整體葉盤通道多軸線切割技術(shù)的研究與應(yīng)用

徐衛(wèi)宏，宋偉偉，高素芳

（1.中國(guó)航發(fā)南京輕型航空動(dòng)力有限公司，南京 210000；2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐上海地區(qū)航空軍事代表室，上海 200233；3.北京漢飛航空科技有限公司，北京 101307）

整體葉盤作為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心部件，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的成敗，是決定整機(jī)性能和維護(hù)成本的關(guān)鍵部件之一。整體葉盤結(jié)構(gòu)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率的新型結(jié)構(gòu)，將葉片和風(fēng)扇盤設(shè)計(jì)成一體，省去常規(guī)風(fēng)扇盤連接的榫齒和榫槽，大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和重量，此結(jié)構(gòu)已經(jīng)在先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的三級(jí)風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)的整體葉盤轉(zhuǎn)子得到了驗(yàn)證應(yīng)用[1–3]。整體葉盤通用的工藝方案是采用銑加工開(kāi)槽、電火花粗加工葉型、電火花精加工葉型的工藝方案，加工部位為葉片的通道、葉盆和葉背。由于其設(shè)備的局限性以及刀具的可達(dá)性，造成銑加工開(kāi)槽工序留有的余量較大，嚴(yán)重影響后道工序電火花粗加工葉型和精加工葉型的加工效率，制約了零件生產(chǎn)周期和產(chǎn)品質(zhì)量。高效率、高質(zhì)量、低成本地加工整體葉盤類零件成為研究人員關(guān)注的目標(biāo)[4–5]。

本文提出了一種利用電火花線切割代替銑加工進(jìn)行通道開(kāi)槽，并與電火花成形加工相結(jié)合的工藝方案，實(shí)現(xiàn)了整體葉盤通道、葉盆和葉背的高效、高質(zhì)加工，方案中所研究的多軸線切割及特有的內(nèi)外輪廓切割走絲裝置是工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)所采用的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)進(jìn)行闡述和分析，為整體葉盤加工和制造提供借鑒。

1 整體葉盤零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝方案分析

1.1 整體葉盤零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1所示為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用典型整體葉盤的三維造型圖，其裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)的主支撐軸上，服役于高溫區(qū)，使用工況環(huán)境惡劣，對(duì)材質(zhì)的耐高溫性、耐磨性、致密性等要求較高。高溫耐熱合金為首選材料，但這種材料機(jī)械加工難度大，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工的難題。

圖1中整體葉盤與主支撐軸由定位子口和4 個(gè)通孔連接固定，與主支撐軸安裝配合，外環(huán)均勻分布。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和難點(diǎn)為：（1）整體葉盤使用高溫耐熱合金材料，幾何尺寸為直徑Φ258mm，總高62mm，葉片數(shù)量30 個(gè)；（2）整體葉盤葉片在周向、徑向、軸向均有較大扭曲角度，型面為空間不規(guī)則形狀，葉片上、下緣組成錐度梯形，葉片上緣為開(kāi)式，下緣與基體相連，兩相鄰葉片之間在空間形成上開(kāi)、下連且狹長(zhǎng)的空間通道；（3）葉片細(xì)長(zhǎng)，上緣最小厚度僅有0.2mm，下緣最寬厚度約為6mm，葉片單邊長(zhǎng)度55mm，葉片長(zhǎng)與厚度比平均為18；（4）通道蝕除量大，幾乎占葉片形成區(qū)域的2/3。

圖1 典型整體葉盤的三維造型圖Fig.1 3D modeling diagram of typical integral blisk

1.2 整體葉盤零件工藝方案分析

傳統(tǒng)工藝是采用銑加工開(kāi)槽、半粗銑葉型、精銑加工葉型3 個(gè)工序完成葉片通道、葉盆和葉背的加工[6–8]。銑加工開(kāi)槽工序?yàn)轭A(yù)加工，目的是蝕除盡量多的通道，以減少后續(xù)工序的加工量。但傳統(tǒng)工藝存在以下主要問(wèn)題：（1）加工部位為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、加工材料為高溫耐熱合金，使用刀具直徑小而長(zhǎng)、剛性相對(duì)較差，受結(jié)構(gòu)和刀具的局限性以及刀具可達(dá)性的限制，造成銑加工開(kāi)槽留有較大余量，嚴(yán)重影響了后道工序半粗加工和精銑加工葉型的加工效率；（2）刀具細(xì)長(zhǎng)、價(jià)格高，刀具極易磨損，加工高溫合金材料每次進(jìn)給量不能太大，成本較高，加工效率低下；（3）材料為高溫耐熱合金，成本高，銑加工的蝕除物為碎屑，蝕除物再利用價(jià)值較低。

電火花線切割技術(shù)采用沿著自身軸線方向運(yùn)行的電極絲作為工具，對(duì)零件進(jìn)行切割。具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）“以柔克剛”。直接利用電能加工，用“軟”的電極絲加工“硬”的零件，電極絲與零件材料不接觸。線切割加工無(wú)須制造成形電極或刀具，只需采用Φ0.05～0.28mm 的圓電極絲按設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行切割，電腐蝕熔化零件材料的體積非常小，是絲徑+雙邊放電間隙的切縫與切割厚度的乘積。

（2）“精密微細(xì)”。由于脈沖放電的能量密度可精確控制，電極絲與零件兩者之間幾乎沒(méi)有宏觀機(jī)械作用力，因此可實(shí)現(xiàn)精密微細(xì)加工，能夠方便地加工形狀復(fù)雜的窄縫、窄槽等。

（3）“因材施制”。根據(jù)材料的物理化學(xué)特性，只需調(diào)整脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、間隙電壓、間隙施加波形等電參數(shù)，就可實(shí)施對(duì)各種材料的切割，如高溫合金、硬質(zhì)合金、有色金屬和鋼等。

（4）“再利用”。自動(dòng)化程度高，操作方便，加工周期短，成本低。只對(duì)零件材料進(jìn)行圖形輪廓加工，不破壞其他部分，特別是對(duì)貴重材料，圖形內(nèi)外切割的余料為整體材料，再利用價(jià)值高。

通過(guò)分析銑加工開(kāi)槽工藝方法、通道結(jié)構(gòu)，以及電火花線切割加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種采用多軸線切割技術(shù)替代銑加工開(kāi)槽和半粗銑葉型的加工方法，解決了整體葉盤通道加工效率低、留量大、刀具成本高等難題。

2 多軸線切割工藝及內(nèi)外輪廓切割走絲裝置設(shè)計(jì)

2.1 葉片間通道多軸線切割工藝方案設(shè)計(jì)及機(jī)床研發(fā)

針對(duì)整體葉盤通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用電火花線切割加工工藝，本文就線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行探討。由于整體葉盤型號(hào)種類多，直徑200～500mm 不等，葉片數(shù)約為25～35 個(gè)，均勻分布。若在傳統(tǒng)的電火花線切割機(jī)床上加工，每一個(gè)型號(hào)就要做一種夾具，不僅夾具制作費(fèi)用高，而且制作周期長(zhǎng)，影響零件整體進(jìn)度。本文提出了帶有雙轉(zhuǎn)軸工作臺(tái)的多軸數(shù)控電火花線切割機(jī)床，確定了圖2所示的HX6325 電火花線切割機(jī)床，結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)為工作臺(tái)尺寸≥Φ800mm；切割環(huán)形件直徑范圍Φ400～1000mm；X、Y、Z軸行程（630×400×300）mm；最大加工厚度為100mm；最大加工工件質(zhì)量為250kg；直線軸脈沖當(dāng)量為0.001mm；B、C軸控制當(dāng)量為0.001°；B軸偏轉(zhuǎn)角度為–15°～30°；C軸旋轉(zhuǎn)角 度 為360° ；C軸最大轉(zhuǎn)速為4 r/min；C軸回轉(zhuǎn)定位精度≤25"；C軸回轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度≤10"；X、Y軸定位精度≤0.015mm；X、Y軸重復(fù)定位精度≤0.008mm；表面粗糙度Ra≤0.6～0.8μm；h=60mm 時(shí)最大切割速度≥180mm2/min；多次切割平均速度為40～60mm2/min；最大加工電流為8A。采用五軸數(shù)控/四軸聯(lián)動(dòng)，以滿足不同型號(hào)的加工要求。

圖2 HX6325 多軸數(shù)控電火花線切割機(jī)床Fig.2 HX6325 multi-axis CNC WEDM machine

該機(jī)床針對(duì)整體葉盤通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重新研制開(kāi)發(fā)了電火花線切割多軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng) （X、Y、Z、A、B、C）軟件，最大限度地包括了電火花線切割加工的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)一般平面加工、極坐標(biāo)加工、雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)加工、二軸單旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)加工、二軸雙旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)加工、四軸聯(lián)動(dòng)加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)空間直紋曲面形成原理的分析，采用直紋面運(yùn)算算法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的切割。

該機(jī)床在X、Y運(yùn)動(dòng)軸上安裝一個(gè)直徑600mm 的雙轉(zhuǎn)軸工作臺(tái)，采用北京漢飛航空科技有限公司多軸切割技術(shù)，完成不同型號(hào)的零件加工，無(wú)須制作對(duì)應(yīng)的夾具，縮短了制作周期，節(jié)約加工成本。

2.2 內(nèi)外輪廓切割走絲裝置設(shè)計(jì)

走絲系統(tǒng)和線架結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)電火花線切割的重要部分，直接影響加工效果。走絲速度越快，影響越大。電極絲在放電加工區(qū)域移動(dòng)的平穩(wěn)程度，取決于走絲系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。電極絲運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、速度的均勻性，影響電極絲的使用壽命和加工效果。電火花線切割的線架結(jié)構(gòu)和切割狀態(tài)如圖3所示，大多采用上、下線臂結(jié)構(gòu)形式，電極絲從上線臂通過(guò)零件再到下線臂，形成電極絲的閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)。在切割環(huán)形零件的內(nèi)輪廓時(shí)，需重新穿絲，將電極絲穿過(guò)零件內(nèi)環(huán)后再進(jìn)行切割，這種方法操作煩瑣、輔助時(shí)間增加、加工效率低、生產(chǎn)成本高，如果重新穿絲和找正還會(huì)帶來(lái)精度損失。

圖3 電火花線切割線架結(jié)構(gòu)和切割狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic of usual WEDM wire frame and cutting status

本文提出的一種可用于內(nèi)外輪廓切割的走絲系統(tǒng)和線架結(jié)構(gòu)[9]，可單獨(dú)完成外部輪廓的切割，以及一次上絲完成內(nèi)外輪廓的切割。圖4是用于內(nèi)外輪廓切割的走絲結(jié)構(gòu)示意圖，采用工字型線臂，由線架前端絲裝置和線架后端絲裝置組成；在切割環(huán)形零件的內(nèi)環(huán)和外環(huán)輪廓時(shí)，可以不重新穿絲和上絲直接移動(dòng)線臂就可以完成內(nèi)環(huán)輪廓和外環(huán)輪廓的切割，避免了反復(fù)穿絲、上絲步驟，簡(jiǎn)化操作，提高了加工效率，同時(shí)解決了多次穿絲、多次找正對(duì)加工精度的影響。

圖4 用于內(nèi)外輪廓切割的走絲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of WEDM cutting structure in used of cutting internal and external contour

圖5是內(nèi)環(huán)輪廓切割狀態(tài)示意圖，運(yùn)用絲架的前端絲和后端絲對(duì)零件進(jìn)行切割，在切割內(nèi)環(huán)輪廓時(shí)，線臂帶動(dòng)電極絲移動(dòng)到零件的內(nèi)環(huán)，使用第1 導(dǎo)向器、第2 導(dǎo)向器、第3 導(dǎo)向器和第4 導(dǎo)向器中間的電極絲去切割環(huán)形零件的內(nèi)輪廓。圖6是外環(huán)輪廓切割狀態(tài)示意圖，同樣可運(yùn)用絲架的前端絲對(duì)零件進(jìn)行切割，在切割外環(huán)輪廓時(shí)，先將線臂帶動(dòng)電極絲移出環(huán)形零件的內(nèi)環(huán)，然后使用第1導(dǎo)向器和第2 導(dǎo)向器中間的電極絲切割環(huán)形零件的外環(huán)。

圖5 內(nèi)輪廓切割狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematic of status of cutting internal contour

圖6 外輪廓切割狀態(tài)示意圖Fig.6 Schematic of status of cutting external contour

上述走絲絲架結(jié)構(gòu)可同時(shí)滿足整體葉盤中間是實(shí)心、空心結(jié)構(gòu)的加工，使整體葉盤的加工更加方便。

2.3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文分析，在通道切割過(guò)程中在以下5 個(gè)方面采取了措施。

（1）在裝夾找正方面，4 個(gè)固定螺釘?shù)氖芰?yīng)一致，保證在切下某一段時(shí)盡可能減少應(yīng)力的變化；應(yīng)保證零件中心與回轉(zhuǎn)軸中心的重合，同軸度≤0.02mm，與XY運(yùn)動(dòng)軸的平面度≤0.05mm。

（2）在切割路徑和切割順序方面，為防止或減少變形，切割路徑順序選為180°對(duì)稱、跳躍切割，即按照第1 個(gè)通道、第16 個(gè)通道、第2個(gè)通道、第17 個(gè)通道……的順序進(jìn)行切割。

（3）建立機(jī)床極坐標(biāo)系，利用極坐標(biāo)系編制程序，盡量選取0°、90°、180°、270°進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算，以減少因小數(shù)點(diǎn)計(jì)算引起的累計(jì)誤差。

（4）電極絲直徑、間隙補(bǔ)償量的選擇直接影響放電間隙的大小，此外還需要考慮放電間隙與零件材料、結(jié)構(gòu)、走絲速度、電極絲張力、導(dǎo)輪運(yùn)行狀態(tài)、工作液種類及臟污程度、脈沖電源電規(guī)準(zhǔn)，以及伺服調(diào)節(jié)等因素的影響關(guān)系。用中走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行加工，一般單邊放電間隙為0.01～0.02mm。為精確確定放電間隙，在編程前，先用確定的加工條件試切同種材料的正方形，再實(shí)際測(cè)量出放電間隙，經(jīng)試驗(yàn)，放電間隙為0.02mm。

（5）電參數(shù)選擇。由于零件是高溫合金，為了保證切割效率和表面粗糙度Ra3.2μm，選擇了脈沖寬度50μs、脈沖間隔200μs、峰值電流36A、開(kāi)路電壓90V 的參數(shù)進(jìn)行切割，取得了良好的切割效果。

3 整體葉盤典型零件工藝方案驗(yàn)證

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)某典型整體葉盤（圖1）的葉片間通道加工為例，對(duì)電–電–銑工藝方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

該驗(yàn)證使用多軸數(shù)控電火花線切割機(jī)床（HX6325），對(duì)整體葉盤葉片的通道、葉盆及葉背型面余量進(jìn)行多軸線切割加工：（1）將圖紙分解，作出線切割去除余量加工圖，保證切割工序去除余量最大，輪廓余量最?。唬?）作出電火花加工圖，使輪廓更均勻，達(dá)到最終精銑加工余量的最優(yōu)尺寸。圖例外環(huán)上均勻分布30 個(gè)扭曲葉片，采用一次裝夾下完成通道、葉盆及葉盤的去余量加工，加工后余量最小值達(dá)到0.5mm，葉盆及葉背型面按照最小截面原則去除余量，輪廓趨近于理論型面，達(dá)到了余量去除最大化。由于多軸電火花線切割屬于非接觸式加工，切割過(guò)程中對(duì)零件不產(chǎn)生加工應(yīng)力，無(wú)應(yīng)力變形問(wèn)題，并且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好，大幅降低了后續(xù)電火花粗加工葉型和精加工葉型的工作量，提高加工效率和生產(chǎn)進(jìn)度。

3.1 切割方案規(guī)劃

為最大化去除加工余量，對(duì)葉型輪廓截面進(jìn)行分析，在每個(gè)葉型需要加工的截面選取截面輪廓圖，并在加工不干涉的情況下對(duì)截面線進(jìn)行偏置提取坐標(biāo)數(shù)值，然后形成線切割軌跡圖。為保證切割效率及切割余量盡量均勻，采用每個(gè)齒均進(jìn)行5 次切割的方法（圖7），這樣既保證了電火花成形加工后道工序加工效率最佳化，又保證了成形電極使用對(duì)零件加工的均勻化。

圖7 每個(gè)葉片進(jìn)行5 次切割示意圖Fig.7 Schematic of every blade cutting five times

為保證加工程序無(wú)誤，采用UG–NX10 軟件對(duì)切割輪廓軌跡進(jìn)行模擬，對(duì)切割5 次的各截面進(jìn)行自動(dòng)檢查，確保各面留的余量盡量均勻且不過(guò)切。圖8（a）是第1 刀切割軌跡示意圖，第1 刀切割的目的是去除葉盆及葉背大部分余量，選用高效的工作液、Φ0.2mm 的電極絲、優(yōu)化的電參數(shù)對(duì)其進(jìn)行切割。

由于第1 刀切割葉背區(qū)域有干涉的部分，且部分地方切割不到，為了最大化去除余量共采用了5 刀切割，這樣可以使留量更加均勻。圖8（b）是第2 刀切割軌跡示意圖，即葉盆位置的余量去除；圖8（c）是第3 刀切割軌跡示意圖，即葉型前緣位置的余量去除；圖8（d）是第4 刀切割軌跡示意圖，即葉型尾緣位置的余量去除；圖8（e）是第5 刀切割軌跡示意圖，即葉型根部位置的余量去除。圖8（f）是5 次切割輪廓截面示意圖。

圖8 5 次切割軌跡與輪廓截面示意圖Fig.8 Schematic of moving track and contour sections of cutting five times

為保證精銑加工的余量均勻，線切割加工完成后再進(jìn)行電火花成形加工，更趨近于葉型輪廓，為精銑加工保留余量0.5mm。圖9是線切割加工后電火花成形加工輪廓示意圖。圖10是5 次切割后實(shí)物照片。圖11是電火花成形加工后的實(shí)物照片。

圖9 線切割加工后電火花成形加工輪廓示意圖Fig.9 Schematic diagram of EDM contour after WEDM

圖10 5 次切割后實(shí)物照片F(xiàn)ig.10 Physical photos after 5 times of cuttings

圖11 電火花成形后實(shí)物照片F(xiàn)ig.11 Physical photos after EDM contour

3.2 切割后檢測(cè)結(jié)果

按照工藝要求，線切割加工工序的線切割輪廓圖的公差為±0.1mm，切割結(jié)束后，截取Z軸為125.8mm和90mm 兩個(gè)截面輪廓 （圖12），葉盆、葉背各選取2 點(diǎn)進(jìn)行尺寸檢測(cè)，在4 個(gè)象限各選取1 點(diǎn)對(duì)葉根部進(jìn)行尺寸檢測(cè)，然后與理論模型數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，各點(diǎn)尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)及偏差如表1所示。可以看出，各點(diǎn)偏差均符合工藝及設(shè)計(jì)圖紙的要求。

表1 線切割后檢測(cè)結(jié)果Table 1 Detection results after wire cutting mm

圖12 線切割后截面輪廓圖Fig.12 Schematic of section contour after wire cutting

4 結(jié)論

（1）通過(guò)航空整體葉盤典型零件工藝驗(yàn)證，電–電–銑工藝方案是一種微應(yīng)力、低成本、高質(zhì)量、高效率加工整體葉盤葉片間通道的工藝方案，可以最大限度地去除通道上的材料去除量。由于電火花線切割加工中無(wú)切削力，應(yīng)力變形小，刀具費(fèi)用大幅降低，提高了加工效率，減少了在半粗銑加工及精銑加工時(shí)五軸設(shè)備的占用時(shí)間及昂貴的刀具費(fèi)用，為整體葉盤加工研究和生產(chǎn)制造行業(yè)提供了新型工藝方案。

（2）本研究所采用的新機(jī)床方案和獲得發(fā)明專利的走絲系統(tǒng)不用重新穿絲、上絲，直接移動(dòng)線臂就可完成內(nèi)環(huán)輪廓和外環(huán)輪廓的切割，避免了反復(fù)穿絲、上絲，簡(jiǎn)化操作，提高了加工效率，并保證了精度。

（3）本研究所形成的多軸線切割技術(shù)和后續(xù)電火花成形加工技術(shù)及工藝參數(shù)，已經(jīng)批量應(yīng)用于多種型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的加工。三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果表明，加工的整體葉盤完全符合圖紙的設(shè)計(jì)要求，合格率達(dá)到100%，工藝成熟度較高，具有較高的推廣價(jià)值。實(shí)踐驗(yàn)證了電–電–銑的工藝方案，以某型號(hào)整體葉盤為例，因電加工后材料余量均勻、余量控制相對(duì)穩(wěn)定，使精銑加工的時(shí)間縮減40h。傳統(tǒng)加工工藝一個(gè)周期加工≤50 件整體葉盤，而電–電–銑工藝一個(gè)周期內(nèi)加工實(shí)現(xiàn)≥200 件整體葉盤。另外，電加工機(jī)床相對(duì)價(jià)格低，設(shè)備折舊低，如果整體葉盤加工任務(wù)批量大，可以多增加設(shè)備投入。電加工機(jī)床操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)一人操作多臺(tái)設(shè)備，完成整體葉盤粗加工和半精加工的并聯(lián)加工，快速提升產(chǎn)能。