高密度微槽结构精密加工技术

针对轨控发动机内螺栓零件微槽结构的加工难点，如装夹困难、对准精度低、一致性难以保证等，通过设计专用工装、电阻精密对准装置和优化电加工参数，成功解决了微槽的加工难点。成像仪试验和热态试验表明，该处理方法切实可行，有效保证了轨控发动机的性能和可靠性。

1前言

在航空航天领域，许多零件都包含微小的“微槽”结构，以精确控制流量。目前，微沟槽结构的精密加工方法主要有切削、线切割等。但切削受到刀具尺寸、变形等因素的限制，很难加工极小的结构。线切割具有无明显宏观应力的非接触加工、微小尺寸加工、定位精度高等优点，可实现高密度微小沟槽的精密加工[1]。本文将重点研究轨控发动机内螺栓零件高密度微槽结构的加工难点和精密加工方法。

2零件结构和加工难点

为了精确控制流量，新研制的发动机喷油器首次采用高密度对称微槽结构和环缝相结合，其中内螺栓部分出口端包含36个沿周向均匀分布的微槽结构(共18对)，尺寸小(深0.14mm，宽0.3mm)，精度要求高，对微槽的一致性和位置要求高。微槽结构的面积和位置直接影响喷射器的流量和均匀性，一方面决定推进剂的燃烧效率，另一方面影响发动机燃烧室壁面液膜的冷却效率，对发动机的性能和可靠性起着重要作用，是喷射器的核心结构。喷油器内螺栓的结构，是由内螺栓和中心杆组成的“微槽结构+环缝”组件。

经过加工工艺分析，综合考虑工艺实现、加工成本、加工效率等因素，选择线切割方式成形。主要加工思路:专用工装用分度头夹紧，内螺栓零件固定在专用工装上找正，然后电极丝端面找正。线切割形成第一个槽后，旋转10°，切割第二个槽，以此类推18次。

根据上述加工思路，通过分析得出微沟槽结构的精度主要取决于专用工装的设计、电极丝相对于内螺栓零件的对准和定位精度、电极丝的走丝速度以及合适的电参数等工艺因素。主要困难如下。

(1)夹紧内螺栓零件，由于法兰为方形结构，精确定位夹紧非常困难，需要设计专用工装。

(2)定位对准精度由于高密度对称微槽的宽度和深度分别为0.3mm和0.14mm，微槽的数量为36个，因此在加工过程中需要多达18次的反复翻转。电极丝与零件基准相对位置的对准精度不够，容易积累夹紧定位误差。不仅单个微槽的尺寸超差，36个均匀分布的微槽的一致性也难以达到设计要求，直接影响喷油器的流量和均匀性，从而影响发动机的可靠性。因此，需要一种高精度的对准方法来保证。

(3)电参数的优化与选择WEDM的微加工过程复杂，加工精度和稳定性的研究复杂。目前定量分析比较困难，对电参数的探索多以经验结合工艺试验为主。微沟槽结构体积小，对电参数组合敏感，因此有必要探索合适的电参数组合。

高密度微沟槽结构的精密WEDM

根据以上分析，采取相应措施解决加工难点，设计出喷油器内螺栓零件高密度微槽的加工路线。

3.1设计专用工装

由于喷油器内螺栓端面为方形结构，不利于后续的夹紧定位，因此设计了专用夹具。此夹具夹紧部分与端面的垂直度有严格的形位公差要求，应在0.008mm以内，夹具端面与内螺栓的平面度也应在0.01mm以内:专用工具前端加工有凸台，凸台外圆与工具夹紧部分的同轴度应在0.008mm以内，同时凸台外圆与内螺栓部分的内孔应严格配合加工。夹紧时用凸台定位，拧紧螺钉，保证被夹紧工具的夹紧部分与固定在工具上的内螺栓微槽结构的外圆同轴度。内螺栓零件专用工装的夹紧。

3.2电阻法准确、积极

定位找正的目的是确定电极丝与零件基准的相对位置，定位找正的精度直接决定了内螺栓零件的加工质量。如果找正方法选择不当，精度不高，很难保证每个微槽的精度，加工过程需要18次重复车削，会导致均匀分布的槽均匀性差。WEDM 常用的比对方法如下。

(1)目测法采用目测法寻找正极线相对于零件参照物的位置误差，均匀坡口的一致性难以保证。

(2)用火花法移动工作台，使工件的基准面逐渐靠近电极丝，记录火花瞬间工作台的坐标，以记录电极丝相对于零件基准面的位置。然而，当电极线靠近参考平面时产生的放电间隙与正常切割条件下的放电间隙不完全相同，从而导致误差。

(3)自动对准。目前大多数线切割机都有接触感应功能。采用自动对准的方法寻找边缘和中心，对准精度比较高。但这种方法经过多次边缘对齐，最大误差可达0.05mm，无法满足36个微槽的尺寸精度和微槽间尺寸一致性的要求。

(4)电阻法的原理是利用电极丝与工件基准面从绝缘到短路接触电阻突变的特性，确定电极丝相对于工件基准面的坐标位置。重复定位精度高，一般可达0.005mm，比较以上几种对准方法的优缺点，最终采用电阻法确定电极丝与零件基准的相对位置，从而确定加工原点。电阻法的精确对准如图5所示。用电阻法设计精密对准装置。万用表的一侧与电极线的导轮连接，另一侧与被加工零件连接。将万用表置于欧姆档，手动控制箱或操作面板会使工件靠近电极丝进行测量。当工件与电极丝瞬间接触时，万用表的指针会归零。是接触开始时导线的边缘，寻边后需要加上导线的半径补偿。

使用手动控制箱或操作面板将电极丝移动到零件端面，以确保接触良好。此时万用表指针在最右边。然后使用手动控制箱或操作面板每次移动电极丝0.002毫米。当万用表指针摆动较大时(短路变开路)，说明电极丝瞬间脱离零件端面。此时，电极线的坐标被设置为(0，0)。经过多次对准，最大误差为0.004mm，可以满足均匀分布微沟槽的对准要求。

在加工过程中，一旦每对槽被切割，就需要重新对准它们。切割时，需要观察放电瞬间坐标零点的偏移。如果电极丝刚放电时坐标零点的偏移超过0.005毫米，需要重新校准，以避免累积误差。

3.3 WEDM和电火花加工参数的优化

对准参考位置后，回退0.5mm为起点，编程切割路径，优化切割过程中的电气参数。影响WEDM质量的指标有很多，包括:电参数脉宽、脉冲间隔、峰值电流、非电参数送丝速度、电极丝张力和工作液洁净度等。结合加工经验，选取影响加工的重要指标因素，均匀分布试验数据点，设置正交试验，优化加工参数，通过成像仪精确测量加工值与理论值的偏差。同时根据经验调整相关工艺参数，反复试验测量，确定加工微沟槽结构的最佳工艺参数组合。电加工最佳参数:切割次数1次，电极丝直径0.12mm，正极性，脉冲宽度1μm，线速度6m/s，DIC-206水溶性线切割液。

3.4微沟槽测量

使用高倍成像仪放大400倍，测量结果一致，满足设计要求。

4过程方法的应用效果

采用上述工艺方法和电阻法精密找正装置，加工出满足尺寸精度和表面质量要求的微槽，尺寸精度保证在0.01mm。热调试试验也验证了加工效果。

5结束语

针对轨控发动机喷油器微槽结构的加工难点，通过设计专用夹具、电阻法精密找正装置和优化电加工参数，解决了内螺栓零件高密度微槽结构的装夹困难和高精度要求，保证了内螺栓零件36个微槽结构的尺寸精度和位置精度。加工后的合格喷油器流量稳定、均匀，达到了设计预期。热试结果充分验证了工艺方案的可行性和正确性，发动机性能满足技术指标要求。该方案可推广应用于其他高精度微小尺寸结构的加工。