氣膜冷卻孔電火花加工參數(shù)優(yōu)化及重熔層厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)
2016-12-27 來(lái)源：清華大學(xué)機(jī)械工程系 作者：李朝將，趙雷，李勇，佟浩，王志強(qiáng)，孔全存
摘要：氣膜冷卻孔加工表面粗糙度、重熔層厚度直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命。兼顧葉片氣膜冷卻孔加工效率和重熔層厚度， 研制了加工參數(shù)在線可調(diào)的窄脈寬高峰值電流脈沖電源系統(tǒng)，進(jìn)行了氣膜冷卻孔電火花加工參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，尋找重熔層厚度和加工效率的顯著影響因素。在此基礎(chǔ)上，采用灰關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，利用優(yōu)化后的加工參數(shù)，得到了較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：電火花加工；氣膜冷卻孔；重熔層厚度
新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用氣膜冷卻技術(shù)，其兼有隔熱和散熱的雙重作用[1]，通過(guò)氣膜冷卻孔內(nèi)對(duì)流從葉片表面去除熱量，從而提高葉片材料的耐高溫性能。氣膜冷卻孔的加工表面粗糙度、重熔層和微裂紋直接影響渦輪葉片的工作壽命。
目前， 高溫合金葉片氣膜孔的加工主要有激光、電火花、電解等特種加工工藝[2-5]。大脈寬激光加工效率高、成本低，材料適用范圍廣[2-3]，但加工的孔深受到限制，孔內(nèi)表面粗糙度不均勻且形成較厚的重熔層，旋切法激光加工的重熔層厚一般在50 μm左右[4]；超短脈沖激光（如皮秒、飛秒激光）加工氣膜冷卻孔，重熔層一般小于5 μm[4]，但由于超短脈沖激光器功率的限制，工件的加工深度受限且出入口有明顯錐度。電火花加工氣膜冷卻孔是在旋轉(zhuǎn)的中空管狀電極中施加高壓工作液沖走加工屑，提高加工效率，孔壁表面粗糙度較均勻，但也存在一定厚度的重熔層，其厚度約為激光加工重熔層厚度的一半，可控制在20 μm 以下[3-4]。電解加工可實(shí)現(xiàn)無(wú)重熔層和微裂紋，無(wú)熱影響區(qū)且表面精度高[5]，但氣膜冷卻孔的加工速度較低， 一般在1.8～2.5 mm/min[4]。以上可選擇的加工方法中，電火花加工氣膜孔不僅效率較高，且與激光加工相比，重熔層厚度較薄。兼顧葉片氣膜冷卻孔加工效率和加工表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家廣泛采用高溫合金葉片氣膜冷卻孔電火花加工工藝[4-7]。
為了滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔的加工速度和重熔層厚度的要求，本文進(jìn)行了葉片氣膜冷卻孔的電火花加工工藝參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。針對(duì)鎳基高溫合金的高熔點(diǎn)特性，研制了窄脈寬高峰值電流的脈沖電源； 針對(duì)重熔層厚度分布不均的特點(diǎn)，提出了網(wǎng)格劃分的測(cè)量方法； 進(jìn)行了電壓、電流、脈寬、脈間、沖液壓力五因素的擬水平正交試驗(yàn)研究，尋找電火花加工鎳基合金材料的最優(yōu)參數(shù)。
1. 高效脈沖電源的模塊化設(shè)計(jì)
脈沖電源提供的放電脈沖類型和放電能量影響工件的加工效率和重熔層厚度。鎳基合金的熔點(diǎn)高，需較大的單脈沖放電能量。葉片氣膜冷卻孔的直徑和厚度不同，需在線進(jìn)行電參數(shù)的調(diào)節(jié)。為了提高加工效率和減少重熔層厚度，研制了脈沖電源參數(shù)在線可調(diào)的窄脈寬高峰值電流的高能量密度脈沖電源，并采取模塊化設(shè)計(jì)方案，以利于后期的維護(hù)和調(diào)試。
脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。脈沖電源系統(tǒng)主要由信號(hào)控制模塊、功率放大模塊、功率管保護(hù)回路、放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。上位機(jī)根據(jù)加工命令， 通過(guò)串口232 給主信號(hào)控制模塊的單片機(jī)（MCU）發(fā)送加工電參數(shù)（脈寬、脈間、電流、電壓）；信號(hào)控制模塊的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片（FPGA）將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)和I/O 信號(hào)輸出。由于信號(hào)控制模塊輸出信號(hào)較弱， 進(jìn)行光耦隔離電路設(shè)計(jì)，可防止后面強(qiáng)電信號(hào)的干擾。功率放大模塊根據(jù)信號(hào)控制模塊的脈沖信號(hào)控制功率管的開(kāi)啟和關(guān)斷。功率管的保護(hù)回路吸收功率管開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓，保障功率管的穩(wěn)定運(yùn)行。放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)加工間隙的電壓信號(hào)和電流信號(hào)， 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同頻率的脈沖傳輸給PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡，作為Z 軸伺服進(jìn)給的依據(jù)。為了加工過(guò)程的開(kāi)路電壓可調(diào)，通過(guò)PMAC 卡的控制調(diào)節(jié)直流電壓。脈沖電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，通過(guò)選擇電阻來(lái)控制不同的峰值電流，設(shè)計(jì)中盡量減少回路的寄生電感和電阻，使放電間隙峰值電流的上升沿較陡，提高放電過(guò)程中的氣化蝕除比例。
將研制完成的信號(hào)控制模塊、功率放大模塊、放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)和繼電器驅(qū)動(dòng)模塊裝配到整個(gè)控制柜，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。整機(jī)調(diào)試完的脈沖電源主要參數(shù)見(jiàn)表1， 脈沖電源的最大峰值電流可達(dá)40 A，脈寬、脈間的寬度分辨率為0.2 μs，空載電壓設(shè)計(jì)為60、90、120、150、200 V 5 檔， 有利于不同厚度和不同孔徑氣膜冷卻孔的電火花加工。
表1 脈沖電源的主要性能指標(biāo)
2. 重熔層的顯示及標(biāo)定
2.1 重熔層的顯示
由于重熔層是快速冷凝時(shí)生成與基體明顯不同的金相組織，因此可通過(guò)金相組織來(lái)區(qū)分基體和重熔層。利用物理或化學(xué)的方法對(duì)拋光磨面進(jìn)行處理，使試樣各組織之間呈現(xiàn)出良好的襯度，組織的組成相對(duì)光線都有較強(qiáng)的反射能力。由于基體和重熔層的組成相及其邊界具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。利用這些差異，在光學(xué)顯微鏡中轉(zhuǎn)換為不同的反射光強(qiáng)度或色彩，可以區(qū)別出基體和重熔層。金相組織觀測(cè)方法是先將已加工工件進(jìn)行鑲嵌，然后將工件的待觀察表面進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光，使磨面達(dá)到光滑鏡面，接著將磨面化學(xué)浸蝕以顯示其顯微組織，最后在光學(xué)顯微鏡下觀察磨面的顯微組織。觀察重熔層各步驟中采用的設(shè)備及參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 重熔層觀察步驟、設(shè)備及參數(shù)
利用光學(xué)顯微鏡觀察到的重熔層見(jiàn)圖3。在光學(xué)顯微鏡下呈亮白色，顏色與基體（灰白色）、鑲嵌料（黑色）有顯著不同。因此可利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行孔壁單點(diǎn)重熔層厚度的測(cè)量。圖4 是重熔層的掃描電鏡照片，觀察結(jié)果顯示重熔層的金相組織相對(duì)于基體有明顯的界限，重熔層處存在微裂紋。結(jié)合圖3和圖4 可看出， 重熔層厚度無(wú)論是周向還是軸向，都不均勻且不連續(xù)，這給重熔層厚度的測(cè)量帶來(lái)度，重熔層上單個(gè)采樣點(diǎn)的厚度不能準(zhǔn)確表征整個(gè)重熔層厚度。
2.2 重熔層厚度測(cè)量和標(biāo)定
國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)也表明，重熔層厚度分布不均給測(cè)量帶來(lái)難度。文獻(xiàn)[6]描述通過(guò)采集重熔層的面積，除以周長(zhǎng)得到重熔層的平均厚度；文獻(xiàn)[7]描述在顯微鏡的一個(gè)視野里取9 個(gè)點(diǎn)測(cè)量，再取平均值。重熔層厚度無(wú)論是沿周向還是軸向不均勻且不連續(xù)，故用重熔層的平均厚度來(lái)表征較合適。可通過(guò)測(cè)量重熔層多個(gè)位置的厚度求平均值，但取樣點(diǎn)的位置和數(shù)量直接影響測(cè)量結(jié)果。測(cè)量光學(xué)顯微鏡下相同視野里的點(diǎn)， 取不同取樣點(diǎn)會(huì)得到不同的平均值。取樣點(diǎn)分布越均勻、取樣點(diǎn)數(shù)量越多，統(tǒng)計(jì)結(jié)果越接近實(shí)際值。但在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行人工測(cè)量時(shí)，取樣均勻性不能得到保證， 且取樣點(diǎn)的數(shù)量越大，測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度越大。本文采用實(shí)驗(yàn)室的顯微鏡具有的網(wǎng)格測(cè)量功能和Excel 保存功能， 提出了網(wǎng)格劃分的測(cè)量方法。首先確定取樣點(diǎn)的位置，在網(wǎng)格線與圓相交的位置，取該點(diǎn)徑向方向的厚度為該點(diǎn)的有效厚度；其次將網(wǎng)格線與圓相交的所有點(diǎn)的有效厚度以Excel 形式保存， 在Excel 表格中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，取其平均值作為該圓孔電火花加工的重熔層厚度。
重熔層厚度網(wǎng)格劃分測(cè)量方法見(jiàn)圖5。將間距相同的網(wǎng)格線與孔壁的交點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，沿徑向測(cè)量該點(diǎn)的重熔層厚度；測(cè)量時(shí)，網(wǎng)格線的個(gè)數(shù)設(shè)為奇數(shù)， 并使一個(gè)橫向網(wǎng)格線和縱向網(wǎng)格線經(jīng)過(guò)圓心。由于測(cè)量點(diǎn)R1、T1距離很小，因此，測(cè)量點(diǎn)R1的結(jié)果不計(jì)入統(tǒng)計(jì)；同理，測(cè)量點(diǎn)L1、R5、L5也不計(jì)入統(tǒng)計(jì)。
3. 氣膜冷卻孔厚度正交試驗(yàn)
3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
該正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為脈寬、脈間、電壓、電流和沖液壓力等5 個(gè)加工參數(shù)對(duì)重熔層厚度的影響規(guī)律。由于電壓采用四水平， 故采用擬水平正交試驗(yàn)法。因素水平見(jiàn)表3。峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔和沖液壓力等工藝參數(shù)選擇5 個(gè)水平，加工電壓選擇4 個(gè)水平，采用擬水平正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表為L(zhǎng)25（56）。
表3 因素水平表
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
加工實(shí)驗(yàn)中， 工具電極采用直徑0.5 mm 的黃銅空心圓柱狀電極， 工件為厚度6 mm 的Inconel738 鎳基高溫合金。工作液為去離子水，采用正極性加工，電極轉(zhuǎn)速為120 r/min。冷卻系統(tǒng)是內(nèi)沖液和外沖液同時(shí)進(jìn)行，內(nèi)沖液壓力為0～4.2 MPa 可調(diào)。為了更好地尋找實(shí)驗(yàn)的規(guī)律性， 每組參數(shù)加工3 個(gè)孔，該實(shí)驗(yàn)加工了75 個(gè)有效孔。利用本文提出的網(wǎng)格劃分的重熔層厚度測(cè)量方法，測(cè)量3 個(gè)孔的重熔層厚度，然后取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 擬水平正交試驗(yàn)結(jié)果
采用statistical product and service solutions（SPSS）統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。在分析結(jié)果中，Sig 值越小，表示該因子對(duì)目標(biāo)影響越大。從表5 可看出，各因子對(duì)重熔層厚度影響的主次關(guān)系為：脈沖寬度>空載電壓>電流大小>脈沖間隔>沖液壓力；各因子對(duì)加工效率影響的主次關(guān)系為： 空載電壓>脈沖寬度>沖液壓力>脈沖間隔>峰值電流。
表5 SPSS 軟件的方差分析結(jié)果
氣膜冷卻孔電火花加工過(guò)程中需兼顧加工效率和重熔層厚度。為了優(yōu)化出加工時(shí)間短且重熔層厚度薄的參數(shù)，本文采用了灰關(guān)聯(lián)度分析方法。灰色關(guān)聯(lián)度法是指在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，如果兩個(gè)因素變化的態(tài)勢(shì)是一致的，即同步變化程度較高，認(rèn)為兩者關(guān)聯(lián)較大；反之，則兩者關(guān)聯(lián)度較小。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中，不同工藝目標(biāo)因量綱、數(shù)量級(jí)不同而不可比，通過(guò)量綱一化處理，使其具有相同的數(shù)量級(jí)，從而使“不可比”變?yōu)?ldquo;可比”，即為灰生成。分辨系數(shù)取在[0，1]區(qū)間，然后求出灰關(guān)聯(lián)度。各加工參數(shù)的各水平灰關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表6。當(dāng)關(guān)聯(lián)度最大時(shí)，表示在此加工參數(shù)條件下，重熔層厚度和加工時(shí)間的關(guān)聯(lián)度最大，可優(yōu)化出重熔層厚度和加工效率的最優(yōu)參數(shù)。
表6 加工參數(shù)各水平灰關(guān)聯(lián)度平均值
優(yōu)化后的加工參數(shù)組合為： 空載電壓90 V、峰值電流4 檔、脈沖寬度24 μs、脈沖間隔48 μs、沖液壓力3.6 MPa。根據(jù)該分析結(jié)果，采用優(yōu)化后的加工參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)， 得到重熔層厚度為7.2 μm、加工時(shí)間為24 s 以下的結(jié)果。
4 結(jié)論
（1）兼顧電火花加工氣膜冷卻孔的加工速度和重熔層厚度，研制了脈沖電源參數(shù)在線可調(diào)的窄脈寬高峰值電流脈沖電源。電壓60～200 V 連續(xù)可調(diào)，最大峰值電流達(dá)40 A，脈寬、脈間的寬度分辨率為0.2 μs， 有利于不同厚度和不同孔徑的氣膜冷卻孔的電火花加工。
（2）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重熔層的厚度不均勻且不連續(xù)，為了減少人為測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度，提出了網(wǎng)格劃分的重熔層厚度測(cè)量方法。
（3）進(jìn)行空載電壓、電流、脈寬、脈間、沖液壓力的正交試驗(yàn)， 采用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化后的加工參數(shù)組合為：空載電壓90 V、峰值電流4 檔、脈沖寬度24 μs、脈間寬度48 μs、沖液壓力3.6 MPa。進(jìn)行6 mm 厚的Inconel738 鎳基高溫合金驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重熔層厚度為7.2 μm，加工時(shí)間24 s。
（4）對(duì)于重熔層厚度影響的主次關(guān)系是：脈沖寬度>空載電壓>電流大小>脈間寬度>沖液壓力。對(duì)于加工效率影響的主次關(guān)系是： 空載電壓>脈沖寬度>沖液壓力>脈沖間隔>峰值電流。
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