閉式整體葉盤成組電極高效電弧成形加工技術(shù)

賈雨超，遲關(guān)心，張昆，張甲，王振龍,*

1. 哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001 2. 首都航天機械有限公司，北京 100076

以渦輪盤、導(dǎo)向葉柵為代表的葉盤類零件是航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵產(chǎn)品，其設(shè)計制造工藝往往決定了由它構(gòu)成的飛行器動力系統(tǒng)的綜合性能。按照葉片與盤體連接方式，葉盤零件可分為組合式與整體式2種：前者葉片與盤體通過榫頭連接，易于維護，也便于采用帶有冷卻功能的空心葉片，常見于大涵道比航空發(fā)動機；后者葉片與盤身一體，在減輕質(zhì)量的同時還避免了榫頭處逸流損失和結(jié)構(gòu)失效的風險，在整機集成度、輕量化要求更高的彈用渦噴、低涵道比渦扇發(fā)動機以及液體火箭燃料泵中更為常見。在此基礎(chǔ)上，采用帶葉冠的閉式流道設(shè)計，既可增強葉片剛性，又能消除葉尖損失從而獲得更高的效率。擁有眾多優(yōu)點的閉式整體葉盤卻也因特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為典型的難加工產(chǎn)品。一方面，該類零件往往選擇高溫性能優(yōu)異的鎳基合金、鈦合金材料。這些材料賦予產(chǎn)品高性能的同時也為加工帶來了困難。另一方面，許多含有葉冠(葉罩)的閉式整體葉盤，其流道幾何彎扭而狹長，加工開敞性很差。使用多軸聯(lián)動銑削加工時存在刀具可達性受限、刀具磨損率過高等問題。考慮到工藝效能，實際生產(chǎn)中通常采用電火花放電加工或電化學加工工藝，以葉片型面為基礎(chǔ)設(shè)計成形電極，完成葉盤流道開粗與葉片型面精修加工。目前，閉式整體葉盤制造的主要問題在于加工效率低，常常成為制約整機產(chǎn)品交付的瓶頸。因此，研究提升其加工效率的方法具有非常重要的意義。

采用電火花加工方法制作閉式整體葉盤時，流道貫穿前粗加工效率低下的問題尤為突出。這是由于在該過程中，電極隨加工進行而不斷深入毛坯實體，流道貫穿前電極與未貫穿的流道實體構(gòu)成的放電間隙深寬比高且形狀彎曲，對放電蝕除物的排出非常不利。目前解決該問題的主要途徑包括：改進極間沖液條件、引入輔助進給動作、優(yōu)化進給平順性以及采用成組電極進行多流道并行加工。

具體而言，在電極或葉盤毛坯中預(yù)制通孔，實現(xiàn)加工間隙工作介質(zhì)的主動循環(huán)，可以降低間隙內(nèi)蝕除產(chǎn)物的濃度，提高放電穩(wěn)定性。相關(guān)報道中該類措施一般可將加工時間縮短15%～20%。在電極進給過程中引入電極的擺動或攝動(圍繞流道深度方向的小幅度運動)等輔助運動，則可增加平均放電間隙，減小極間沖液阻力，同樣可改善間隙介質(zhì)循環(huán)條件、增強放電穩(wěn)定性從而提高加工效率。實驗結(jié)果顯示擺動/攝動的幅度和周期是決定效率提升幅度的主要因素，依據(jù)具體葉盤結(jié)構(gòu)與加工軌跡，效率提升最高可達25.9%。優(yōu)化進給平順性則是通過采用廣義單位弧長增量插補、軌跡插值點稀疏化等處理手段，解決放電加工伺服系統(tǒng)中由于旋轉(zhuǎn)軸、直線軸位移單位不統(tǒng)一或多軸進給軌跡插補直線段細分造成的實際進給速率波動問題，實現(xiàn)放電伺服的平穩(wěn)和連續(xù)。使用帶有多個電極頭的成組電極實施多個流道并行加工，則可通過增加放電面積進一步提升脈沖利用率，減少更換電極等輔助操作，縮短工藝時間從而提高加工效率。

上述4種方法提升加工效率的原理可總結(jié)為減少無效放電時間、提高材料去除率以及縮短工藝輔助操作時間3個方面。實際應(yīng)用中采用上述措施，電火花放電的加工潛力得以充分發(fā)揮，可基本滿足中小尺寸(盤體直徑≤200 mm)閉式整體葉盤的加工需求。

面對大直徑、大柵距的閉式整體葉盤零件更大的粗加工去除余量，已經(jīng)很難繼續(xù)通過改善放電加工條件的途徑克服電火花加工工藝效率不足的問題，迫切需要從原理上尋找進一步提升材料去除速率的解決方法。在極間施加高速沖刷介質(zhì)的條件下，以毫秒級脈沖電弧放電代替?zhèn)鹘y(tǒng)火花放電的高效電弧放電加工技術(shù)近年來在高溫合金、鈦合金加工領(lǐng)域取得了積極的成果。該類技術(shù)利用電弧放電產(chǎn)生的高熱流密度等離子體弧柱熱源，在高速流體沖刷、極間運動等輔助措施避免弧柱駐留造成燒蝕的條件下，可以將鎳基高溫合金、鈦合金加工的材料去除率提升至2 000～10 000 mm/min以上，遠高于常規(guī)電火花加工和切削加工。大直徑、大柵距葉盤的去除余量為該工藝的實施提供了有利條件。國內(nèi)外已有采用電弧放電銑削結(jié)合機械銑削加工開式整體葉輪的先例。利用高效電弧銑削加工進行粗加工，整體用時縮短約50%～60%，同時顯著降低刀具成本。在閉式整體葉盤流道中使用多個電極疊片組合構(gòu)成的內(nèi)沖液成形電極實現(xiàn)電弧加工的初步嘗試也證明該方法原理可行，具有良好的應(yīng)用潛力。本文作者曾提出一種基于提取流道最大回轉(zhuǎn)包容體的弧形等截面電極設(shè)計方法，以一款大柵距閉式整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)進行加工試制。結(jié)果顯示，在流道貫通前的粗加工階段電弧加工材料去除率可達常規(guī)電火花加工材料去除率的5～6倍，具有可觀的性能優(yōu)勢。

為進一步發(fā)掘高效電弧放電加工閉式整體葉盤的性能潛力，本文在電火花加工成組電極基礎(chǔ)上，設(shè)計一種用于電弧放電多流道并行加工的內(nèi)沖液成組電極。與常規(guī)電火花加工相比，高效電弧放電加工性能更加依賴極間沖液條件。而現(xiàn)有閉式葉盤加工的相關(guān)報道中鮮見帶有內(nèi)沖液功能的成組電極設(shè)計先例。因此，首先從工藝原理角度分析了成組電極的設(shè)計需求，結(jié)合大柵距葉盤結(jié)構(gòu)特點提出一種成組電極設(shè)計方法。然后使用流體仿真工具對成組電極內(nèi)部“一進多出”的通道結(jié)構(gòu)進行改進。通過優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)降低壓力損失，調(diào)整沖液通道各個分支截面尺寸，解決了成組電極各分支流量均一性問題。最后通過試制一款閉式整體葉環(huán)，驗證了該方法的實際效果。結(jié)合試制過程測算得到的材料去除率、電極損耗率，與此前單流道電弧加工和常規(guī)電火花加工工藝性能進行了對比分析。

1 電弧放電多流道并行加工原理分析

圖1為高效電弧放電加工的原理示意圖。根據(jù)相關(guān)文獻，目前一般認為實施高效電弧放電加工的基本原理是利用動態(tài)轉(zhuǎn)移狀態(tài)下的高熱流密度電弧熱源熔融被加工材料，借助熔池內(nèi)的金屬蒸汽壓力和弧柱熱源轉(zhuǎn)移后壓力下降產(chǎn)生爆沸的體積膨脹力帶走熔融材料，實現(xiàn)材料去除。與火花放電相比，這種放電狀態(tài)中熔池更大，熔池內(nèi)被有效去除的熔融金屬比例也顯著提高，因而可以獲得遠高于前者的材料去除率。理想情況下，這種加工的放電伺服功能應(yīng)確保熔融過程和去除過程形成動態(tài)平衡，且能實時監(jiān)測去除物顆粒粘附引起瞬時短路狀態(tài)，實施保護動作。

圖1 高效電弧放電加工的原理Fig.1 Principle of high-efficiency arc machining

根據(jù)原理分析可知，與常規(guī)電火花放電加工不同，利用電弧放電的高效放電銑削和成形加工首先需要避免弧柱熱源集中駐留引起工件燒蝕損壞，極間相對運動和流體介質(zhì)沖刷是實現(xiàn)該目標的必要條件。與開式葉盤相比，閉式整體葉盤的流道結(jié)構(gòu)難以允許電極旋轉(zhuǎn)或大幅度振動，因此在電極設(shè)計階段必須充分提高流體介質(zhì)沖刷效率。其次，高熱流密度的等離子弧柱雖然提供了可觀的材料熔化能力，但提高材料去除率還需要保證熔融材料及時、充分地離開加工區(qū)域。電弧加工實踐表明，部分熔融材料離開熔池后在工作介質(zhì)冷卻下會重新粘接、附著于電極和工件表面。隨著間隙幾何深寬比和曲率的增加，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯。因此，電極設(shè)計還需設(shè)法增加加工中形成的平均放電間隙，同時盡可能降低間隙幾何深寬比和曲率。

與此前設(shè)計的單頭弧形電極相比，沿盤體軸線方向“直進直出”的成組電極進給自由度受限，一般將流道實體沿盤體軸向分割為進氣端、排氣端2段，從兩側(cè)分別加工。如圖2所示，與多流道加工相比，單流道加工的加工名義深度更大，而加工間隙幾何的最小曲率半徑，側(cè)向加工間隙和底部加工間隙基本相同。因此多流道加工間隙的最大深寬比(/)更低，而成組電極“直進直出”的結(jié)構(gòu)同時減小了加工間隙平均曲率，對蝕除產(chǎn)物的及時排除更為有利，可以提高粗加工過程的材料去除率。

圖2 兩種流道粗加工電極及其對應(yīng)加工幾何間隙Fig.2 Two types of electrodes for blisk channel rough machining and corresponding gap geometry

根據(jù)以上分析，實現(xiàn)高效多流道并行電弧加工，電極需要具備的基本特征可總結(jié)為

1) 提供合理的粗加工電極結(jié)構(gòu)特征。即保證去除實體和工序余量的前提下盡可能接近葉型表面圍成的流道幾何，減少粗加工電極結(jié)構(gòu)因素引起的加工誤差復(fù)映。

2) 為每一個并聯(lián)的電極支路提供高效電弧放電加工必須的高速、強力沖液，各支路的沖液條件應(yīng)盡量均勻、一致。

3) 提供更高的平均放電間隙，降低加工中形成極間間隙幾何的深寬比和曲率。

4) 提供合理的電極定位基準與夾持實體，簡化安裝、調(diào)整操作。

2 電弧加工成組電極設(shè)計

設(shè)計適用于電弧加工的內(nèi)沖液成組電極，主要步驟包含電極外形設(shè)計、內(nèi)部沖液通道設(shè)計與基座、夾具設(shè)計3個方面，完整設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 電弧加工成組電極設(shè)計流程Fig.3 Design process of grouped electrode for electrical arc machining

2.1 成組電極外形設(shè)計

成組電極外形設(shè)計的任務(wù)是依據(jù)葉盤目標幾何確定參與放電加工部分的電極幾何形狀。為了與此前單流道電弧加工性能進行對比，仍以某閉式整體葉盤產(chǎn)品為例進行分析，根據(jù)前述電極設(shè)計電弧加工成組電極。該閉式葉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，直徑為 260 mm，包含25片葉片，葉型面為不含扭曲的直紋面，流道入口、出口主要尺寸如圖4所示。

圖4 驗證實驗采用的葉盤流道幾何Fig.4 Channel geometry of blisk used for verification experiments

首先試算流道貫通前最大的間隙深寬比。本實例中加工流道深度約為39.5 mm，考慮毛坯盤體兩側(cè)端面余量后，合計約為45 mm，以電弧加工模式中添加搖動距離后的平均極間間隙1.5 mm計算，單側(cè)加工的深寬比為30∶1，因此需要沿深度方向分為2段從2側(cè)分別加工。如圖5所示，以流道實體在入口、出口的截面輪廓沿葉盤軸線方向作拉伸實體。兩端拉伸實體設(shè)計約10 mm重疊區(qū)，以減小粗加工加工盲區(qū)，同時為電極損耗留出預(yù)補償實體。

圖5 成組電極外形幾何設(shè)計步驟Fig.5 Geometric design steps of grouped electrode

分別作拉伸實體與流道實體的布爾交集即可得到單個成形電極實體。對單個電極實體進行延長、陣列操作后，此時電極實體與流道幾何完全重合，還需按照加工中搖動進給的步距和方向進行等距縮放。重新排布縮放后的2組電極實體，留出設(shè)計電極基座、內(nèi)部沖液通道空間，即可進行下一步內(nèi)沖液通道設(shè)計。此處設(shè)置電極頭數(shù)為5個，通過5次分度即可完成該葉盤25個流道加工任務(wù)。

2.2 電極內(nèi)部沖液通道優(yōu)化設(shè)計

內(nèi)部沖液通道設(shè)計要首先依據(jù)電極外形確定“一進多出”的分流結(jié)構(gòu)，然后調(diào)整結(jié)構(gòu)減小各支路的流量差異，為每個流道提供一致的沖液條件。在加工過程中，工作液由供液管流經(jīng)電極內(nèi)部沖液通道，進入并行加工的流道間隙內(nèi)，該過程要經(jīng)過多次分流?；窘Y(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中～為電極沖液結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。

圖6 電極內(nèi)部沖液通道結(jié)構(gòu)與流體仿真模型Fig.6 Structure of flushing channel inside electrode and CFD simulation model

設(shè)計沖液通道出口時，考慮到成組電極的加工難度更高，且成組電極的單側(cè)加工深度僅為單頭電極的一半，沖液效果更易保證，因此放棄單頭電極中采用的陣列式孔結(jié)構(gòu)，僅為每個電極頭設(shè)置一個沖液口。沖液出口的尺寸需要與加工時進給軌跡的搖動步距相等，從而通過搖動消除沖液孔對應(yīng)無法消除的材料。本例中電極的沖液出口設(shè)計為1.5 mm方孔，與搖動步距相等。

經(jīng)過試算，本例中通道在2.0 MPa入口壓力、出口為開放邊界的條件下，管內(nèi)平均流速可達59 m/s，雷諾數(shù)為99 438(特征尺寸1.5 mm，流體介質(zhì)為水)。選擇剪切應(yīng)力輸運模型(Shear Stress Transfer，SST)進行湍流分析。根據(jù)試算結(jié)果，部分支路流速偏低，設(shè)計2種方案進行流速調(diào)整，流場計算結(jié)果如圖7所示。

圖7(a)顯示在通道內(nèi)依照流線方向設(shè)計分流圓角，降低分流和彎頭結(jié)構(gòu)的壓力損失后的流速仿真結(jié)果，此時出口支路間流速極差為6.7 m/s，約合平均流速的11%。按照沖液通道的流量比例調(diào)整分流支路截面尺寸后，流速結(jié)果如圖7(b)所示，流速極差減小到3.5 m/s。此外，5個沖液出口與供液入口的距離各不相同，流體分配到不同的出口所經(jīng)過的彎頭與分流結(jié)構(gòu)各不相同，導(dǎo)致通道支路壓力損失不一致。因此，在圖中右側(cè)2支路流速偏大的情況下，添加一處通道截面縮小的壓力調(diào)整區(qū)，調(diào)整右側(cè)支路的局部阻力。對調(diào)整區(qū)長寬高尺寸進行參數(shù)化仿真對比后，得到如表1所示各參數(shù)組合的支路極差數(shù)據(jù)，其中最優(yōu)的效果如圖7(c)所示。支路間流速極差為2.845 m/s，為平均流速的4.74%，滿足使用要求。

圖7 分流優(yōu)化仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of shunt flow optimization

2.3 電極基座與夾具設(shè)計

確定內(nèi)部沖液通道幾何后，即可設(shè)計連接2組電極頭的電極基座及其夾具?；袚B接加工主回路供電電纜、提供定位基準的功能。

表1 沖液結(jié)構(gòu)參數(shù)化仿真結(jié)果

此處采用如圖8所示的矩形基座。另外，因為電極實體材質(zhì)為易碎易損的石墨，需要夾具承擔高壓供液管的連接功能。分別設(shè)置對應(yīng)2側(cè)電極頭的雙供液孔，在加工中手動切換使用。含有內(nèi)沖液結(jié)構(gòu)的電極實體需要進行拆分以便加工。本例中將電極分為上下2塊，分別通過石墨精雕機制作。使用時通過螺栓將上下2塊電極緊固于夾具。

圖8 設(shè)計完成的電極結(jié)構(gòu)和夾具結(jié)構(gòu)Fig.8 Designed electrode structure and fixture structure

3 多流道電弧放電并行加工實驗

3.1 實驗條件

實驗平臺選擇自行研制的五軸聯(lián)動電火花電弧復(fù)合放電加工機床，如圖9所示。

圖9 實驗使用的平臺與電極Fig.9 Platform and electrode used in experiment

分別使用成組電極和此前設(shè)計的單頭等截面弧形電極進行樣件試制。工件材料與放電加工的主要工藝參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2 GH4169合金成分規(guī)格Table 2 Composition specification of GH4169

表3 試制實驗使用的加工條件

粗加工實驗中，使用單頭弧形電極在600 A條件下完成5個流道。剩余20個流道分為2組分別使用2塊成組電極在600、750 A峰值電流條件下完成。粗加工過程和結(jié)果如圖10所示。經(jīng)過粗加工后，工件表面可明顯觀察到放電凹坑疊加產(chǎn)生的起伏紋理，表面粗糙度Ra值超過手持粗糙度儀測量范圍(160 μm)。使用電火花加工對該狀態(tài)下的工件進行流道幾何拷貝加工和葉片精修，得到結(jié)果如圖10(c)所示。由于2種電極設(shè)計均流出3 mm以上的精加工余量，完成加工后均未出現(xiàn)超差。最終獲得的葉片表面質(zhì)量與成形精度和常規(guī)電火花加工效果一致，表面粗糙度Ra值約為3.2～3.5 μm。

圖10 多流道電弧并行粗加工實驗驗證Fig.10 Experimental verification of multi-channel high-current discharge rough machining

3.2 工藝性能分析

統(tǒng)計2種電極的電弧加工材料去除率和相對體積損耗率，結(jié)果如圖11所示。從數(shù)據(jù)對比可以看出，使用成組電極后，材料去除率提升約62.9%，流道平均加工耗時縮短61.7%。相對電極損耗率則略有提升，從8.2%提升至8.7%，推測分析是成組電極中單個電極頭沖液孔尺寸和流量下降的結(jié)果。

結(jié)合放電狀態(tài)分析2種電極性能差異的原因。圖12分別展示了2種電極在加工過程前、后階段的電壓、電流波形記錄。每段波形的采樣時間為60 s(對應(yīng)每幅圖下方Zoom Overview框中內(nèi)容)，選取具有代表性的50 ms局部進行放大以比較波形細節(jié)特征。可見加工深度較淺的初始階段，2種電極均有穩(wěn)定的放電狀態(tài)，成組電極的放電連續(xù)性略優(yōu)。此時脈間時刻極間會立即恢復(fù)絕緣，電流直接下降為零。加工深度增加至30 mm以上，2種電極的波形區(qū)別趨于明顯。使用單頭電極會出現(xiàn)不連續(xù)的瞬時短路狀態(tài)。由于加工電源輸出等頻脈沖，這種瞬時短路表現(xiàn)為脈沖休止階段電流漸變的暫態(tài)過程。另一方面，這種瞬時短路一般持續(xù)5～20 ms，能夠自發(fā)恢復(fù)，可以判斷是極間蝕除產(chǎn)物堆積、粘連所致。從整體波形縮略圖亦可看出，這種狀態(tài)下機床的放電狀態(tài)出現(xiàn)了由短路保護機制觸發(fā)的周期性休止(圖12中橘色標記區(qū)域)。與之相比，成組電極的放電穩(wěn)定性雖然也有下降，但未觀察到頻繁的瞬時短路，整體表現(xiàn)優(yōu)于單頭電極。

圖12結(jié)果證明，采用兩側(cè)加工的成組電極確實可以實現(xiàn)減小放電間隙深寬比從而改善放電加工條件的設(shè)計預(yù)期。通過增大放電面積、縮短單側(cè)加工深度、降低間隙曲率的方式有效地提高電源利用率和排屑效率，減少不良放電，達到了進一步提高材料去除率的效果。

實驗中發(fā)現(xiàn)使用單頭電極完成5次加工后，損耗量已基本達到更換條件，為了預(yù)測采用這種方式完成完整產(chǎn)品的實際耗時，記錄更換電極與重新定位的操作時間。與之對比的成組電極在完成2組加工(10個流道)后，兩側(cè)電極幾何重疊區(qū)損耗長度合計約為 3.8 mm(設(shè)計重疊區(qū)長度合計10 mm)，預(yù)測仍可完成2組流道。

圖11 材料去除率與相對電極損耗率對比Fig.11 Comparison of material removal rate and relative electrode wear rate

圖12 不同深度、不同電極的放電加工波形Fig.12 Machining waveforms in different depths using different electrodes

實際加工、電極更換和定位的耗時統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。與單流道電弧加工相比，使用成組電極后在一次加工中即可完成5個流道。單件葉盤的加工過程中電極安裝、定位次數(shù)由7次縮短為2次，設(shè)備使用率明顯提升，總耗時約為單流道電弧加工用時的36%，是常規(guī)電火花加工工藝的8.7%。

表4 粗加工過程耗時記錄與單件葉盤總耗時預(yù)計

綜上所述，使用成組電極進行電弧放電多流道并行加工切實可行。從2種電極的加工性能比較結(jié)果也可看出，高效電弧放電加工作為現(xiàn)有閉式整體葉盤加工工藝的一種拓展和補充手段，在葉盤結(jié)構(gòu)適用的條件下，具有明顯的加工效率優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)閉式整體葉盤結(jié)構(gòu)與高效電弧成形加工的實施要求，提出了基于流道分割和流道端面拉伸實體的成組電極設(shè)計方法。

2) 在供液入口平均流速60 m/s條件下，通過流場仿真優(yōu)化電極內(nèi)部沖液通道設(shè)計，使不同分支沖液流速極差由6.7 m/s降低至2.84 m/s，提高了多流道并行加工的各個通道沖液效果的一致性。

3) 通過樣件試制，使用該成組電極后可進一步提高實施高效電弧成形加工的材料去除效率，與單流道電弧加工相比提升可達62.9%。

4) 加工同一款閉式軸流葉環(huán)，采用成組電極電弧加工的單件產(chǎn)品粗加工預(yù)測用時縮短至常規(guī)電火花工藝的8.7%。證明該工藝技術(shù)為同類軸流閉式整體葉盤的高效加工提供了可行工具。