電火花加工技術(shù)在小型閉式三元葉輪制造中的應(yīng)用研究

小型閉式三元葉輪葉片數(shù)較多并且葉片扭曲程度較大，導(dǎo)致葉輪流道空間非常復(fù)雜。葉輪的整體加工制造在國際同行業(yè)中一直是共同關(guān)注的難題。對(duì)于小直徑復(fù)雜扭曲流道的閉式三元葉輪，由于自身結(jié)構(gòu)和材料的局限性導(dǎo)致刀具可達(dá)性和切削性較差，整體機(jī)械加工難度較大；采用銑制焊接方式(葉片與輪盤成一體銑制加工，再與輪蓋焊接)則會(huì)由于焊接過程產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，甚至裂紋，嚴(yán)重影響葉輪的壽命和工作可靠性。另外，焊接圓角過小會(huì)影響焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而焊接圓角過大(相對(duì)于直徑較小的葉輪來說)會(huì)對(duì)葉輪的氣動(dòng)性能造成影響。

為了避免整體銑制加工的難題和焊接結(jié)構(gòu)帶來的問題，考慮尋求一種新的整體加工工藝，提出了一種由多組成形電極組合來完成一個(gè)流道的電火花整體加工方案，進(jìn)行了試驗(yàn)研究并成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 小型閉式三元葉輪結(jié)構(gòu)

小型閉式三元葉輪具有直徑小、葉片數(shù)多的特點(diǎn)，以直徑為φ215mm，由輪蓋、輪盤和13個(gè)葉片構(gòu)成，葉片沿圓周方向均勻分布的葉輪為例，介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪的材料為高溫高強(qiáng)合金鋼，硬度大，銑制機(jī)械加工難度極大。葉輪流道型腔被扭曲狀葉片、輪蓋和輪盤包圍，形成只有流道進(jìn)出口的閉式三維扭曲空間。流道進(jìn)口沿軸向方向較寬，周向較窄，流道出口軸向較窄，周向較寬。型腔曲面根據(jù)氣動(dòng)計(jì)算確定，葉片的造型數(shù)據(jù)特征點(diǎn)由X、Y、Z坐標(biāo)值以列表的形式給出，通過專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)造出葉片及葉輪的實(shí)體造型。葉片與輪蓋、輪盤銜接處需要倒圓角，不宜過大或過小，采用電火花加工方法可以精確加工出葉片根部圓角。

圖1 小型閉式三元葉輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of small integrally impeller structure

2 電火花加工小型閉式三元葉輪的總體方案

小型閉式三元葉輪由于自身結(jié)構(gòu)的局限性不便于采用銑削方式進(jìn)行粗加工，故粗加工、中精加工均采用電火花加工方式。組合電極電火花加工數(shù)字化制造總體方案如圖2所示。由于流道型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，扭曲度較大，即使利用五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床也很難用1～2個(gè)電極完成整個(gè)流道的電火花加工。經(jīng)過對(duì)流道型腔的幾何分析和電極的運(yùn)動(dòng)分析，決定采用多組電極、對(duì)應(yīng)多組運(yùn)動(dòng)軌跡，組合電火花加工方式進(jìn)行。

圖2 組合電極電火花加工數(shù)字化制造總體方案Fig.2 General CNC program of EDM with combined electrodes

電極分為粗加工電極和精加工電極?？紤]到電火花加工效率，粗加工階段采用耐大電流、加工速度快的電極材料。這種材料的電極在電火花加工時(shí)，自身損耗較大，可用于對(duì)精度要求不高、但加工速度快的電火花粗加工階段。精加工階段由于余量少，采用小電流、精度高、耐腐蝕性好的材料做電極[1]。

電極的結(jié)構(gòu)拆分和運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)是相輔相成的，二者需同時(shí)考慮。在CAD/CAM環(huán)境下，對(duì)電極和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行加工仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后可進(jìn)行實(shí)際加工，否則繼續(xù)優(yōu)化電極和運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 閉式三元葉輪加工難點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)方法

3.1 流道結(jié)構(gòu)分析及電極拆分設(shè)計(jì)

在確定具體的電極形面及軌跡設(shè)計(jì)之前，必須先確定電極的個(gè)數(shù)。為此，在計(jì)算機(jī)中提取流道的三維造型，將其劃分成若干區(qū)域[2-4]，圖3所示為一種將流道劃分為5個(gè)加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)圖，然后對(duì)各個(gè)區(qū)域分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的成形電極進(jìn)行加工。

圖3 流道加工區(qū)域劃分Fig.3 Division of flow passage machining zones

閉式三元葉輪流道電火花加工區(qū)域劃分需要注意以下幾項(xiàng)原則：

（1）在能夠完成整個(gè)流道加工的情況下，盡量減少區(qū)域的個(gè)數(shù)。區(qū)域過多會(huì)增加電極的數(shù)量，降低每個(gè)電極的剛度，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)、制造周期，增加電極制造的難度，電極數(shù)量越多，對(duì)加工形面的整體性影響越大。

（2）每個(gè)區(qū)域的空間造型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，以降低成形電極的設(shè)計(jì)和制造難度。

（3）各區(qū)域應(yīng)盡量靠近流道進(jìn)口或者出口處，以方便加工時(shí)電極自由進(jìn)給。

合理的劃分加工區(qū)域可以減少電極的數(shù)量，簡(jiǎn)化成形或者近似成形電極的設(shè)計(jì)難度，也簡(jiǎn)化了加工軌跡的設(shè)計(jì)和程序的編制，對(duì)提高葉片加工精度、縮短工藝設(shè)計(jì)和加工周期、降低加工成本都具有重要意義。另外，確定各區(qū)域電火花加工的先后順序也很重要，一般不能任意調(diào)換，否則會(huì)增加電極損耗，降低加工效率，更重要的是影響加工形面的整體性。

3.2 電極成形面的數(shù)值求解

采用圖3所示的流道加工區(qū)域劃分方案，在設(shè)計(jì)每個(gè)區(qū)域電極時(shí)都以葉輪零點(diǎn)和定位銷孔為基準(zhǔn)，建立相同的三維坐標(biāo)系Oxyz，以保證所有的電極基準(zhǔn)統(tǒng)一。

電極的形面設(shè)計(jì)采用等間隙方法求解電極的成形面。假設(shè)電火花加工的平均放電間隙為δ(中加工時(shí)δ值相對(duì)較大，而精加工時(shí)精度要求較高、表面粗糙度低，對(duì)應(yīng)的δ值較小)，在流道各區(qū)域待加工形面上均勻采集足夠多的型值點(diǎn)，得到型值面上的型值點(diǎn)集。型值點(diǎn)集坐標(biāo)在Solidworks建模環(huán)境下，利用曲面編輯、擬合、縫合等功能則可得到電極的理論形面。

3.3 電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)值解法只能得到理論的電極加工形面，但是要得到最終適合加工的電極還需要做進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，組合電極的設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：

（1）在每個(gè)加工電極上增加定位基準(zhǔn)塊，以便定位找正工藝基準(zhǔn)，這對(duì)采用多個(gè)電極的組合加工能夠保證基準(zhǔn)統(tǒng)一和定位精度要求。

（2）由于多個(gè)電極分區(qū)加工，所以在各區(qū)之間存在接刀痕跡，為避免接痕或更嚴(yán)重而產(chǎn)生臺(tái)階面，在各加工區(qū)域電極邊緣設(shè)計(jì)中，需要保留一定的寬度重疊區(qū)，且邊緣需要倒圓角做圓滑處理。

（3）盡可能采用較大、較完整的加工形面來完成葉片里弧和背弧的加工，以減少葉片形面上的接刀痕，保證整個(gè)葉片形面光順。

（4）結(jié)合其運(yùn)動(dòng)軌跡分析，有時(shí)為了避免空間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干涉，要對(duì)電極模型上的某些干涉區(qū)域進(jìn)行必要的修正和去除。

（5）干涉分析時(shí)，盡量在電極上預(yù)加工流道型腔內(nèi)部不需要進(jìn)行加工的非加工曲面進(jìn)行修正處理，它們不需要像加工形面那樣的高精度和高表面質(zhì)量，如此恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以降低電極制造成本。

基于上述原則進(jìn)行型腔分區(qū)，設(shè)計(jì)加工電極。葉輪流道加工電極的設(shè)計(jì)應(yīng)保持相對(duì)完整的流道結(jié)構(gòu)特征。精加工電極拆分成5部分，根據(jù)流道特征及運(yùn)動(dòng)干涉檢查，流道進(jìn)口電極拆分成上、下兩部分（圖3所示1、2號(hào)電極），電極有3個(gè)形面拷貝了相鄰葉片和輪蓋(或輪轂)曲面。流道出口電極拆分成上、中、下3部分（圖3所示3、4、5號(hào)電極），這3部分電極分別沿著各自的圓弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)入流道腔體內(nèi)，其中上、下電極有3個(gè)形面拷貝了相鄰葉片和輪蓋(或輪轂)曲面，中間電極兩側(cè)面拷貝了相鄰葉片的兩個(gè)曲面。圖4給出了1號(hào)電極和3號(hào)電極的三維模型圖。

圖4 1號(hào)電極和3號(hào)電極三維模型圖Fig.4 3D model of No.1 and No.3 electrode

3.4 電極運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

電極的結(jié)構(gòu)拆分設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮，電極的進(jìn)刀軌跡決定如何拆分電極。如流道出口部分的3號(hào)電極，進(jìn)刀軌跡先采用XYZU四軸聯(lián)動(dòng)將一個(gè)細(xì)電極按曲線軌跡運(yùn)動(dòng)到指定位置，再沿著軸向上下運(yùn)動(dòng)，再旋轉(zhuǎn)V軸，如圖5所示。

圖5 電極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖Fig.5 Diagram of electrode movement

3.5 工裝夾具設(shè)計(jì)

電極與夾具的銜接部位設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這樣的設(shè)計(jì)便于電極與夾具的裝卡、找正，保證了運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)性[5]。為了保證電極的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度，所有電極座長(zhǎng)方體表面被作為定位基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)，電極座表面的加工表面粗糙度為Ra0.8μm，相互垂直度≤0.005mm，平面度≤0.005mm，其他各面的位置度≤0.03mm。

圖6 工裝夾具設(shè)計(jì)Fig.6 Design of fixture and clamp

4 加工實(shí)例

4.1 加工條件

本文加工實(shí)例是由北京市電加工研究所采用電火花加工技術(shù)完成的一種典型的小型閉式三元葉輪，其加工條件如下：

（1）加工裝置：采用北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N850五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)床。

（2）工件和電極材料：工件材料：沉淀硬化不銹鋼，牌號(hào)17-4PH；電極材料：紫銅和石墨。

（3）工件特征尺寸：外徑×總高=φ（215±0.1）mm×（130±0.1）mm；葉片數(shù)量=13個(gè)；流道長(zhǎng)度=92.67mm；流道出口為長(zhǎng)方形，尺寸=7.13mm×58.88mm；流道入口為梯形，尺寸=上邊10.76mm×下邊25.29mm×高33mm；扭曲角度=21°。

（4）工作液：電火花加工專用煤油，型號(hào)：LP-200。

（5）電火花加工參數(shù)：表1列出了本加工實(shí)例選用的部分電火花加工參數(shù)。

表1 部分電火花加工參數(shù)

4.2 加工實(shí)施

（1）粗加工。一個(gè)流道需由兩個(gè)粗加工電極組為一組完成加工，即流道出口和流道進(jìn)口各用一個(gè)電極。粗加工的主要目標(biāo)是打通流道，因此電極設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需保證運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生干涉，并且使流道貫通。

（2）中加工。粗加工后流道內(nèi)各部位的余量較大，在精加工之前需要安排一組中加工，主要目標(biāo)是完成流道大部分余量的加工，使各形面接近設(shè)計(jì)形面，給精加工留有均勻的加工余量，一般單邊余量在0.1～0.2mm，表面粗糙度在Ra6.4～4.0μm。中加工與精加工每組各有5個(gè)電極，其中流道進(jìn)口分為上、下兩個(gè)電極（圖3所示1、2號(hào)電極），流道出口分為上、中、下3個(gè)電極（圖3所示 3、4、5 號(hào)電極）。

（3）精加工。主要目標(biāo)是完成流道各形面的加工，達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙對(duì)尺寸精度、位置精度及表面粗糙度的要求。

中、精加工電極設(shè)計(jì)的差別在于放電間隙不同。中加工時(shí)電極單邊放電間隙為0.5mm，電極綜合誤差≤±0.08mm，既要考慮到蝕除速度不能太慢，又要兼顧到電極損耗不能太大，從而達(dá)到快速加工且流道形線誤差≤±0.15mm。精加工時(shí)電極單邊放電間隙為0.03mm，電極綜合誤差≤±0.02mm，保證流道曲面成形精度和表面粗糙度的要求。

4.3 加工結(jié)果

精加工完成后，我們對(duì)工件流道尺寸精度、位置精度和表面粗糙度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)方法和結(jié)果分述如下：

（1）檢測(cè)工件流道尺寸精度、位置精度。

①檢測(cè)項(xiàng)目：底徑外圓、底徑內(nèi)圓、葉背外圓、葉盆外圓、葉盆內(nèi)圓、頂徑外圓、頂徑內(nèi)圓，圖7給出了葉輪檢測(cè)區(qū)域的名稱；

圖7 葉輪檢測(cè)區(qū)域名稱示意圖Fig.7 Designation of inspection area

②檢測(cè)方法：利用機(jī)床在線檢測(cè)功能和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量球?qū)?3個(gè)流道進(jìn)行檢測(cè)；為真實(shí)反映流道加工精度,減少檢測(cè)誤差，每一檢測(cè)項(xiàng)目，我們選了2～5個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)。

在機(jī)檢測(cè)功能是將自動(dòng)定位功能進(jìn)一步延伸，借助標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)闇y(cè)量球和相應(yīng)的計(jì)算就可對(duì)工件和工具電極進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)原理與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相同。在機(jī)檢測(cè)功能主要用途：

（a）對(duì)已加工件各尺寸和相對(duì)位置的檢測(cè)；

（b）對(duì)工具電極各尺寸和損耗的檢測(cè)；

（c）對(duì)尺寸精度要求在微米級(jí)的精密微細(xì)件，特別是拆下無法重復(fù)安裝的件，在加工過程中實(shí)時(shí)對(duì)加工的型腔尺寸和工具電極進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，以判斷是否符合加工精度要求及計(jì)算繼續(xù)加工的進(jìn)給量，直到檢測(cè)合格。

③檢測(cè)結(jié)果：表2給出了該小型閉式三元葉輪加工精度檢驗(yàn)結(jié)果，檢測(cè)數(shù)據(jù)采用在線檢測(cè)方法獲得，表中正誤差值為過加工，負(fù)誤差值為欠加工。由表中可以得出，流道形線誤差在±0.10mm之內(nèi)，整個(gè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）檢測(cè)表面粗糙度和表面質(zhì)量。

表面粗糙度采用比對(duì)方法，Ra可達(dá)到1.6μm；表面質(zhì)量采用目測(cè)方法，表面有輕微電極接痕，在0.05mm以內(nèi)，效果理想。

5 結(jié)論

電火花加工技術(shù)成功應(yīng)用于閉式三元葉輪的制造，在國內(nèi)開創(chuàng)了壓縮機(jī)制造領(lǐng)域的新工藝、新方法。多電極組合電火花整體加工解決了小直徑三元葉輪傳統(tǒng)制造工藝難以解決的問題，主要技術(shù)特點(diǎn)是：

（1）適用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。電火花加工中電極可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同形狀來擴(kuò)展電極在運(yùn)動(dòng)過程中的可達(dá)性。機(jī)械加工中的金屬刀具有規(guī)則的、相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何特征，對(duì)于復(fù)雜小空間結(jié)構(gòu)可達(dá)性差，同時(shí)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)要求較高。

（2）適用于難機(jī)械加工材料。電火花加工時(shí)，電極與被加工工件之間存在微小放電間隙，靠電流產(chǎn)生的熱量腐蝕被加工材料。電極與工件不發(fā)生接觸，因此整個(gè)過程沒有加工受力。根據(jù)被加工材料選擇匹配適于加工的電極材料，電火花加工方法適用于絕大多數(shù)金屬材料。

（3）根據(jù)被加工型腔的空間結(jié)構(gòu)，可拆分為多個(gè)電極。對(duì)于三維空間大扭曲結(jié)構(gòu)，很難用一個(gè)電極和一組運(yùn)動(dòng)軌跡加工出整個(gè)型腔，因此需要將電極拆解。電極模型應(yīng)按相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡在保證強(qiáng)度的情況下進(jìn)行收縮，電極的理論分割點(diǎn)應(yīng)該在原始型腔與電極模型按運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉的位置。不同的型腔結(jié)構(gòu)有不同的電極設(shè)計(jì)和軌跡設(shè)計(jì)思路。

（4）在CAD/CAM環(huán)境下，用運(yùn)動(dòng)分析模塊進(jìn)行工件-電極模擬運(yùn)動(dòng)仿真，不斷修正和優(yōu)化，高效精確的設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)加工，需要精確的計(jì)算工件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和電極沿軌跡行進(jìn)速度之間的協(xié)同性，二者的速度必須嚴(yán)格匹配。

[1] 曹鳳國.電火花加工.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2] 劉辰，徐家文，趙建社，等.三元流閉式葉輪組合電加工技術(shù)研究I—總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù) . 航空學(xué)報(bào)，2010，31(3)：650-654.

[3] 劉辰，徐家文，趙建社，等. 三元流閉式葉輪組合電加工技術(shù)研究II—數(shù)控電解預(yù)加工.航空學(xué)報(bào)，2010， 31(4)：871-875.

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