浮动壁火焰筒群孔电火花加工工艺参数优化

许 帅，于 冰

（沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁沈阳110063）

浮动壁火焰筒群孔电火花加工工艺参数优化

许 帅，于 冰

（沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁沈阳110063）

针对浮壁式火焰筒冲击孔的结构特点和工艺特性进行了研究和分析，通过正交试验法证明了难加工材料、多空间自由度、复杂结构等小孔特征加工的工艺可行性，同时也为高速电火花加工技术的广泛应用提供了技术支持。

浮动壁式火焰筒；冲击孔；电火花高速打孔

火焰筒是燃烧室的承温部件，筒体壁上开有各种功能孔，实现在其间气液两相流稳定高效的燃烧，并与冷气掺混，以满足出口温度分布需要；同时，壁面采取有效的冷却防护措施，防止烧坏。为了保证各种功能孔的使用效果，尤其是分布在筒体壁上的冲击孔的冷却效用，对冲击孔、对流孔等制造技术提出了更高的要求。

国内外普遍认为机械加工小孔的难度较高，是精密加工领域的难题。由于电火花、电解、激光、电子束、超声波及其他复合特种加工技术具有无切削力或切削力小、不受工件材料硬度及强度等机械性能影响等特点，故可解决难加工材料的小孔加工难题，满足高精尖端制品的加工需求[1]。现代航空发动机越来越多地要求在难加工材料上加工小孔，如燃烧室火焰筒上的冲击孔、涡轮叶片气膜孔、发动机喷嘴上的喷油孔、涡轮静子叶片上的各类型孔及型槽等，这些小孔都是分布在锥面及空间面上，难以进行机械加工[2]。

目前，针对燃烧室火焰筒筒体壁上呈空间角度分布的冲击孔，大多采用激光方式进行加工。激光加工能力较强、成本低、生产效率高，但由于激光的烧熔作用，孔内的表面粗糙度不均匀，易形成较厚的重熔层，实测孔径往往小于孔的实际通流直径；且激光加工后，小孔下方端口有熔瘤堆积，上方端口边缘毛刺众多，后期需进行人工打磨处理，大大增加了工作量，降低了生产效率。

为了更有效地解决激光加工后遗留的质量隐患，加工出更高质量的冲击孔，提出了电火花加工方法。本文针对某航空发动机浮动壁式火焰筒冲击孔的电火花加工技术进行了工艺试验研究，采用试验研究和理论分析相结合的方法，通过正交试验法研究了加工参数与小孔成形精度、表面粗糙度及加工效率的关系，寻找最佳加工参数，并验证了实施该技术的可行性，从而保证气膜冷却的应用效果。

1 工艺试验设计

本试验在高压（150 V）和冲液压力（6.8 MPa）保持恒定的状态下，设计了以高速电火花小孔加工电流（平均电流）、脉冲宽度、脉冲间隔、伺服进给等工艺参数为四因素，每个因素取3个水平，构成L9 （34）的正交试验表。其中，高速电火花小孔加工时间、电极损耗、孔径间隙作为输出评价指标，在此可

忽略不计。但为了得到符合设计要求的结论，输出评价指标通常会选取能够达到要求范围内的参数，如孔径间隙可等同于放电间隙。我们通常会选取能够达到孔径间隙公差范围内的参数组合，这就要求技术人员不仅要有足够的试验经验，还需进行大量的工艺试验，并在最终加工完成的试片中选择符合要求的试片进行工艺试验。

试验在多轴数控高速电火花小孔机床上进行。加工试片材料为GH3536，其尺寸为40 mm×20 mm×1.2 mm。工作液为去离子水。试验时，7种冲击孔孔径的4个加工工艺参数 （因素）都分别设置3个不同的参数条件，且均满足加工孔径尺寸的要求，这些参数条件分别作为正交试验中4个因素的3个水平，进而完成正交试验的参数设计（表1）。

表1 火焰筒冲击孔加工正交试验条件

从试验设计优化的方法考虑，且仅考查4个因素对重熔层厚度的影响效果，而不考查因素间的交互作用，因此，选取L9（34）正交试验表进行试验研究。试验方案设计和结果见表2～表8。

表2 1.1 mm孔正交试验设计方案

表3 1.2 mm孔正交试验设计方案

表4 1.3 mm孔正交试验设计方案

表5 1.4 mm孔正交试验设计方案

表6 1.5 mm孔正交试验设计方案

表7 1.6 mm孔正交试验设计方案

表8 1.8 mm孔正交试验设计方案

2 工艺试验分析

2.1 重熔层厚度T值的确定

电火花放电加工过程中会存在各种随机干扰因素，重熔层厚度的检测结果也存在着不确定性，故在试验设计上需将随机干扰因素考虑进去，这就要求在任一组参数设置状态下，重熔层厚度的检测需重复进行几次，甚至几十次。本试验将每种孔径的冲击孔参数试验列为一组，且每组试验的重熔层厚度是由20个冲击孔的检测结果的平均值所得。

2.2 T总、Ki和R值的计算

（1）T总为各组试验的重熔层厚度T值之和。

（2）Ki为每个工艺参数（因素）中第i个水平所对应的重熔层厚度T值之和。同一因素的Ki之和应等于T总，故可以此来验算Ki的计算是否有误。

每个因素的K1、K2、K3反映了该因素相应水平的加工效果。本试验的重熔层厚度T值应越小越好，故各因素的K1、K2、K3中数值最小的相应水平即为最优水平。由各因素最优水平组成的试验条件称为最优水平组合（表9）。通常，最优水平的组合不在已做过的正交试验中，但也存在个别情况的时候，如本试验的1.4 mm孔径的正交试验方案，其最优水平组合就在已做的9个试验条件之中，即条件2（表6）。

表9 7种孔径正交试验方案的最优水平情况表

（3）极差R为各因素中Ki的最大值与最小值之差。其大小反映了该因素变化时的试验指标变化范围，极差越大，说明该因素对指标的影响越大，重要程度越高。7种孔径正交试验方案的因素主次关系见表10。

表10 7种孔径正交试验方案的因素主次顺序

3 工艺实验验证

将正交试验优选出的7组最优水平组合工艺参数应用于浮壁式火焰筒冲击孔的电火花加工验证实验中。同时，针对7种孔径的冲击孔加工，在以往加工实验中再各自选取一组加工效果较好的经验参数，并与最优水平组合进行比较。最优水平组合工艺参数与经验参数的加工实验结果见表11。

表11 7种孔径加工工艺参数验证实验对比

利用上述14组参数分别在14个试片上进行对应孔径的冲击孔加工，每个试片均加工20个孔。加工完成后，检测每个冲击孔的重熔层厚度，进而得到每组冲击孔的重熔层平均厚度，并对结果进行比较分析。从表11可看出，每种孔径冲击孔的两组参数组合中，由正交试验优选出的最优水平组合工艺参数加工出的孔的重熔层厚度指标较好，是该冲击孔的理想参数组合，该结论验证了正交试验的理论结果。

此外，由1.8 mm孔径的冲击孔重熔层平均厚度可看出，该冲击孔的两组加工指标差异很小，仅相差0.01 μm，这可由标准偏差σ来判断分析。样本的标准偏差σ反映了该批试验的指标分散程度，由变值系统性误差和随机性误差决定。误差越大，σ越大；反之，σ越小。其表达式为：

式中：n为加工孔的数量；xi为加工第i个孔的重熔层厚度；x¯为加工孔的重熔层平均厚度。

根据加工结果可算出：σ13=1.536 μm，σ14=3.273 μm。σ13＜σ14，说明试验号13的参数组合优于试验号14的参数组合，同表11的结论相符，再次验证了正交试验理论结果的正确性。

4 结论

本文针对7种不同孔径的冲击孔加工参数，分别设计了7组正交试验，得到以下结论：

（1）每组冲击孔加工产生重熔层的影响因素主次顺序不同，说明电火花加工机理不具备一致性，且影响其一致性的因素较多。除本试验涉及的电参数外，还有很多非电参数，如冲液压力、电网电压、环境温度等，都是影响电火花加工一致性的因素。

（2）本试验基于L9（34）正交试验表考查了4个因素对重熔层厚度的影响效果，不考查因素间的交互作用。因此，本试验仅能证明单一因素对考查指标的影响效果，而不能作为概况性的试验结论。

（3）基于电火花加工的特性，单一因素对重熔层厚度的影响为非线性。因此，组合因素对重熔层厚度的影响意义更重大。

（4）实验结论验证了正交试验对某发动机火焰筒冲击孔电火花小孔加工工艺参数的优化具有可行性，符合工艺要求。

（5）通过正交试验和验证实验，确定了优化后的电火花小孔加工工艺参数，有效控制了电火花小孔加工产生的重熔层厚度，保证了发动机火焰筒冲击孔的加工质量，并在工程上获得应用。

[1] 杨秀娟，刘宝琪，任萍，等.航空发动机浮壁式燃烧室制造技术[J].中国科技博览，2010（35）：403-404.

[2] 杨彦涛，李自鹏，黄志伟.特种加工技术在微小孔加工中的应用 [J].黄河水利职业技术学院学报，2010，22 （1）：49-51.

Process Parameters Optimization of EDM for the Shock Holes on Floating Wall Flame Tube

Xu Shuai，Yu Bing
（Shenyang Liming Aero-engine(Group)Corporation Ltd，Shenyang 110063，China）

The structure and processing are researched and analyzed for the shock holes on floating wall flame tube.The feasibility of processing technology is proved on hole's features of difficult machining material，more space of freedom，complex structure using orthogonal test.And it provides the techinical support for wide application of high speed EDM technology.

floating wall flame tube；shock hole；high speed electrical-discharge machining

TG661

A

1009－279X（2014）03－0062-04

2014-04-10

许帅，男，1977年生，工程师。