雙級(jí)帶葉冠渦輪盤(pán)電火花加工電極優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 昆，楊一明，申 泱，王華賓，沈 巖

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

整體式帶葉冠渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)代表了目前國(guó)際上航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。該結(jié)構(gòu)可避免高速運(yùn)行時(shí)葉片發(fā)生斷裂現(xiàn)象，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。我國(guó)新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵均采用了帶葉冠結(jié)構(gòu)，其葉片加工方式主要采用多軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工技術(shù)[1-2]。

一般的帶葉冠渦輪盤(pán)為進(jìn)出口等徑，電極設(shè)計(jì)與加工軌跡搜索相對(duì)簡(jiǎn)單。而雙級(jí)音叉整體結(jié)構(gòu)的帶葉冠渦輪盤(pán)（圖1），其中一級(jí)進(jìn)出口有一個(gè)±10°的傾角，其頂、底徑呈正反錐形（圖2）。由于兩級(jí)間距不足20 mm，導(dǎo)致電極設(shè)計(jì)受到很大的限制，電火花加工軌跡搜索過(guò)程種也極易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。為此，本文針對(duì)帶有錐度的一級(jí)渦輪盤(pán)葉片進(jìn)行了電極優(yōu)化設(shè)計(jì)，所用方法及設(shè)計(jì)思路同樣適用于二級(jí)渦輪盤(pán)。

1 電極設(shè)計(jì)方案

通常，電極設(shè)計(jì)主要分為減厚（圖3）、減高（圖4）兩種方法[3]。由于一級(jí)渦輪盤(pán)葉片通道狹窄，設(shè)計(jì)電極時(shí)需將電極拆分為左、右兩個(gè)電極（圖5），除了采用減厚設(shè)計(jì)法之外，還需進(jìn)行減高設(shè)計(jì)，而左側(cè)電極減高后的高度應(yīng)低于葉片左側(cè)通道入口的高度。由圖1可看出，葉片形狀為左右對(duì)稱(chēng)的月牙形，電極結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)軌跡也應(yīng)為左右對(duì)稱(chēng)。就設(shè)計(jì)的先后順序來(lái)說(shuō)，由于一級(jí)渦輪盤(pán)葉片左側(cè)高度小于右側(cè)，故只需優(yōu)先設(shè)計(jì)左側(cè)電極，然后通過(guò)鏡像方法得到右側(cè)電極，并進(jìn)行適應(yīng)性修改。

圖1 雙級(jí)帶葉冠渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電極設(shè)計(jì)減厚處理原理圖

圖4 電極設(shè)計(jì)減高處理原理圖

圖5 一級(jí)葉片電極剖分結(jié)構(gòu)圖

圖6 是同時(shí)采用減高和旋轉(zhuǎn)角度減厚法設(shè)計(jì)的左電極，電極最薄處僅約0.3 mm。理論上，該電極可用于加工，但考慮到放電及電極損耗，電極數(shù)量會(huì)大大增加。同時(shí)，A軸在加工過(guò)程中會(huì)一直參與旋轉(zhuǎn)伺服放電，導(dǎo)致加工效率變低，故需對(duì)電極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 A軸參與加工的左電極

2 電極優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的電極見(jiàn)圖7，電極最薄處為1 mm。為了減少加工過(guò)程中A軸放電，在搜索軌跡時(shí)，先將渦輪盤(pán)處于葉背加工位置，搜索出無(wú)干涉的加工軌跡；再根據(jù)設(shè)計(jì)電極時(shí)旋轉(zhuǎn)的角度將渦輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)相同的角度，使渦輪盤(pán)處于葉盆加工位置，并在該位置利用加工葉背的電極重新搜索加工葉盆的加工軌跡。通過(guò)這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用一個(gè)電極、兩個(gè)程序即可完成葉片通道葉背、葉盆的加工，同時(shí)由于A軸僅用于數(shù)控分度，不參與伺服放電，加工效率也得到大幅提高。此外，原工藝需使用五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工機(jī)床，改進(jìn)后只需使用四軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床外加一個(gè)數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺(tái)即可加工葉片，降低了對(duì)機(jī)床的要求。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)的左電極

為了進(jìn)一步提高加工效率，先設(shè)計(jì)使用了如圖8所示的組合電極進(jìn)行粗加工。該設(shè)計(jì)方案需分別裝夾左、右組合電極，同時(shí)需調(diào)用各自不同的加工程序，加工不方便且效率低。根據(jù)雙級(jí)渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，右側(cè)的音叉結(jié)構(gòu)在加工時(shí)會(huì)存在電極干涉。為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)了左右二合一的整體式組合電極（圖9），同時(shí)將左、右電極的加工程序合并成一個(gè)。優(yōu)化后，只需裝夾、定位一次電極、調(diào)用一次程序即可完成渦輪盤(pán)葉片的粗加工，在減少工人操作次數(shù)的同時(shí)，也消除了原左、右組合電極定位基準(zhǔn)不一致而帶來(lái)的加工誤差。

圖8 組合電極

圖9 一級(jí)左右二合一整體式組合電極

3 電極線切割加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文研究的渦輪盤(pán)為直紋葉片結(jié)構(gòu)，所以單個(gè)電極可采用單向走絲電火花線切割加工完成。優(yōu)化前的方案由于需要電極搭接，左、右電極只能采用兩塊毛坯切割完成；優(yōu)化后的方案由于左電極A、B的長(zhǎng)度不同，故可考慮將左、右電極交叉分組，在一塊毛坯上切割一次圓弧即可完成兩個(gè)電極的加工（圖10），從而減少了線切割的安裝、找正次數(shù)。

圖10 左、右電極的線切割加工示意圖

圖11 優(yōu)化前后線切割電極毛坯示意圖

由于該電極圓弧帶有錐度，采用電極桿裝夾固定時(shí)難以用螺母從底面進(jìn)行緊定，因此將電極桿附近的非放電錐度部分進(jìn)行取平設(shè)計(jì) （圖11）。優(yōu)化后，毛坯厚度減少了4 mm，且電極桿裝夾部位為平面結(jié)構(gòu)，便于采用螺母緊定電極。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙級(jí)帶葉冠渦輪盤(pán)電火花加工電極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原先的單個(gè)電極拆分為A、B兩個(gè)電極，增加了電極厚度，降低了電極損耗。將左、右單個(gè)組合電極合二為一，減少了安裝找正定位時(shí)間。將左右電極線切割用毛坯合二為一，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾切割兩個(gè)電極，提高了加工效率。