針對軌控發(fā)動機內(nèi)螺栓零件微槽結(jié)構(gòu)的加工難點，如裝夾困難、對準精度低、一致性難以保證等，通過設計專用工裝、電阻精密對準裝置和優(yōu)化電加工參數(shù)，成功解決了微槽的加工難點。成像儀試驗和熱態(tài)試驗表明，該處理方法切實可行，有效保證了軌控發(fā)動機的性能和可靠性。

1前言

在航空航天領域，許多零件都包含微小的“微槽”結(jié)構(gòu)，以精確控制流量。目前，微溝槽結(jié)構(gòu)的精密加工方法主要有切削、線切割等。但切削受到刀具尺寸、變形等因素的限制，很難加工極小的結(jié)構(gòu)。線切割具有無明顯宏觀應力的非接觸加工、微小尺寸加工、定位精度高等優(yōu)點，可實現(xiàn)高密度微小溝槽的精密加工[1]。本文將重點研究軌控發(fā)動機內(nèi)螺栓零件高密度微槽結(jié)構(gòu)的加工難點和精密加工方法。

2零件結(jié)構(gòu)和加工難點

為了精確控制流量，新研制的發(fā)動機噴油器首次采用高密度對稱微槽結(jié)構(gòu)和環(huán)縫相結(jié)合，其中內(nèi)螺栓部分出口端包含36個沿周向均勻分布的微槽結(jié)構(gòu)(共18對)，尺寸小(深0.14mm，寬0.3mm)，精度要求高，對微槽的一致性和位置要求高。微槽結(jié)構(gòu)的面積和位置直接影響噴射器的流量和均勻性，一方面決定推進劑的燃燒效率，另一方面影響發(fā)動機燃燒室壁面液膜的冷卻效率，對發(fā)動機的性能和可靠性起著重要作用，是噴射器的核心結(jié)構(gòu)。噴油器內(nèi)螺栓的結(jié)構(gòu)，是由內(nèi)螺栓和中心桿組成的“微槽結(jié)構(gòu)+環(huán)縫”組件。

經(jīng)過加工工藝分析，綜合考慮工藝實現(xiàn)、加工成本、加工效率等因素，選擇線切割方式成形。主要加工思路:專用工裝用分度頭夾緊，內(nèi)螺栓零件固定在專用工裝上找正，然后電極絲端面找正。線切割形成第一個槽后，旋轉(zhuǎn)10°，切割第二個槽，以此類推18次。

根據(jù)上述加工思路，通過分析得出微溝槽結(jié)構(gòu)的精度主要取決于專用工裝的設計、電極絲相對于內(nèi)螺栓零件的對準和定位精度、電極絲的走絲速度以及合適的電參數(shù)等工藝因素。主要困難如下。

(1)夾緊內(nèi)螺栓零件，由于法蘭為方形結(jié)構(gòu)，精確定位夾緊非常困難，需要設計專用工裝。

(2)定位對準精度由于高密度對稱微槽的寬度和深度分別為0.3mm和0.14mm，微槽的數(shù)量為36個，因此在加工過程中需要多達18次的反復翻轉(zhuǎn)。電極絲與零件基準相對位置的對準精度不夠，容易積累夾緊定位誤差。不僅單個微槽的尺寸超差，36個均勻分布的微槽的一致性也難以達到設計要求，直接影響噴油器的流量和均勻性，從而影響發(fā)動機的可靠性。因此，需要一種高精度的對準方法來保證。

(3)電參數(shù)的優(yōu)化與選擇WEDM的微加工過程復雜，加工精度和穩(wěn)定性的研究復雜。目前定量分析比較困難，對電參數(shù)的探索多以經(jīng)驗結(jié)合工藝試驗為主。微溝槽結(jié)構(gòu)體積小，對電參數(shù)組合敏感，因此有必要探索合適的電參數(shù)組合。

高密度微溝槽結(jié)構(gòu)的精密WEDM

根據(jù)以上分析，采取相應措施解決加工難點，設計出噴油器內(nèi)螺栓零件高密度微槽的加工路線。

3.1設計專用工裝

由于噴油器內(nèi)螺栓端面為方形結(jié)構(gòu)，不利于后續(xù)的夾緊定位，因此設計了專用夾具。此夾具夾緊部分與端面的垂直度有嚴格的形位公差要求，應在0.008mm以內(nèi)，夾具端面與內(nèi)螺栓的平面度也應在0.01mm以內(nèi):專用工具前端加工有凸臺，凸臺外圓與工具夾緊部分的同軸度應在0.008mm以內(nèi)，同時凸臺外圓與內(nèi)螺栓部分的內(nèi)孔應嚴格配合加工。夾緊時用凸臺定位，擰緊螺釘，保證被夾緊工具的夾緊部分與固定在工具上的內(nèi)螺栓微槽結(jié)構(gòu)的外圓同軸度。內(nèi)螺栓零件專用工裝的夾緊。

3.2電阻法準確、積極

定位找正的目的是確定電極絲與零件基準的相對位置，定位找正的精度直接決定了內(nèi)螺栓零件的加工質(zhì)量。如果找正方法選擇不當，精度不高，很難保證每個微槽的精度，加工過程需要18次重復車削，會導致均勻分布的槽均勻性差。WEDM 常用的比對方法如下。

(1)目測法采用目測法尋找正極線相對于零件參照物的位置誤差，均勻坡口的一致性難以保證。

(2)用火花法移動工作臺，使工件的基準面逐漸靠近電極絲，記錄火花瞬間工作臺的坐標，以記錄電極絲相對于零件基準面的位置。然而，當電極線靠近參考平面時產(chǎn)生的放電間隙與正常切割條件下的放電間隙不完全相同，從而導致誤差。

(3)自動對準。目前大多數(shù)線切割機都有接觸感應功能。采用自動對準的方法尋找邊緣和中心，對準精度比較高。但這種方法經(jīng)過多次邊緣對齊，最大誤差可達0.05mm，無法滿足36個微槽的尺寸精度和微槽間尺寸一致性的要求。

(4)電阻法的原理是利用電極絲與工件基準面從絕緣到短路接觸電阻突變的特性，確定電極絲相對于工件基準面的坐標位置。重復定位精度高，一般可達0.005mm，比較以上幾種對準方法的優(yōu)缺點，最終采用電阻法確定電極絲與零件基準的相對位置，從而確定加工原點。電阻法的精確對準如圖5所示。用電阻法設計精密對準裝置。萬用表的一側(cè)與電極線的導輪連接，另一側(cè)與被加工零件連接。將萬用表置于歐姆檔，手動控制箱或操作面板會使工件靠近電極絲進行測量。當工件與電極絲瞬間接觸時，萬用表的指針會歸零。是接觸開始時導線的邊緣，尋邊后需要加上導線的半徑補償。

使用手動控制箱或操作面板將電極絲移動到零件端面，以確保接觸良好。此時萬用表指針在最右邊。然后使用手動控制箱或操作面板每次移動電極絲0.002毫米。當萬用表指針擺動較大時(短路變開路)，說明電極絲瞬間脫離零件端面。此時，電極線的坐標被設置為(0，0)。經(jīng)過多次對準，最大誤差為0.004mm，可以滿足均勻分布微溝槽的對準要求。

在加工過程中，一旦每對槽被切割，就需要重新對準它們。切割時，需要觀察放電瞬間坐標零點的偏移。如果電極絲剛放電時坐標零點的偏移超過0.005毫米，需要重新校準，以避免累積誤差。

3.3 WEDM和電火花加工參數(shù)的優(yōu)化

對準參考位置后，回退0.5mm為起點，編程切割路徑，優(yōu)化切割過程中的電氣參數(shù)。影響WEDM質(zhì)量的指標有很多，包括:電參數(shù)脈寬、脈沖間隔、峰值電流、非電參數(shù)送絲速度、電極絲張力和工作液潔凈度等。結(jié)合加工經(jīng)驗，選取影響加工的重要指標因素，均勻分布試驗數(shù)據(jù)點，設置正交試驗，優(yōu)化加工參數(shù)，通過成像儀精確測量加工值與理論值的偏差。同時根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整相關工藝參數(shù)，反復試驗測量，確定加工微溝槽結(jié)構(gòu)的最佳工藝參數(shù)組合。電加工最佳參數(shù):切割次數(shù)1次，電極絲直徑0.12mm，正極性，脈沖寬度1μm，線速度6m/s，DIC-206水溶性線切割液。

3.4微溝槽測量

使用高倍成像儀放大400倍，測量結(jié)果一致，滿足設計要求。

4過程方法的應用效果

采用上述工藝方法和電阻法精密找正裝置，加工出滿足尺寸精度和表面質(zhì)量要求的微槽，尺寸精度保證在0.01mm。熱調(diào)試試驗也驗證了加工效果。

5結(jié)束語

針對軌控發(fā)動機噴油器微槽結(jié)構(gòu)的加工難點，通過設計專用夾具、電阻法精密找正裝置和優(yōu)化電加工參數(shù)，解決了內(nèi)螺栓零件高密度微槽結(jié)構(gòu)的裝夾困難和高精度要求，保證了內(nèi)螺栓零件36個微槽結(jié)構(gòu)的尺寸精度和位置精度。加工后的合格噴油器流量穩(wěn)定、均勻，達到了設計預期。熱試結(jié)果充分驗證了工藝方案的可行性和正確性，發(fā)動機性能滿足技術指標要求。該方案可推廣應用于其他高精度微小尺寸結(jié)構(gòu)的加工。