大柵距等錐形帶葉冠渦輪盤電火花加工電極優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 昆，白 淳，呂 琳，馬海鵬，沈 巖

（1.首都航天機(jī)械公司，北京100076；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

大柵距等錐形帶葉冠渦輪盤電火花加工電極優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 昆1，白 淳1，呂 琳2，馬海鵬1，沈 巖1

（1.首都航天機(jī)械公司，北京100076；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

以某型號(hào)大柵距等錐形帶葉冠渦輪盤電火花加工電極設(shè)計(jì)為例，分析了原電極設(shè)計(jì)的不足并進(jìn)行了改進(jìn)，給出了簡化的加工軌跡搜索方法，實(shí)現(xiàn)了電極優(yōu)化設(shè)計(jì)與加工軌跡快速搜索，大大縮短了電極設(shè)計(jì)的時(shí)間。

大柵距；帶葉冠渦輪盤；電火花加工；電極；軌跡搜索

整體式帶葉冠渦輪盤加工技術(shù)是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的核心制造技術(shù)之一。我國新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的噴嘴葉柵環(huán)采用了帶葉冠結(jié)構(gòu)，目前主要采用多軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工技術(shù)進(jìn)行葉片加工[1-2]。普通結(jié)構(gòu)的葉柵環(huán)進(jìn)出口等徑，電極設(shè)計(jì)和程序搜索相對簡單，而本文討論的葉柵環(huán)不僅電極跨度大，而且進(jìn)出口各有一個(gè)10°的傾角，頂?shù)讖匠叔F形（圖1），這不但增加了電極設(shè)計(jì)難度，而且電火花加工軌跡搜索相對于普通結(jié)構(gòu)也變得更復(fù)雜。

1 電極設(shè)計(jì)方案

圖1 大柵距等錐形噴嘴葉柵環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

一般，電極設(shè)計(jì)主要分為減厚（圖2）、減高（圖3）二種方法。前者對于直紋葉片、彎扭葉片均推薦優(yōu)先采用，而后者一般用于直紋葉片的電極設(shè)計(jì)[3]。對于葉片跨距大、葉片通道細(xì)而狹長的帶葉冠渦輪盤，為了完成整個(gè)葉片通道的加工，一般需設(shè)計(jì)成左、右2個(gè)電極[4]。對于進(jìn)出口等徑的噴嘴葉柵環(huán)，電極設(shè)計(jì)單獨(dú)采用減厚或減高方法均可，而對于圖1所示的等錐結(jié)構(gòu)，如果僅采用減厚設(shè)計(jì)法，則搜索軌跡時(shí)左電極會(huì)與葉冠發(fā)生干涉，右電極會(huì)與輪轂發(fā)生干涉；如果僅采用減高設(shè)計(jì)法，為了保證電極前后的搜索空間，需將左電極整體減高，即不但頂徑需減小，且底徑相應(yīng)要增大，這樣設(shè)計(jì)的電極就會(huì)變得較薄。圖4是用減高法、按頂徑減小3 mm、底徑增大3 mm設(shè)計(jì)的左電極。圖5是對應(yīng)的CAD/ CAM軟件自動(dòng)搜索的代碼結(jié)果。

圖2 電極設(shè)計(jì)減厚處理原理圖

圖3 電極設(shè)計(jì)減高處理原理圖

圖4 用減高法設(shè)計(jì)的左電極

圖5 減高法設(shè)計(jì)左電極的軌跡搜索結(jié)果

由上述分析可知，為了在保證電極厚度盡量大的前提下給電極留出足夠的運(yùn)動(dòng)空間，采用減厚+減高的設(shè)計(jì)方式較合適。雖然用組合設(shè)計(jì)方法會(huì)使電極的工藝設(shè)計(jì)及加工軌跡搜索變得復(fù)雜[5]，但優(yōu)點(diǎn)是能保證設(shè)計(jì)出來的電極厚度最大。

2 電極優(yōu)化設(shè)計(jì)與加工軌跡搜索

圖6是采用旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)1°減厚、同時(shí)頂?shù)讖綔p高0.3 mm設(shè)計(jì)的左電極。可看出，電極厚度明顯比圖4所示單獨(dú)用減高法設(shè)計(jì)的電極大。

圖6 用減高+減厚方法設(shè)計(jì)的左電極

利用渦輪盤CAD/CAM軟件進(jìn)行左電極加工軌跡搜索，直線軸步長默認(rèn)設(shè)置為0.1 mm，旋轉(zhuǎn)軸步長設(shè)置為0.1°，搜索結(jié)果見圖7。可看出，搜索電極加工軌跡時(shí)只有X、Z、V軸參與運(yùn)動(dòng)。分析圖1所示結(jié)構(gòu)可知，實(shí)際電極運(yùn)動(dòng)時(shí)，X、Z軸應(yīng)存在固定的等比關(guān)系，即Z=X·tan10。因此，在CAD/CAM軟件中增加了參數(shù)方程搜索方式 （圖8），3個(gè)直線軸可通過設(shè)置不同的參數(shù)方程來增加限定搜索條件。

圖7 減高+減厚方法設(shè)計(jì)左電極的軌跡搜索結(jié)果

圖8 參數(shù)方程搜索方式設(shè)置界面

重新利用渦輪盤CAD/CAM軟件進(jìn)行加工軌跡搜索，直線軸步長默認(rèn)設(shè)置為0.1 mm，旋轉(zhuǎn)軸步長設(shè)置為0.1°，搜索方式選擇參數(shù)方程法，參數(shù)設(shè)置見圖8，搜索成功后的代碼見圖9。

Electrode Optimal Design for EDM Large Lattice Spacing Shrouded Blisk with Same Direction Cone

Zhang Kun1，Bai Chun1，Lyu Lin2，Ma Haipeng1，Shen Yan1
（1.Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China；2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

By electro-discharge machining (EDM)electrode design of the large lattice spacing shrouded blisk with same direction cone in a certain model as an example，the design deficiency of former electrode is analyzed and improved.Through giving the searching method of simplified process path，the electrode design optimization and fast searching of process path are realized，which enormously reduced the time of electrode design.

large lattice spacing；turbine blisk with shrouded；EDM；electrode；path searching

TG661

A

1009－279X（2016）06－0023-02

2016-06-25

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014ZX04001-111）

張昆，男，1976年生，研究員。