電加工技術在航天零件加工中的應用
2015-3-10 來源：數控機床市場網 作者：北京控制工程研究所 馮豪
在航天產品零件加工中有許多難加工材料，如鈦合金、高溫耐熱材料、不銹鋼和硬質合金等，這些材料用傳統的金屬切削機床加工，不僅效率低而且刀具費用昂貴，加工成本極高，有的材料甚至根本無法加工。還有許多零件形狀復雜，如窄縫、窄槽、空間位置復雜刀具無法完成的加工部位，以及微小孔等采用傳統的機械加工方法無能為力。以上這些成為航天零件加工中的“瓶頸”。
電加工技術不僅實現了硬、脆、韌、粘等難加工材料的加工，而且實現了高效低成本的加工。
目前， 我所的電加工技術主要應用在過濾器中液濾片、殼體、分流板，閥體中導向簧片、彈簧，微小孔以及異形孔零件的加工。電加工技術隨著現代制造業的發展，加工精度和效率不斷提高，航天產品中許多高精度、結構復雜的零件采用傳統的金屬切削加工效率低、合格率低，很難適應航天任務的需求，但是，如果通過改進加工工藝流程，采用電加工技術很多問題就迎刃而解了。下面就通過幾個典型案例來探討電加工技術在提高零件精度、表面質量以及加工效率等方面的優點。
1. 案例一：采用線切割技術解決細長孔加工難題
如圖1所示的零件，材料為：
1Cr18Ni9Ti，外徑10.5 mm，內孔直徑newmaker.com，總長23.5 mm。根據設計要求，內孔直徑newmaker.com尺寸公差必須滿足圖樣要求。因此內孔直徑newmaker.com成為該零件加工的難點。
難點一：材料為難加工材料。
1Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，韌性大、熱強度高、導熱系數低、加工過程中硬化嚴重和散熱困難等諸多因素，導致刀尖處切削溫度高、極易產生積屑瘤，既加劇了刀具的磨損，又影響了零件表面粗糙度。
難點二：孔小、尺寸精度高。
內孔直徑newmaker.com直接采用鉆削方式根本無法達到圖樣尺寸精度要求，采用車削鏜孔方式，由于孔的深徑比大于5，鏜刀直徑必須小于4mm，強度低且刀尖磨損嚴重，同樣無法確保尺寸精度和表面粗糙度。該孔一直采用車削加工，先用φ 3.8 mm的鉆頭鉆孔，然后用鉸刀鉸孔，每次鉸孔前均需要用新鉸刀試鉸，再手工磨制鉸刀摸索切削參數。如此加工效率極低，每件加工耗時2 h左右，而且內孔加工容易出現錐度，合格率僅為30%左右，長期以來只能通過多投產來保數量。
為了確保零件加工滿足圖樣設計要求，經過多次試驗，將零件按照圖樣要求車外圓φ 10.5 mm和長度23.5 mm到尺寸，并確保尺寸一致性在0.02 mm內，內孔用φ2 mm鉆頭打通作為線切割的穿絲孔。然后，用夾具夾外圓找正，采用慢走絲線切割加工內孔。試驗結果表明，采用慢走絲線切割的方法很好地保證了零件的加工尺寸精度以及尺寸的一致性。經過計量內孔直徑為4.009 mm，內孔表面粗糙度值為0.825 mm，內孔直徑一致性能控制在0.002 mm內。線切割時間為每件30 min，加工周期能縮短50%，合格率卻能達到98%以上。因此，采用慢走絲加工既能保證內孔直徑尺寸公差滿足圖樣要求，提高零件加工合格率，又能提高零件加工效率。
2. 案例二：電火花成形解決零件走線槽毛刺問題
如圖2所示零件是由兩種不同材料焊接而成，其中中間兩段有1.5 mm×3 mm和1.5 mm×3.5 mm的走線槽，φ 1.5 mm通孔走線孔，走線孔和走線槽的加工只能在分段單件粗加工之后進行，由于零件精車過程中毛刺翻到走線槽和孔內，長期以來走線槽和孔毛刺的去除都是由鉗工手工用什錦銼刀倒角完成，由于中間兩段之間的距離只有5 mm（見圖2），施展銼刀空間狹小，導致在修銼去毛刺過程中把零件劃傷（見圖3、圖4）。
以看出手工修銼走線槽和孔存在以下幾方面的缺點：①修銼過程中零件表面質量不易控制，很容易造成零件表面劃傷。②手工修銼去毛刺效率低下。③手工修銼走線槽倒角一致性不能保證。④手工去毛刺后容易引起二次毛刺。
針對零件的結構特點以及加工特點，提出采用電火花成形的加工方法去除零件1.5 mm×3 mm和1.5 mm×3.5 mm走線槽以及φ 1.5 mm走線孔邊沿的毛刺。根據圖5設計加工如圖6所示成形電極。
通過工藝試驗表明：針對零件1.5 mm×3 mm和1.5 mm×3.5 mm的走線槽以及φ 1.5 mm走線孔邊沿的毛刺，采用電火花成形的加工方法進行加工去除具有如下幾方面的優點：①零件去毛刺過程可控，且不會造成零件表面劃傷。②大大減輕了勞動強度。③操作過程可控、省時高效，加工效率能提高50%以上。④能保證倒角加工的一致性，適合零件的批量化生產。采用電火花成形加工效果良好，其加工后效果如圖7、圖8所示。
如圖9所示零件是太陽敏感器中承載光學頭部的高精度重要零件， 2個梯形型通孔中間有一個50 mm×41 mm的矩形窗口。通過數銑其他所有形面均能達到設計圖樣要求，唯獨中間50 mm×41 mm的矩形窗口只用T型刀能加工成如圖10所示的形狀。
按照工藝流程要求單獨有一道工序在普通銑床上用特制的T型刀加工矩形窗口上下“殘留”的尖角。如果采用普銑的加工方法，直接用T型刀仍無法加工，必須將特制的T型刀的刀柄先從梯形腔內穿過底部的接插件窗口（見圖11），再將刀柄裝到機床的主軸上。在加工的時候還必須確保T型刀的側刃不能碰到側面，加工1件就需要換裝刀具至少2次。因此，加工效率不僅低，而且還很難保證圖樣尺寸要求。
為了滿足設計圖樣要求，決定采用電火花成形技術加工矩形窗口， 設計如圖1 2 所示尺寸為：材料為紫銅的電火花成形電極。
通過試驗表明，改用電火花成形加工方法完全可行且具有如下幾方面優點：①找正方便、加工效率高。只需找正首件，基本不用重復找正，適于小批量生產。②加工成本低。采用的紫銅電極成本比合金刀具成本相比廉價，電極損耗小可重復使用。③尺寸一致性有保證，能提高零件合格率。減少零件加工對操作者技能水平的依賴，找正工件，只要參數設置合理，正確操作就能確保零件合格。
4. 結語
通過上述典型案例分析表明，隨著電加工技術的快速發展，許多采用傳統金屬切削加工很難解決的問題，采用現代電加工技術能“迎刃而解”。實踐說明電加工不但能提高零件的加工合格率、表面質量，而且還能提高加工效率，降低成本。因此，要不斷創新、開拓思路，利用電加工技術優勢結合先進的金屬切削技術來制定高效、優質的加工方案，提高零件的加工精度和合格率，才能確保航天產品的高可靠性。
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