用于高速電弧放電加工的疊片電極

王春亮，顧 琳，趙萬生

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

用于高速電弧放電加工的疊片電極

王春亮，顧 琳，趙萬生

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

針對(duì)復(fù)雜形狀的閉式、半開式渦輪葉盤的高效加工需求，提出了一種應(yīng)用于高速電弧放電加工的新型疊片電極。將與成形電極形狀對(duì)應(yīng)的多層電極疊在一起，在每層電極表面加工出特殊設(shè)計(jì)的流道，從而為電弧加工所需的強(qiáng)內(nèi)沖液提供流道，以保障高速電弧放電加工所需的流體動(dòng)力斷弧。利用疊片電極的沖液孔，可施加高速工作液流場，對(duì)放電過程中的電弧拉長甚至切斷，同時(shí)帶走熱量及碎屑，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速電弧放電加工的有效控制。對(duì)疊片電極的設(shè)計(jì)建模進(jìn)行了介紹，包括外形及內(nèi)部流道孔槽的設(shè)計(jì)，通過進(jìn)給軌跡優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了特定形狀的沉入式加工，并進(jìn)行了高速電弧放電加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了疊片電極加工閉式零件型腔的可行性，為后續(xù)工作提供了有價(jià)值的理論及參考數(shù)據(jù)。

疊片電極；高速電弧放電加工；內(nèi)沖液；閉式葉盤；流道

在航空航天領(lǐng)域中，渦輪盤等零件長期工作在復(fù)雜惡劣的條件下，這就要求材料本身具備良好的耐高溫、高強(qiáng)度特性，如鈦合金、鎳基高溫合金等［1］。但這些難切削材料會(huì)對(duì)傳統(tǒng)切削加工帶來一定的挑戰(zhàn)，引起刀具磨損嚴(yán)重等問題［2］；而非傳統(tǒng)加工方式（如電火花、電化學(xué)加工等）則體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。通過高速電火花銑削和電弧放電加工，應(yīng)用管狀電極加工Ti6Al4V，當(dāng)峰值電流為700 A時(shí)，加工效率可達(dá)21 494 mm3/min［3-4］。高速電弧放電銑削技術(shù)也在合金材料加工方面體現(xiàn)出較高的效率，并實(shí)際應(yīng)用于開式渦輪葉盤的加工［5-6］。

高速電弧放電加工（BEAM）［7］作為一種新型的特種加工技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的電火花加工，它通過電弧放電而非電火花來去除材料。由于電弧的能量密度高于電火花，所以能在單位時(shí)間內(nèi)去除更多的材料，加工效率顯著提高。如加工鎳基高溫合金時(shí)，采用500 A的峰值電流即可獲得14 400 mm3/min的加工效率［8］。由于BEAM不易受工件強(qiáng)度的影響，因此是一種潛在的經(jīng)濟(jì)高效、適合于難切削材料大余量去除的加工方式。

BEAM的電極形式主要包括集束電極［9］、指狀多孔電極［8］和多孔成形電極［8］等。集束電極是將多個(gè)中空?qǐng)A柱單元電極固定在一起，端部形狀近似為所需加工型腔表面的形狀，通常進(jìn)行沉入式加工，單元電極中間的孔道用于提供內(nèi)沖液效果。指狀多孔電極同樣有貫穿整個(gè)電極的通孔，可為加工提供內(nèi)沖液；用指狀多孔電極進(jìn)行BEAM加工時(shí)，進(jìn)給方式以類銑削式、可對(duì)開式和部分半開式輪廓特征進(jìn)行加工。多孔成形電極為中間加工若干沖液孔的成形電極，采用沉入式BEAM加工成形。

未來新一代大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將采用具有大柵距的渦輪葉盤類零件，其型腔為復(fù)雜流道。采用目前的銑削-電火花組合加工工藝很難突破效率的瓶頸，故需探索采用BEAM進(jìn)行高效加工的可行性。在用電加工方法加工此類流道時(shí)，必須采用專門設(shè)計(jì)的成形電極沿著特定軌跡掃掠加工，電極形狀較復(fù)雜，且無法應(yīng)用集束電極的方法實(shí)現(xiàn)，而高速電弧放電加工所需的強(qiáng)大內(nèi)沖液又要求電極內(nèi)部有較多的沖液孔，現(xiàn)有的加工方法無法直接制備出滿足該要求的多孔電極，這就對(duì)BEAM電極的設(shè)計(jì)和制造提出了新的挑戰(zhàn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用疊片電極的形式能很好地解決上述問題。疊片電極是一種具有多孔成形電極的外形和功能、用多層片狀電極疊加緊固而成的、適用于復(fù)雜流道加工的專用電極。因?yàn)锽EAM的核心機(jī)制是流體動(dòng)力斷弧，高速工作液流場對(duì)電極與工件之間放電產(chǎn)生的電弧施加力的作用，電弧等離子體在側(cè)向流體動(dòng)力的作用力下產(chǎn)生偏移、拉長直至切斷，所以要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速電弧放電加工，沖液是必不可少的前提條件［7］。因此，在設(shè)計(jì)疊片電極時(shí)，如何形成高速內(nèi)沖液所需的沖液孔是關(guān)鍵所在。本文提出的疊片電極，其每一層的表面都有流道槽，從工作液入口貫穿至電極端部出口，多層疊片電極的流道槽相匹配而構(gòu)成沖液孔，能在電弧放電加工時(shí)提供高速內(nèi)沖液。此外，沖液還能在加工過程中帶走碎屑，起到冷卻降溫的作用。

本文提出了應(yīng)用于加工三維閉式葉盤流道的疊片電極，詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)理論、加工方法，并結(jié)合BEAM進(jìn)行了加工可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，探索出疊片電極與BEAM結(jié)合的工藝參數(shù)，給出了有價(jià)值的設(shè)計(jì)理論及試驗(yàn)參數(shù)。

1 疊片電極的制作

疊片電極由多個(gè)電極層層相疊而成，它與一體成形電極的外形相同（圖1），且在每層電極表面都可按需加工出流道槽，故其核心就在于電極內(nèi)部有從沖液入口到電極端部的流道槽。不同于集束電極或多孔電極的直孔流道，疊片電極中的流道槽母線和界面形狀均可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果而改變，流道整體設(shè)計(jì)為入口寬闊、出口縮窄的形式（圖2）。因此，多層疊加后形成的流道能滿足BEAM加工過程中所需的高速內(nèi)沖液要求，甚至可獲得比采用其他直孔流道電極更好的沖液效果。

圖1 疊片電極整體模型

圖2 疊片電極內(nèi)部分層、流道設(shè)計(jì)

1.1 疊片電極的設(shè)計(jì)

疊片電極的設(shè)計(jì)分為2個(gè)階段：電極整體外形設(shè)計(jì)和疊片分層的內(nèi)部容腔及流道槽設(shè)計(jì)。

（1）電極整體外形模型的獲取

首先根據(jù)所需加工的閉式渦輪葉盤模型，通過體求差減去渦輪葉盤的實(shí)體，經(jīng)修剪得到渦輪葉盤流道的模型，即對(duì)應(yīng)待去除部分的形狀，綜合考慮放電間隙及加工余量后進(jìn)行縮減，即可得到實(shí)際的電極三維模型，也是疊片電極的整體模型。

高情千古一真隱——陶淵明的隱逸思想和隱逸生活探析………………………………………………………………………李蘭東（3.49）

（2）實(shí)體電極分層化及流道設(shè)計(jì)

將疊片電極進(jìn)行分層，設(shè)計(jì)其內(nèi)部工作液容腔及流道槽，整體設(shè)計(jì)見圖2a。考慮到流道孔的密度及電極強(qiáng)度，設(shè)置每層6～8 mm，且每層疊片電極的表面設(shè)計(jì)有從末端貫穿至前端的流道。流道入口處形狀為內(nèi)徑14 mm的圓形，用于連接沖液系統(tǒng)，保證流量的充足；中部設(shè)計(jì)有工作液容腔，以減小流體沿程阻力，容腔截面為矩形，寬度為25 mm，深度由6 mm過渡至2 mm；電極后半部的流道分叉為多個(gè)寬度為2 mm的流道槽，出口尺寸為2 mm×2 mm（圖2b），這樣設(shè)計(jì)的目的是為了提高出口沖液流速，使BEAM加工時(shí)形成高速?zèng)_液流場，保證流體動(dòng)力斷弧的條件。

1.2 疊片電極的加工

疊片電極材料為石墨。選擇該材料是因?yàn)樗哂休^高的熔點(diǎn)及良好的導(dǎo)熱性能，在加工過程中，電極要能承受電弧放電加工引起的高溫；但石墨較脆的特性也給加工帶來一定的困難，這里采用精密銑削流道和單向走絲線切割輪廓的方式進(jìn)行加工。

對(duì)于電極內(nèi)部的流道槽、孔、容腔等特征，采用銑削加工的形式。先在Makino E33石墨加工中心上用石墨專用銑刀對(duì)疊片電極的每一層進(jìn)行平整加工并加工流道。隨后，將多層疊片電極疊在一起，用Makino U32j線切割機(jī)床加工外部輪廓，從而獲得良好的尺寸精度及表面粗糙度。加工完成后的疊片電極實(shí)物見圖3。

圖3 疊片電極加工實(shí)物圖

2 高速電弧放電加工試驗(yàn)

為了驗(yàn)證疊片電極加工閉式葉盤流道的可行性，基于前期高速電弧放電加工經(jīng)驗(yàn)，選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)進(jìn)行了高速電弧放電加工試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

圖4 試驗(yàn)裝置

BEAM試驗(yàn)參數(shù)見表1。為獲得更高的加工效率，選用工件正極性加工方式［8］。為了保證加工的一致性，電流參數(shù)等在BEAM試驗(yàn)中沒有改變。

表1 加工參數(shù)

2.2 進(jìn)給路徑設(shè)計(jì)

加工閉式形狀的一個(gè)問題是當(dāng)電極深入工件內(nèi)部時(shí)，易出現(xiàn)短路。為了保證良好的沖液效果，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加工，本文采用搖動(dòng)進(jìn)給的方式，即電極沿Y方向每進(jìn)給5 mm，便在X、Y、Z方向依次平動(dòng)±1 mm。這樣，在電極周圍與工件形成了1 mm的間隙，有利于碎屑隨沖液排出，同時(shí)不會(huì)使電極端部的沖液孔阻塞，從而實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力斷弧的BEAM沉入式加工。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

高速電弧放電加工試驗(yàn)后的工件見圖5。試驗(yàn)成功地加工出一個(gè)流道，驗(yàn)證了疊片電極結(jié)合BEAM用于閉式渦輪葉盤的可行性。加工效率可通過單位時(shí)間內(nèi)去除的工件材料體積計(jì)算得到。在本試驗(yàn)中，加工效率超過2560 mm3/min，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電火花加工效率。

加工后的石墨電極見圖6。通過計(jì)算加工前、后的質(zhì)量損失，可得損耗的電極體積占加工去除工件材料的體積比為4.5%。

圖5 BEAM試驗(yàn)后的工件閉式流道

圖6 BEAM試驗(yàn)后的電極

從示波器采集的電壓電流波形圖可看出，加工放電狀態(tài)較穩(wěn)定（圖7）。試驗(yàn)選取的是恒定200 A峰值電流及恒定脈寬脈間的模式。

圖7 放電波形圖

切取加工后的樣件，沿側(cè)面制樣、腐蝕，由圖8可見，熱影響層平均約為63 μm。這是由于BEAM過程中產(chǎn)生的大量熱量使疊片電極和工件的溫度升高，而沉入式加工的冷卻效果不如在開敞空間中，因此，工件加工表面的熱影響區(qū)厚度稍大于采用集束電極或指狀多孔電極加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)，但仍明顯優(yōu)于同等能量下的電火花加工效果。

圖8 工件金相圖

4 結(jié)論與展望

本文提出了一種新型疊片電極應(yīng)用于高速電弧放電加工的技術(shù)，詳細(xì)介紹了疊片電極的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了疊片電極用于閉式渦輪葉盤流道的可行性，達(dá)到了較高的加工效率和較低的電極損耗率。同時(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證了沖液在高速電弧放電加工中的重要性和流體動(dòng)力斷弧核心機(jī)制在高速電弧放電加工中的核心作用。由于本次驗(yàn)證試驗(yàn)采用的能量較小，加工效率仍有進(jìn)一步提升的空間，工件損耗也可進(jìn)一步優(yōu)化，后期將深入開展加工方式對(duì)工件金相等影響規(guī)律的研究。

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Laminated Electrode Applied in Blasting Erosion Arc Machining

Wang Chunliang，Gu Lin，Zhao Wansheng
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University/State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai 200240，China）

According to the machining requirements of shrouded turbine blisks with complex shapes，a new laminated electrode to perform blasting erosion arc machining（BEAM）is proposed.The laminated electrode is composed of multiple electrode layers which formed the required outline of the corresponding solid electrode for die-sinking machining.Special designed flow channels are machined on the surface of each electrode layer，therefore the dielectric fluid can flow through to provide intensive inner flushing and enable the hydrodynamic force to break the arc during BEAM process.The flow holes on laminated electrode are helpful to flush heat and debris away from the gap，which can make the arc machining process stable.The design of laminated electrode including the outline geometry and inner flow channels is discussed.By feeding in a proper path，die-sinking BEAM was realized in the experiment.This process is practical to machine turbine blisks with semi-closed cavities，and useful theory and data is given for reference of further research.

laminated electrode；blasting erosion arc machining；inner flushing fluid；shrouded blisks；flow channels

TG661

A

1009－279X（2015）06－0006-04

2015-09-17

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51235007，51575351）

王春亮，男，1990年生，碩士研究生。