組裝式增壓機三元葉輪整體特種加工技術研究

王鵬　劉振宇　劉鑫

【摘 要】組裝式增壓機三元葉輪難點敘述，電火花加工方法優(yōu)點描述，電極設計思路，電極拆分原理，電極運動軌跡描述和加工結果展示

【關鍵詞】組裝式增壓機三元葉輪；電火花加工；電極設計；電極拆分；電極運動軌跡

1、前言

組裝式增壓機三元葉輪由于葉輪直徑較小，葉片空間扭曲程度較大，造成流道空間非常狹窄，需要用較小的機加工刀具完成銑削加工，給機加工方法帶來一定的困難。同時，葉輪狹窄的流道空間給焊接帶來一定的難度，焊接可達性及焊接質(zhì)量難以保證。因此，考慮采用電火花成形加工方法，整體加工一次成形葉片及流道空間，避免機加工方法和焊接困難，同時提高葉輪的整體質(zhì)量。

2、電火花加工路線設計

2.1、電極材料選擇

在電火花加工中，電極與工件材料的物理特性對放電蝕除量具有重要影響。工具電極耐蝕性越高，損耗越小，加工精度越高。工件材料耐蝕性越低，蝕除量越大，加工速度越高。要減少電極損耗，應選用合適的材料。電火花加工常用的幾種材料如下：

（1）鎢、鉬的熔點和沸點較高，損耗小，但其機械加工性能不好，價格又貴，所以除線切割用鎢鉬絲外，其他很少采用。

（2）銅的熔點雖然較低，但是其導熱性好，因此損耗也較少，又能制成各種精密、復雜的電極，常用于中小型腔模具或零件的加工。

（3）石墨電極不僅熱學性能好，而且在寬脈沖粗加工時能吸附游離的碳來補償電極的損耗，所以相對損耗很低，目前廣泛用作型腔模具的加工。石墨電極的損耗，很大程度上取決于材料的結構和它的機械抗彎強度。

（4）銅鎢、銀鎢合金等復合材料，不僅導熱性好，而且熔點高，因而電極損耗小。但是由于其價格較貴，制造成形比較困難，因而一般用在精密電火花加工。

石墨和銅相比，石墨剛性比銅好，銑削性能好，不起毛刺，銑削力小，重量輕，電極傾覆力矩小。電加工上石墨損耗小，加工速度相對較快，但光潔度較差，易碎，需使用專用加工機床。選用石墨主要看重易加工，重量輕，損耗小的特點。

2.2、電極結構及軌跡

設計電極結構的同時也要考慮電極的運動軌跡。除此之外還應注意電極的強度，必要時要增加加強筋；最大安全放電單邊縮放量，依據(jù)加工檔位進行計算得來；電極加工的難易程度，比如加工不開放的大扭曲度內(nèi)腔曲面就使得電極制造難度增大；安全保證，從設計角度應盡量避免人為安裝錯誤、基準面使用錯誤等問題。

加工軌跡的設計實際是對電極制造、機床運動復雜度、誤差分析等的綜合考慮。對于一個形腔，簡單的電極設計是按比例縮小，只要電極能夠順利的以直線方式加工進入預定的位置，再配合運動機床的其他軸使形腔加工到位即可。對于簡單形狀的電極結構，比如方形、圓形、菱形等軌跡運動不會產(chǎn)生太大的誤差，電極的制造也簡單。如果復雜的形腔，就要考慮使用形狀簡單的電極，依靠比較復雜的運動來進行加工。

3、電極加工設計方案

在三元閉式葉輪整體加工技術中，隨著與先進數(shù)控技術和高精密機床相結合，數(shù)控電火花（NC-EDM）加工已經(jīng)發(fā)展成為一種高水平的特種精密加工技術，其制造柔性好、加工精度高、表面粗糙度低，是目前葉輪加工領域廣泛采用的特種加工技術。電火花加工葉輪復雜彎曲型腔可以保證葉片精度、表面質(zhì)量以及加工過程中的可靠性。

對于空間扭曲度特別大的流道和葉片形面，采用三元葉輪整體加工采用多個電極對應多組數(shù)控運動的加工方案，以求達到高精度、高效率整體加工三元閉式葉輪的目標。

3.1、三元閉式葉輪電火花加工特點

圖1為三元閉式葉輪實體造型，為了便于觀察葉片和流道空間的形狀，模型中去除了輪蓋部分。該葉輪圓周上均布13個葉片，流道空間較窄；流道進氣口空間徑向較寬，圓周方向較窄；出氣口空間軸向部分較窄而圓周方向較寬。從模型中可以看出，兩個相鄰葉片之間形成了扭曲度很大、且進出口截面形狀顯著變化的流道空間。

分析該葉輪的結構特點，并且結合電加工工藝流程，此三元閉式葉輪電火花加工主要有一下特點：

（1）葉片間流道狹長，兩端開口中間封閉，并且彎扭程度大。由于受到進口、出口尺寸和扭曲度大的限制，電極的可達性差，即采用多軸聯(lián)動，需要設計多個成形電極和對應得多組數(shù)控運動。

（2）在每個電極形面及其運動軌跡設計時，必須注意各電極之間基準的統(tǒng)一，以消除由于對接所產(chǎn)生的接痕問題。

基于以上特點，設計了三元閉式葉輪數(shù)控電火花加工方案，尤其是電極設計及其運動軌跡的設計。

3.2、根據(jù)結構劃分合理的加工區(qū)域

在確定具體的電極形面及軌跡設計之前，必須先確定電極的個數(shù)。為此，在計算機中提取流道的三維造型，將其劃分成若干區(qū)域，對各個區(qū)域分別設計相應的成形電極進行加工。

三元葉輪流道電火花加工區(qū)域劃分需要注意以下幾項原則：

（1）在能夠完成整個流道加工的情況下，盡量減少區(qū)域的個數(shù)。區(qū)域過多會增加電極的數(shù)量，延長設計、制造周期，影響加工形面的整體性。

（2）每個區(qū)域的空間造型應盡量簡單，以降低成形電極的設計和制造難度。

（3）各區(qū)域應盡量靠近流道進口或者出口處，以方便加工時電極自由進給。

合理的劃分加工區(qū)域可以減少電極的數(shù)量，簡化成形或者近似成形電極的設計難度，也簡化了加工軌跡的設計，對提高葉片加工精度、縮短工藝設計和加工周期、降低加工成本都具有重要意義。另外，確定各區(qū)域加工的先后順序也很重要，一般不能任意調(diào)換否則會增加電極的損耗，降低加工效率。

3.3、電極成形面的數(shù)值求解

采用圖3的加工方案，在設計每個區(qū)域電極時都以葉輪零點和定位銷孔為基準，建立相同的三維坐標系Oxyz，以保證所有的電極基準統(tǒng)一。

電極的形面設計采用等間隙方法求解電極的成形面。假設電火花加工的平均放電間隙為δ（半精加工時δ值相對較大，而精加工時精度要求較高、表面粗糙度低，對應的δ值較?。?，在流道各區(qū)域待加工形面上均勻采集足夠多的型值點，得到型值面上的型值點集。根據(jù)型值點集坐標進而得到電極的理論形面。

3.4、電極結構優(yōu)化設計

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一步的完善和優(yōu)化，組合電極的技術特點需要遵循上述的電極結構設計的原則，設計出分區(qū)加工的電極。

葉輪流道加工電極的設計應保持相對完整的流道結構特征。粗加工電極拆分成五部分。

根據(jù)流道特征及運動干涉檢查，流道進口電極拆分成上、下兩部分。流道出口電極拆分成上、中、下三部分，葉輪流道出口、進口粗加工電極結構及走刀軌跡示意圖如下：

電極與夾具的銜接部位設計成長方體結構，這樣的設計便于電極與夾具的裝卡、找正，保證了運動軌跡的精準性。

為了保證電極的定位精度和運動精度，所有電極座長方體表面被作為定位基準和加工基準，電極座表面的加工粗糙度為Ra0.8，相互垂直度≤0.005mm，平面度≤0.005，其它各面的位置度0.03mm。

電極的設計圖紙如下圖所示，石墨電極根據(jù)設計圖紙在雕刻機上制作完成。雕刻從加工原理上講是一種鉆銑組合加工。

設計出電極形狀后，設計電極的走位軌跡和干涉檢查，如果沒有問題，輸出電火花機床的電極走位程序。

4、電火花加工表面檢測

電火花加工后的工件表面，由于受瞬時高溫作用和液體介質(zhì)冷卻作用，化學成分和物理學性能都會不同程度的發(fā)生變化。

4.1、表面變化層

電火花加工后，表面層化學成分和組織結構發(fā)生很大變化，變化了的這一部分稱為表面變化層。表面層又分為熔化層和熱影響層。對于碳鋼來說，熔化層在金相照片上呈現(xiàn)白色，即白層。熱影響層又分為間層和過渡層。

表面變化層的厚度與工件材料的種類、加工時的電參數(shù)有關。單個脈沖能量越大，即脈沖寬度越寬、峰值電流越大，表面變化層的厚度就越大。單個脈沖能量一定時，脈沖寬度越窄，熔化凝固層越薄，因為大部分金屬不是熔化而是在汽化狀態(tài)下被拋出蝕除，不再殘留在工件表面。

電火花成形加工中，一般粗、中規(guī)準加工表面變化層厚度大約在0.05-0.10mm以內(nèi)，但一般不超過0.1mm；精規(guī)準的表面變化層厚度約為0.002-0.05mm。

熱影響層中靠近熔化凝固層部分，由于受到高溫作用并且迅速冷卻，形成淬火區(qū)，其厚度與條件有關，一般為2-3倍的Rmax值。脈沖寬度越寬，向內(nèi)傳的熱量就越多，熱影響層也越厚。

4.2、表面變化層的力學性能

表面變化層的力學性能主要是指顯微硬度、殘余應力、高溫持久強度與室溫疲勞強度等指標。

顯微硬度。

電火花加工后，表面變化層變硬了還是變軟了，一直是人們所關心的問題。大量的實驗證明：工件在加工前由于熱處理狀態(tài)及加工中電參數(shù)的不同，加工后的表面變化層顯微硬度變化也不同。

殘余應力。

電火花加工和其他機械加工一樣，表面變化層都有殘余應力。表面殘余應力使材料的抗疲勞強度下降，甚至會造成表面裂紋。

表面變化層的參與應力大小和分布，主要和材料在加工前熱處理的狀態(tài)及加工時的脈沖能量有關。一般淬火鋼的表面變化層的殘余應力要比未淬火鋼的殘余應力大。

當淬火鋼的熱處理質(zhì)量不高時（如加熱溫度過高、淬火介質(zhì)選擇不當、回火不充分等）表面殘余應力更大。因此，在加工中一定要注意工件的熱處理質(zhì)量，以減少工件表面的殘余應力。

高溫持久強度與室溫疲勞強度。電火花加工后，工件表面變化層金相組織的變化影響了高溫持久強度和室溫疲勞強度。

由于轉(zhuǎn)子長時間不間斷的高速旋轉(zhuǎn)，高溫、高壓的工況條件十分嚴酷，因此需要葉輪具有高溫持久強度。

電火花加工表面存在著較大的拉應力，還可能存在顯微裂紋，因此其耐疲勞性能比機械加工的表面低許多倍。

大量實驗表明，可以通過以下兩種方式提高高溫持久強度與室溫疲勞強度：

①采用回火處理、噴丸處理等，有助于降低殘余應力，或使殘余拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?，從而提高其耐疲勞性能?/p>

②把表面變化層去掉，如磨料流拋光、機械拋光、電解拋光等表面處理方法，來改善加工后工件表面的質(zhì)量。

經(jīng)過電火花加工后的葉輪流道表面存在著變質(zhì)層，如果不去除影響葉輪材料避免的力學性能和疲勞強度。因此在電火花加工后對葉輪進行磨料流加工，以去除變質(zhì)層。

5、技術關鍵及創(chuàng)新點

采用了先進的電火花成型加工工藝，采用整體加工方式，解決了機加工方法無法實現(xiàn)的加工難題，并且沒有加工殘余應力，精度高、整體加工質(zhì)量好。

葉片的電火花成形加工有以下幾個創(chuàng)新點：

1）電極的設計思路。三元葉輪流道空間扭曲程度大，結構復雜，電極的拆分具有一定的復雜性和創(chuàng)新性，拆分為幾塊電極共同加工出葉輪的流道空間；

2）電極軌跡及夾具設計。電極的軌跡遵循簡單化設計思路。考慮葉輪的流道空間結構復雜，電極與葉輪復合運動來保證在簡單軌跡的運動下不發(fā)生干涉。

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