼具单排电极和整体电极的优势，且弥补了二者的缺陷，可预期加工效率接近整体电极，更易保证加工精度。通过多次实验得知，孔间壁厚可控制在公差范围内，加工效果与单排电极相似，能满足零件精度要求，是一种较理想的电极结构形式。

2 局部集束电极加工参数

钛合金具有良好的耐热性，但其放电加工性能不佳、加工效率低，且电极损耗程度普遍较大，难以保证较高的表面质量和加工精度。特别是在多电极同步加工时，由于其放电面积较大，为保证必要的加工效率，不得不采用较高的放电能量，而过高的放电能量导致表面质量明显变差，同时电极损耗增大、异常放电比例提高，反而降低了进给速度，加上不同位置的电极损耗程度差异也较大，最终影响了群孔加工效果的一致性。因此，要达到良好的加工效率和品质，多电极同步加工工艺参数的理想区间其实很小，设计难度很大，且目前并无现成的工艺参数作为参考，只能通过试验摸索。

试验设备选用具有大行程的精密数控多轴电火花成形机床。最初的试验方案采用单一的、具有较高放电能量的大脉冲宽度、大电流工艺参数，加工方式为电极沿Z轴方向垂直向下进给加工。试验结果显示加工效果不理想。虽然与整体电极加工相比，局部集束电极加工所包含的电极数量较少，但仍出现了与整体电极加工相似的锥形孔形貌，表面质量也较差，且沿Z轴方向进给的加工方式导致排屑极其困难，进一步加剧了异常放电现象，由于加工深度较大，即使采用较高频率的强制抬刀和冲油方式也难以缓解。

根据上述结论，对试验条件做进一步优化。在工艺参数方面，首先采用大脉冲宽度、大电流粗规准参数（表1）进行高效孔形加工，充分发挥多电极同步加工的效率优势；然后采用分段的小脉冲宽度、小电流精规准参数（表2）进行高精度修整加工，即通过电极轨迹平动和深度进给，补偿电极轴向和侧向损耗，逐步修整孔形和表面质量，以保证电极孔间壁厚的尺寸精度、孔形和表面质量的一致性。在加工方式方面，通过改变零件和电极的装夹方式，使电极沿X轴或Y轴水平进给加工，从而改善排屑效果，降低大深径比加工的异常放电风险。

表1 粗加工工艺参数

采用优化后的工艺参数进行实验，加工效果良好，结果表明：黄铜电极的电火花放电非常均匀，电极相对损耗率为5%～10%，局部集束电极的粗加工平均速度为0.05～0.08 mm/min，总加工时间约60～70 h，加工效率能满足生产需求。图7是加工所得零件，其表面质量为Ra1.6～3.2 μm，孔形美观，尺寸精度达±0.05 mm，加工质量满足设计要求，从而验证了该工艺技术能实现异形群孔的高效高精度加工。

表2 精加工工艺参数

图7 零件局部实物图

3 结束语

本文通过比较单排电极、整体电极和局部集束电极三种设计方案的加工结果，证明局部集束电极更适合钛合金密集异形群孔结构的加工。通过采用高效孔形粗加工结合高精度修整加工工艺方法，摸索出与之相适应的工艺参数，能实现钛合金密集异形群孔结构的高效高精度电火花成形加工，具有很好的加工效果和应用推广价值。

参考文献：

[1]连峰，张会臣.钛合金的电火花加工技术和最新研究进展[J].现代制造工程，2012（2）：18-23.

[2]陈文安，刘志东，王祥志，等.钛合金TC4放电加工电极损耗研究[J].电气与自动化，2012，41（4）：163-166.

[3]王怀志，刘志东，田宗军，等.钛合金TC4不同介质放电加工蚀除机理研究[J].电加工与模具，2012（1）：24-28.

[4]陈济轮.数控电火花加工技术在航空航天领域的应用与展望[J].电加工与模具，2011（增刊）：27-30.

[5]杨大勇.电火花成形加工技术的发展概况[J].电加工与模具，2010（增刊）：45-52.

[6]YAN B H，TSAI H C，HUANG F Y．The effect in EDM of a dielectric of a urea solution in water on modifying the surface of titanium[J]．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45（2）：194-200.