大型閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)研究

沈玉琢 ，李 鵬 ，楊立光 ，蔡延華 ，3

（ 1.沈陽鼓風(fēng)機集團有限公司，遼寧沈陽 110021；2.電火花加工技術(shù)北京市重點實驗室，北京100191；3.北京市電加工研究所，北京 100191 ）

透平機械最為核心的工件為葉輪，故透平機械也可被稱為葉輪機械。 葉輪按照數(shù)據(jù)類型可分為二元葉輪和三元葉輪。 就效率而言，三元葉輪的效率遠(yuǎn)高于二元葉輪，而閉式整體三元葉輪是在所有的葉輪類型中效率最高的。 因此，閉式整體葉輪在航空航天發(fā)動機、艦艇、核能、采礦、石油化工等領(lǐng)域使用的先進(jìn)透平機械中得到越來越多的應(yīng)用[1]。

激冷氣壓縮機主要用于新型煤化工裝置，其工藝復(fù)雜、流程長、工作條件惡劣，整個工藝流程涉及十幾種透平壓縮機， 且工作條件及介質(zhì)組分均不同，變工況要求繁多，工作時轉(zhuǎn)速高、功耗大，存在高溫、強腐蝕、重度磨損等需解決的難題。 激冷氣壓縮機的核心部件是閉式整體葉輪，這是所有類型葉輪中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的葉輪，其加工可達(dá)性差，一直是國內(nèi)外葉輪的加工難題。 本文針對激冷氣壓縮機上的大型閉式整體葉輪的加工難題，分析了制造工藝方法，最終選用電火花成形加工工藝方法，完成國內(nèi)首例直徑為730 mm 的閉式整體葉輪的加工。

1 大型閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)特點分析

圖1 是激冷氣壓縮機上的大型閉式整體葉輪三維模型圖。 該葉輪使用工況惡劣，其工作介質(zhì)中含有毒、有害成分的混合氣體和顆粒以及其他多種極強腐蝕性的成分，對葉輪材質(zhì)的耐腐蝕性、耐磨性、致密性等要求較高，因此根據(jù)荷蘭殼牌標(biāo)準(zhǔn)采用了鎳基合金材料， 但該材料的機械加工難度極大，給葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工帶來了難題。

圖1 閉式整體葉輪三維模型圖

1.1 幾何結(jié)構(gòu)特點

為便于觀察葉片和內(nèi)部流道的形狀，將圖1 所示閉式整體葉輪模型的上蓋部分去掉四分之一，得到的新閉式整體葉輪模型見圖2。 新模型幾何結(jié)構(gòu)的主要特點如下：

（1）葉輪幾何尺寸如下：直徑730.5 mm，總高度為（137±0.1） mm，葉片出口長寬尺寸為 149.5 mm×27.1 mm，流道長度為 272 mm、扭轉(zhuǎn)角度為 38°18′，葉片數(shù)量為15 個。

（2）葉片型面為空間不規(guī)則形狀，葉片在周向、徑向、軸向均有較大程度扭曲，葉片上、下緣由輪盤和輪蓋封閉，兩相鄰葉片之間在空間形成上下封閉且狹長的空間流道。

（3）葉片較薄且厚度僅有3.5 mm，葉片與頂徑、底徑之間由R2倒圓和一斜長邊過渡形成連接，具體見圖3 和圖4。

（4）進(jìn)氣口近似沿軸向和徑向開放，其形狀呈復(fù)雜、空間扭曲的“S”狀，且進(jìn)氣口軸向較寬、周向較窄；出氣口近似沿徑向開放，其形狀相對較規(guī)則，徑向投影近似梯形，且出氣口軸向較窄、周向較寬。

1.2 制造工藝難點

激冷氣壓縮機的工作條件惡劣，其工作介質(zhì)中含有毒、有害成分的混合氣體和顆粒。 該閉式整體葉輪材料選用GH4169 高溫合金， 針對該類難加工材料及其結(jié)構(gòu)特點，在加工葉輪流道時主要考慮存在以下難點[2]：

（1）由于流道型腔是空間三維結(jié)構(gòu)，在設(shè)計工具電極型面及其運動軌跡時， 需考慮干涉過切問題，該狹長結(jié)構(gòu)流道比一般的三維型腔復(fù)雜得多。

（2）葉間流道長，只有兩端開口且扭曲程度大，由于受到進(jìn)、 出口形狀及其尺寸和扭曲變化的限制，刀具的可達(dá)性極差，再加上材料為難加工材料，刀具磨損大、機加工特性差，即使采用多軸聯(lián)動電火花成形加工，若想用一個成形工具電極或者兩個成形工具電極對接，都無法完成加工，因此需設(shè)計多個工具電極和對應(yīng)的多組數(shù)控運動。

圖2 去掉1/4 部分上蓋的閉式整體葉輪模型

圖3 葉片厚度僅有3.5 mm

圖4 葉片與頂徑、底徑的連接形式

（3）在設(shè)計每個工具電極的型面及其運動軌跡時，還必須注意基準(zhǔn)的統(tǒng)一以及注意消除因?qū)佣a(chǎn)生的接痕等問題，而且在所有加工工序中，如基準(zhǔn)球設(shè)定、工具電極基準(zhǔn)面設(shè)定、流道相對葉輪的位置等基準(zhǔn)必須互相協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2 閉式整體葉輪加工工藝

目前， 閉式整體葉輪加工方法主要有三種：五坐標(biāo)加工中心整體加工工藝方法、輪盤和輪蓋組合“三大件焊接”或“兩大件焊接”加工工藝方法、整體電火花成形加工工藝方法。

2.1 五坐標(biāo)加工中心整體加工工藝方法

如圖5 所示，五坐標(biāo)加工中心的整體銑制工藝方法適合氣體流道較寬的閉式整體葉輪，加工時刀具能加工到葉輪的所有部位，無加工死角；同時，整體銑制的閉式整體葉輪在材料選擇方面特別敏感，極難加工GH4169 材料， 對此國內(nèi)外也還沒有成熟的加工方案。

圖5 整體銑制加工實物圖

另外， 整體銑制閉式整體葉輪加工的周期較長、工藝復(fù)雜且對于葉輪出口寬度較小的閉式整體葉輪還無法實現(xiàn)加工制造。

2.2 “三大件焊接”或“兩大件焊接”加工

制造閉式整體葉輪的另一種加工工藝方法就是“三大件焊接法”或“兩大件焊接法”[3]。 但對于大直徑、出口寬度較小、狹長流道的閉式整體葉輪，這兩種工藝方法都存在焊接可達(dá)性極差的問題。

圖6 是采用“兩大件焊接法”制作的閉式整體葉輪實例。 第一步，采用數(shù)控車床加工出符合要求的輪蓋型線（圖7），采用五坐標(biāo)加工中心五軸聯(lián)動加工出符合要求的輪盤及葉間流道（圖8），且葉片型線需與輪蓋型線配合良好；第二步，將輪盤和輪蓋按加工基準(zhǔn)組合在一起焊接，保證葉輪的出口和入口高度；第三步，焊接后消除應(yīng)力，防止葉輪由于焊接熱量而產(chǎn)生變形；第四步，修磨、光順焊腳，保證閉式整體葉輪的加工圓角和表面質(zhì)量； 第五步，檢查焊縫，不得有開裂、兩流道之間漏氣現(xiàn)象。

圖6 焊接法制作閉式整體葉輪的照片

圖7 閉式葉輪的輪蓋圖

2.3 整體電火花成形加工

圖8 閉式葉輪的輪盤圖

五軸聯(lián)動電火花成形加工工藝方法是目前國際上公認(rèn)的制作難加工材料、大直徑、出口寬度較小、流道狹長、扭曲度大的閉式整體葉輪最有效的方法。 特別是飛速發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)，很好地解決了數(shù)字化建模、工具電極設(shè)計與加工過程模擬仿真等技術(shù)難題。 在閉式整體葉輪整個設(shè)計和工藝制作流程中，充分利用數(shù)字化技術(shù)，采用統(tǒng)一的工藝基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳遞， 在UG、SolidWorks 軟件平臺上通過二次開發(fā)，大幅度提高了工藝設(shè)計效率、減少了試驗工作量[4]。

3 大型閉式整體葉輪的電火花成形加工

下面以前述直徑為730.5 mm 的大型閉式整體葉輪為例，簡述電火花成形加工實現(xiàn)過程。

3.1 加工條件

采用N1880 型五軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形機床進(jìn)行加工，分別以紫銅和石墨作為工具電極材料， 以LP-200 數(shù)控電火花加工專用煤油作為工作液，部分電火花加工參數(shù)見表1。

表1 部分電火花加工參數(shù)

3.2 加工實施

（1）三元閉式葉輪流道粗加工。 該工序主要目標(biāo)盡量減少加工時間，去除閉式整體三元葉輪粗加工余量。 一般情況下，在流道出口和流道進(jìn)口各采用一個工具電極來完成加工， 工具電極材料為紫銅，可采用往復(fù)走絲電火花線切割或機加工制作。

（2）三元閉式葉輪半精加工。 該工序主要目的是使閉式三元葉輪形成葉輪輪廓，為精加工留出加工余量（一般為0.3～0.5 mm），為此在三元葉輪流道進(jìn)口設(shè)計了左、右兩個工具電極（圖9），在流道出口設(shè)計了一個類似鐮刀狀的工具電極（圖10）。

圖10 半精加工的工具電極

（3）三元閉式葉輪精加工。 該工序的主要目標(biāo)是完成整體閉式三元葉輪葉片 （葉輪入口圓頭、葉輪出口圓頭、壓力面和吸力面）的加工，以保證整體閉式三元葉輪出口高度等尺寸精度、位置精度及表面粗糙度的要求。。

工具電極材料為石墨時，需采用專用的石墨加工機床進(jìn)行制作。 其中，圖10 所示鐮刀狀工具電極的制作較難，其長度339.6 mm、寬度169.1 mm、厚度約11.3～23.1 mm， 外形扁長且厚度呈曲線變化，在制作過程中要充分考慮切削力和材料內(nèi)應(yīng)力引起的變形，以保證工具電極的制作精度。

再者，電火花成形加工需解決三個難題：一是鐮刀狀工具電極的長厚比為339.6/11.3≈30.1，只要電火花加工中的深徑比≥10 就屬于深孔加工，此時蝕除速度與排屑速度之間的矛盾會更加突出；二是由于葉輪直徑大， 只能安裝于機床的X、Y 平面，鐮刀狀工具電極也只能在X、Y 平面安裝，故在加工出口時就需沿X、Y 平面進(jìn)行側(cè)向伺服加工，而通常Z軸垂直伺服加工優(yōu)于X、Y 軸側(cè)向伺服加工，尤其是在使用這種鐮刀狀扁長工具電極時；三是鐮刀狀工具電極扁長、端頭厚，最易產(chǎn)生低頭變形現(xiàn)象，這就需要通過工具電極的找正和在線檢測功能進(jìn)行補償，以達(dá)到葉間流道的加工精度。

3.3 加工結(jié)果

完成精加工后， 本研究對葉輪流道尺寸精度、位置精度和表面粗糙度進(jìn)行了檢測。

（1）葉輪流道尺寸精度、位置精度檢測

檢測項目包括：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。 檢測方法是：利用數(shù)控機床在線檢測功能和標(biāo)準(zhǔn)計量球?qū)γ總€流道進(jìn)行檢測； 為真實反映流道加工精度、減少檢測誤差，針對每一檢測項目選取2～5 個位置進(jìn)行檢測。 結(jié)果顯示，流道形狀誤差在±0.10 mm 之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

（2）表面粗糙度和表面質(zhì)量檢測

表面粗糙度采用比對法進(jìn)行檢測，結(jié)果可達(dá)到Ra3.2 μm；表面質(zhì)量采用目測法檢測，可見表面有輕微電極接痕，尺寸在0.05 mm 以內(nèi)，效果較理想。

4 結(jié)束語

本文針對閉式整體葉輪制造的技術(shù)難題，分析對比了五坐標(biāo)加工中心整體加工工藝方法、輪盤和輪蓋組合“三大件焊接”或“兩大件焊接”加工工藝方法、整體電火花成形加工工藝方法，研究并實現(xiàn)了五軸數(shù)控電火花成形加工技術(shù)工藝方法，對其中的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)控電火花加工工具電極設(shè)計與制作、在線檢測等進(jìn)行了研究和工藝試驗，成功完成國內(nèi)首例直徑大于700 mm 的大型閉式整體葉輪的制造。 此前，該葉輪無法通過數(shù)控銑制整體制作。研究表明，以數(shù)控電火花成形加工為核心的數(shù)字化制造技術(shù)，能優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、快速響應(yīng)地解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、扭曲程度大的二元或三元流道閉式葉輪整體制造技術(shù)難題，對石油、化工、煤化工、采礦、核能及新型航空航天發(fā)動機等工業(yè)用大型動力裝置的研制及生產(chǎn)具有積極促進(jìn)作用和重要應(yīng)用前景。