閉式整體葉盤(pán)電火花加工表面質(zhì)量研究

孫曉嵐,劉 曉,梁 為,康小明

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)

葉盤(pán)類(lèi)零件是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,飛行器性能和任務(wù)能力的每一次飛躍,都與葉盤(pán)類(lèi)零件的發(fā)展直接相關(guān)[1],它直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的成敗,是決定整機(jī)性能和維護(hù)成本的關(guān)鍵部件之一。目前,葉盤(pán)結(jié)構(gòu)使用的主流趨勢(shì)是帶葉冠的閉式整體結(jié)構(gòu)。閉式整體葉盤(pán)流道的可達(dá)性差,常為彎扭結(jié)構(gòu),采用普通切削方法難以加工,難以獲得較好的表面質(zhì)量,且加工成本高,而電火花加工卻顯示出它特有的加工優(yōu)勢(shì),逐漸成為該零件的主流加工方法。Ariane-5火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)Vulcain中的閉式整體葉盤(pán)是由瑞典某公司采用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花技術(shù)制造的[2],俄羅斯在加工“能源號(hào)”發(fā)動(dòng)機(jī)整體式帶冠轉(zhuǎn)子時(shí),采用了多套電極兩面電火花加工技術(shù),我國(guó)50噸級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)也是采用電火花加工制造的。

從航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過(guò)程和故障分析得知,各種形式的疲勞破壞的根源幾乎都集中在零件表面。某發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)渦輪葉片斷裂失效分析表明:葉片失效是由于其中一片葉片低周疲勞斷裂所致,該葉片的低周疲勞斷裂失效與源區(qū)附近的R槽中存在微裂紋[3]有關(guān)。Matlik等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)渦輪機(jī)械中,磨損的主要位置是葉片與葉片相互接觸的地方,高溫高頻的載荷環(huán)境會(huì)促進(jìn)裂紋的增長(zhǎng),導(dǎo)致零件失效。

從加工原理上來(lái)看,電火花加工是一種利用熱能對(duì)零件進(jìn)行加工的方式,零件表面在熱力、電磁力、流體動(dòng)力等綜合作用下,表面微觀幾何特征和表面層物理、化學(xué)性能都發(fā)生了變化。每次脈沖高頻火花放電時(shí),只有工件的局部表面受熱,再加上急熱驟冷的交互作用,造成了電火花加工表面殘余應(yīng)力和微裂紋等缺陷。同時(shí),部分熱量繼續(xù)向被加工工件內(nèi)部傳遞,使材料的金相組織發(fā)生變化,產(chǎn)生與基體材料不同的組織,即再鑄層。再鑄層上存在明顯微裂紋、微量碳元素等,影響了葉盤(pán)的固有機(jī)械性能。為滿足加工要求,必須在加工過(guò)程中有效控制再鑄層厚度,確保葉盤(pán)經(jīng)磨粒流工藝處理后,有效去除微裂紋及碳粘附,獲得較好的表面質(zhì)量。

在電火花加工中,為了提高加工表面質(zhì)量,常常采用搖動(dòng)加工的方式,即在加工過(guò)程中讓電極和工件按照某種特定的軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本文通過(guò)引入搖動(dòng)工藝提高表面質(zhì)量,在保證加工效率的情況下,選取最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行模擬葉片的加工實(shí)驗(yàn),并對(duì)加工過(guò)的葉片進(jìn)行掃描電鏡、能譜和金相等分析。

1 搖動(dòng)方案與加工參數(shù)選取

葉盤(pán)的表面質(zhì)量與加工工藝和加工參數(shù)有關(guān)。影響電火花加工表面質(zhì)量的主要因素是峰值電流、脈沖寬度、脈沖周期、加工極性、工具電極材料與工件材料等。

1.1 搖動(dòng)方案介紹

實(shí)驗(yàn)采用電火花成形加工技術(shù),先打通流道,再進(jìn)行形面拷貝,最后加入搖動(dòng)工藝提高表面質(zhì)量。要獲得搖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)空間,電極的尺寸相比無(wú)搖動(dòng)拷貝的電極須做縮減。復(fù)雜搖動(dòng)必然使型腔表面形狀偏離電極的表面形狀,從而導(dǎo)致產(chǎn)品表面形狀偏離設(shè)計(jì)目標(biāo),為保證對(duì)產(chǎn)品外形的精確加工,必須對(duì)電極的表面形狀按搖動(dòng)方式、搖動(dòng)距離進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)選取直紋葉片,通過(guò)電極展成運(yùn)動(dòng)可避免誤差,實(shí)現(xiàn)無(wú)干涉搖動(dòng)。

1.2 材料與參數(shù)選取

1.2.1 材料與極性選取

高溫合金Inconel718為葉盤(pán)類(lèi)零件常用材料,實(shí)驗(yàn)選其作為工件材料。電火花加工中,一般要求電極導(dǎo)電性能好、損耗小、加工制造容易。經(jīng)綜合考慮,選取石墨電極中的EDM-C3為實(shí)驗(yàn)電極材料,它是一種高密度含銅石墨,具有加工速度快、損耗低的特點(diǎn),適合加工精度要求高的零件。實(shí)驗(yàn)證明該類(lèi)型石墨電極的加工效果良好。

通過(guò)正負(fù)極性對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,工件正極性加工時(shí),工件表面碳黑吸附現(xiàn)象明顯,故實(shí)驗(yàn)采用工件負(fù)極性、電極正極性加工。

1.2.2 粗、精加工參數(shù)選取

實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)選取電流、脈寬、占空比、伺服參考電壓為主要影響因子,其他參數(shù)取常量,參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)設(shè)計(jì)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

閉式整體葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,葉片型面多為復(fù)雜自由曲面,且精度要求很高。采用閉式整體葉盤(pán)電火花加工專(zhuān)用CAD/CAM系統(tǒng)完成電極的設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃[5-6],圖1是模擬閉式整體葉盤(pán)模型及其進(jìn)給路徑。

圖1 閉式整體葉盤(pán)加工模型

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為研究葉盤(pán)表面質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)采用四軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床,對(duì)某閉式整體葉盤(pán)進(jìn)行模擬加工。

成形電極在進(jìn)入流道過(guò)程中時(shí),會(huì)蝕除大量材料,為提高加工效率,采用放電能量較大的粗加工參數(shù)。流道打通后,在達(dá)到加工尺寸前,為提高葉片表面質(zhì)量,應(yīng)采用放電能量較小的精加工參數(shù)。加工過(guò)程中,采用更換新電極的方法減小電極損耗對(duì)加工精度的影響。3組加工規(guī)準(zhǔn)同表1,實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

搖動(dòng)電極均選用中加工電極。實(shí)驗(yàn)二為精加工參數(shù)搖動(dòng),搖動(dòng)量為30 μm;實(shí)驗(yàn)三中加工搖動(dòng)時(shí)為中加工參數(shù),搖動(dòng)量為15 μm,精加工搖動(dòng)時(shí)為精加工參數(shù),搖動(dòng)量為30 μm,軌跡為方形搖動(dòng)。3組實(shí)驗(yàn)所用電極個(gè)數(shù)分別為 3、2、2。

加工完成后,對(duì)3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行效率與表面質(zhì)量對(duì)比。用單向走絲電火花線切割機(jī)床將葉盤(pán)模擬流道剖分,使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)葉片型面進(jìn)行檢測(cè),其型面精度符合設(shè)計(jì)要求,剖分后的葉片見(jiàn)圖2。對(duì)加工的葉片分別進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量、掃描電鏡、能譜分析與金相分析,研究加工參數(shù)與工藝對(duì)葉片表面質(zhì)量的影響。

圖2 模擬葉盤(pán)加工實(shí)例

2.2.1 效率分析

加工時(shí)間見(jiàn)表3。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)二的效率低于實(shí)驗(yàn)一,即粗、中、精搖加工效率略低于粗、中、精加工;實(shí)驗(yàn)三的效率高于實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二,即粗、中搖、精搖分級(jí)搖動(dòng)效率明顯優(yōu)于其他兩種工藝。實(shí)驗(yàn)一需3種尺寸的電極,實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三需兩種尺寸的電極?？梢?jiàn),通過(guò)搖動(dòng)可減少電極的規(guī)格。

表3 模擬葉盤(pán)加工時(shí)間表 min

2.2.2 表面粗糙度

本實(shí)驗(yàn)主要以輪廓算術(shù)平均偏差值Ra作為衡量葉片表面粗糙度的指標(biāo),它主要取決于精加工電規(guī)準(zhǔn)及加工余量。經(jīng)電火花加工后,工件表面會(huì)出現(xiàn)放電凹坑,凹坑的大小和深淺會(huì)直接影響工件表面粗糙度。3組實(shí)驗(yàn)的平均Ra值分別為2.125、1.407 、1.384 μm,其中 ,取樣長(zhǎng)度L為0.25 mm,評(píng)定長(zhǎng)度Ln為5L。實(shí)驗(yàn)表明搖動(dòng)提高了表面質(zhì)量,分級(jí)搖動(dòng)效果更好。

2.2.3 葉片表面形貌

電火花放電產(chǎn)生的巨大熱量能使局部工件材料熔化和氣化,但冷卻液的快速冷卻將產(chǎn)生電蝕坑、孔隙、裂縫及火花放電所產(chǎn)生的附著物,而搖動(dòng)可有效減小電蝕坑大小(圖3)。

2.2.4 再鑄層厚度與微裂紋

為了觀察再鑄層的厚度及其中的微裂紋深度,需對(duì)試樣進(jìn)行金相分析。如圖4所示,實(shí)驗(yàn)一的再鑄層厚度小于10 μm,實(shí)驗(yàn)二的再鑄層厚度小于7 μm,實(shí)驗(yàn)三的再鑄層厚度小于5 μm。微裂紋不規(guī)則地分散在再鑄層內(nèi)部,再鑄層厚度越薄越容易去除,越有利于后續(xù)加工。

2.2.5 表面能譜分析

圖5是實(shí)驗(yàn)三的能譜分析圖示,分級(jí)搖動(dòng)后,葉片含碳量減少,主要為機(jī)體材料,經(jīng)后續(xù)處理后可實(shí)現(xiàn)無(wú)碳表面。

圖5 實(shí)驗(yàn)三能譜分析圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文就閉式整體葉盤(pán)電火花加工表面質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了研究,結(jié)論如下:

(1)通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù),在提高加工效率的同時(shí)獲得了較好的表面質(zhì)量。

(2)搖動(dòng)有利于提高葉片表面質(zhì)量,經(jīng)分級(jí)搖動(dòng)后的葉片表面粗糙度值達(dá)到 Ra1.384 μm,再鑄層厚度控制在5 μm以下,且表面含碳量較少,可通過(guò)磨粒流實(shí)現(xiàn)充分去除。

(3)搖動(dòng)工藝可減少電極制作規(guī)格,從而降低成本,實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

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