渦輪靜子電火花電弧復(fù)合加工工藝研究

許 璠，馬長(zhǎng)進(jìn)，徐 輝，薄佑鋒，王 哲

（ 1. 西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西西安 710100；2. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240 ）

渦輪靜子是在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的一種關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。 目前越來(lái)越多的葉盤(pán)類產(chǎn)品采用了閉式帶冠整體結(jié)構(gòu)，以減少傳統(tǒng)渦輪部件中葉尖與渦輪外環(huán)之間的逸流損失。 但是，閉式整體葉盤(pán)大多具有復(fù)雜的流道形狀，需在高溫高壓環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，其加工精度要求高，并且制作材料多為高溫合金、鈦合金等難加工材料[1-6]。 雖然采用電火花加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的精密加工，但是加工中需通過(guò)電火花蝕除大量毛坯余量來(lái)成形，其加工效率極低，這成為制約我國(guó)航天產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的瓶頸。 為了進(jìn)一步提高渦輪靜子的生產(chǎn)效率，研究更高效的加工方法具有重要意義。

電火花電弧復(fù)合加工技術(shù)是一種新型的材料高效率去除方法，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)電火花工藝加工效率低和電解工藝存在污染的不足，成為特種加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)此做了大量研究。 王飛等[7]提出一種電火花電弧復(fù)合加工鎳基高溫合金Inconel 718 的加工方法，通過(guò)復(fù)合加工和普通電火花加工的對(duì)比研究，得出復(fù)合加工的材料去除率是電火花加工的18 倍的結(jié)論；Wang 等[8]研究了鈦合金（Ti-6Al-4V）的電弧電火花復(fù)合加工工藝，表明該方法能有效地對(duì)難加工材料進(jìn)行加工；Jia 等[8]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)帶冠整體渦輪盤(pán)的高效電火花加工電極，表明該電極能在保證加工質(zhì)量的前提下最大量地去除材料；賈雨超等[10]提出了一種具有內(nèi)沖液結(jié)構(gòu)的多頭成組電極設(shè)計(jì)方法，通過(guò)試制一款閉式整體葉盤(pán)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

雖然相關(guān)研究已取得了不少成果，但是尚未有針對(duì)高溫合金渦輪靜子電火花電弧復(fù)合加工方面的研究報(bào)道。 為此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，首先開(kāi)展了高溫合金的高速電弧復(fù)合工藝試驗(yàn)研究，分析了工藝參數(shù)對(duì)高溫合金加工效率、表面粗糙度等方面的影響規(guī)律；然后以渦輪靜子為加工對(duì)象，開(kāi)展高速電弧粗加工和多軸聯(lián)動(dòng)精密電火花成形精加工研究，以提高渦輪靜子的加工效率。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 渦輪靜子的結(jié)構(gòu)

渦輪靜子由靜葉和葉輪內(nèi)外圓周組成（圖1），工作在高溫、高壓、高速的富氧燃?xì)猸h(huán)境中，是渦輪泵中工作環(huán)境最惡劣的部件，主要對(duì)燃?xì)馄饘?dǎo)向作用。 渦輪靜子中燃?xì)獾牧鲃?dòng)效果直接影響渦輪泵的總體性能。某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪靜子[11]具有以下特點(diǎn)：①采用整體坯料鍛造成形， 待加工區(qū)葉輪的直徑365 mm、厚度65.2 mm；②材料去除量28 kg，去除體積占待加工體積80%以上；③葉輪圓周上相間均勻分布17 個(gè)葉片，每個(gè)葉片長(zhǎng)約85 mm，均為自由曲面且厚度薄而不勻，流道細(xì)長(zhǎng)且空間彎扭。

1.2 試驗(yàn)裝置及加工條件

試驗(yàn)采用的五軸聯(lián)動(dòng)高效電弧銑削裝置是在五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床基礎(chǔ)上自研開(kāi)發(fā)的具有在線復(fù)合加工功能的高效、高質(zhì)量加工裝備（圖2a）。 五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床使用水基工作液，選用棒狀石墨電極進(jìn)行電弧銑削加工，含有用于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力內(nèi)沖液的內(nèi)沖液孔。 本研究自研裝備是基于獨(dú)特的“流體動(dòng)力斷弧”機(jī)制[12]來(lái)實(shí)現(xiàn)高速電弧放電加工，可高效去除鎳基高溫合金、鈦合金及金屬基復(fù)合材料工件的大部分余量。 試驗(yàn)裝備為FORM400VP 五軸聯(lián)動(dòng)精密電火花成形機(jī)床（圖2b），使用烷烴類油基復(fù)合工作液，以成形電極做拷貝運(yùn)動(dòng)，在工件表面加工出相反的幾何形狀，可進(jìn)行工件的高精度加工。

圖2 試驗(yàn)裝置及設(shè)備

此外， 試驗(yàn)采用稱重法來(lái)計(jì)算材料去除率，用PGR830 超精粗糙度輪廓儀來(lái)測(cè)量工件的表面粗糙度， 用VHX-600K 超景深數(shù)碼光學(xué)顯微鏡和Hitachi S4700 掃描電鏡來(lái)觀察加工表面特性。

2 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

2.1 鎳基高溫合金工藝參數(shù)研究

針對(duì)鎳基高溫合金GH4169 開(kāi)展高速電弧放電加工試驗(yàn)研究，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)加工工藝性能指標(biāo)（加工效率、表面粗糙度、熱影響厚度）的影響， 探索了高溫合金高速電弧放電加工工藝規(guī)律，可為其他難切削材料產(chǎn)品的高效預(yù)加工提供參考。

2.1.1 對(duì)電弧加工效率的研究

加工效率是判定一種加工方法能否應(yīng)用的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。 如圖3 所示，采用500 A 集束電極進(jìn)行高溫合金的電弧放電加工，此時(shí)材料去除率（MRR）為14 000 mm3/min；采用1 000 A 電流時(shí)，MRR 值高于20 000 mm3/min。 這是由于峰值電流越大，工件與電極間的放電通道能量密度越高，局部高溫蝕除的材料越多，從而提高工件的加工效率，但相應(yīng)的表面質(zhì)量也會(huì)變差。 在實(shí)際加工中，為了獲得較好的加工效率及表面質(zhì)量， 需采用小于1 000 A 的電流進(jìn)行電弧加工，然后進(jìn)行電火花精加工。

圖3 不同峰值電流加工時(shí)的材料去除率

2.1.2 對(duì)電弧加工表面粗糙度的研究

在放電峰值電流分別為200、300、400、500 A 時(shí)得到的工件表面粗糙度變化規(guī)律見(jiàn)圖4。結(jié)果表明，電極在正、負(fù)極性高速電弧放電加工時(shí)得到的表面粗糙度值，均會(huì)隨著放電電流的增加而增大。 這是因?yàn)殡娏鞯脑黾訒?huì)導(dǎo)致蝕除凹坑變大，從而使工件表面粗糙度值增大。 當(dāng)峰值電流為200 A 時(shí)，電極負(fù)極性加工時(shí)的表面粗糙度值達(dá)到274 μm， 而在相同的峰值電流下，電極正極性加工的表面粗糙度值僅為31 μm，相應(yīng)的加工表面情況見(jiàn)圖5。由此可知，當(dāng)放電電流相同時(shí)，電極正極性加工的表面質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于電極負(fù)極性加工的表面質(zhì)量。

圖4 不同峰值電流加工時(shí)的表面粗糙度

圖5 正負(fù)極性加工的表面SEM 照片

2.1.3 電弧加工表面再鑄層和熱影響層研究

再鑄層和熱影響層[13]可以確定電弧放電加工時(shí)的熱影響深度，是判定被加工工件表面完整性的重要因素。 通常，人們會(huì)選擇加工工件表面的最外圍作為測(cè)量區(qū)域，并采用光學(xué)顯微鏡在該區(qū)域的橫截面上進(jìn)行測(cè)量。 圖6 是峰值電流分別為100、200、300 A 時(shí)的加工樣件截面金相圖。可知，隨著峰值電流增大，再鑄層厚度增加；當(dāng)放電峰值電流為100 A時(shí)，再鑄層最小值小于10 μm。

圖6 不同峰值電流加工時(shí)的GH4169 工件重鑄層

進(jìn)一步地，為了確定熱影響層厚度，試驗(yàn)將光學(xué)顯微鏡的測(cè)量比例尺從20 μm 減小至5 μm。 測(cè)量結(jié)果表明，基體材料未見(jiàn)明顯分界線，金相照片中未發(fā)現(xiàn)熱影響層。 這是因?yàn)闃O間高速流動(dòng)的工作液能迅速帶走電弧放電產(chǎn)生的熱量，使后者向基體傳遞較少。 此外，電弧放電產(chǎn)生的爆炸沖擊會(huì)使大部分的熔融材料被快速地拋離出工件表面的熔融區(qū)，從而進(jìn)一步降低了熱影響的深度。

2.1.4 電弧加工表面硬度分析

加工后工件的表面硬度是關(guān)系后續(xù)精加工工序銜接的重要因素。 采用硬度計(jì)測(cè)量的表面硬度結(jié)果見(jiàn)表1?？芍ぜ? 和工件2 的表面硬度均略高于基體的硬度，但差值較小，對(duì)后續(xù)精加工工序的影響較小。

表1 不同電流加工工件的表面硬度

綜合分析高溫合金電弧加工工藝試驗(yàn)結(jié)果之后，將渦輪靜子的加工方案選定為：首先，采用電極負(fù)極性高速電弧銑削加工， 以獲得更高的加工效率；然后，采用正極性電火花精加工，以獲得較好的工件輪廓精度。 通過(guò)以上兩種加工方法的組合，可實(shí)現(xiàn)渦輪靜子的高效、高精度加工。

2.2 渦輪靜子樣件加工

由前述試驗(yàn)結(jié)果可知，高速電弧銑削加工技術(shù)非常適合高溫合金的大余量快速去除加工。 以高溫合金GH4169 渦輪靜子為加工對(duì)象， 本文進(jìn)一步開(kāi)展渦輪靜子高速電弧銑削粗加工和多軸聯(lián)動(dòng)精密電火花成形精加工工藝的研究，建立了高溫合金材料渦輪靜子高效、高精度的加工技術(shù)體系。 渦輪靜子“電弧-電火花”復(fù)合加工主要工藝流程見(jiàn)圖7。

圖7 渦輪靜子的主要工藝流程

2.2.1 高速電弧銑削粗加工

電弧銑削加工目的是高效去除渦輪靜子葉片流道的大部分體積，以大幅縮短葉片電火花成形加工的周期。 在工件高速電弧銑削粗加工過(guò)程中，主要采用“大電流固定軸輪廓銑開(kāi)粗加工”和“小電流五軸曲面銑型腔曲面精修加工” 兩種工藝方法，共計(jì)去除材料約23 kg，約占材料去除總量的82%。

粗加工階段的參數(shù)見(jiàn)表2。 其中，在“大電流固定軸輪廓銑開(kāi)粗加工”過(guò)程中，用直徑16 mm 的石墨電極通過(guò)固定軸輪廓銑削進(jìn)行最初的粗加工，工件單邊留余量6 mm；在“小電流五軸曲面型腔銑精修加工”過(guò)程中，用直徑10 mm 的石墨電極，工件單邊留余量3 mm。

表2 高速電弧銑削粗加工參數(shù)

2.2.2 電火花成形精加工

在高速電弧銑削粗加工之后，對(duì)工件進(jìn)行吹砂處理，以去除產(chǎn)品流道表面殘留的電蝕產(chǎn)物。 然后，采用多軸聯(lián)動(dòng)精密電火花成形加工技術(shù)對(duì)渦輪靜子進(jìn)行精加工，以達(dá)到圖紙要求的尺寸公差、形位公差及表面狀態(tài)。

渦輪靜子電火花成形加工的參數(shù)條件是：正極性加工，脈沖寬度42 ms，脈沖間隔56 ms，峰值電流10A；加工時(shí)，采用“臥式群電極”加工工藝，并在電極軌跡搜索中用“四軸聯(lián)動(dòng)旋入式”刀軌搜索方法，以確保加工過(guò)程的高效、穩(wěn)定和代碼的簡(jiǎn)單性。

渦輪靜子樣件見(jiàn)圖8。 其中，圖8a 是高速電弧電火花銑削粗加工的實(shí)物， 圖8b 是電火花成形精加工的實(shí)物。 結(jié)果顯示，加工誤差為±0.08 mm，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)條件要求，證實(shí)了該復(fù)合工藝方法的合理性和有效性。

圖8 加工的渦輪靜子樣本實(shí)物

對(duì)于渦輪靜子，只采用電火花成形加工，其加工周期約為775.2 小時(shí)/臺(tái)；采用“電弧-電火花”復(fù)合加工的周期約為372.2 小時(shí)/臺(tái)，相較于前者的加工效率提高了52%，效果顯著。 再對(duì)比不同加工方法下的單臺(tái)渦輪靜子的加工成本可知，采用單純電火花成形工藝的加工成本約為26.9 萬(wàn)元/臺(tái)， 而采用“電弧-電火花”復(fù)合工藝的加工成本約為14.5 萬(wàn)元/臺(tái)， 相較于前者節(jié)約12.4 萬(wàn)元/臺(tái)， 成本壓縮約46%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

針對(duì)渦輪靜子的高效高精度加工需求，本文通過(guò)開(kāi)展鎳基高溫合金的高速電弧加工工藝試驗(yàn)，探究了電弧加工效率、表面粗糙度、再鑄層和熱影響層等方面的變化規(guī)律，還采用“電火花-電弧”復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)該產(chǎn)品的加工，得出以下結(jié)論：

（1）在電弧加工鎳基高溫合金時(shí)，峰值電流小于1 000 A，可獲得較好的加工效率和表面質(zhì)量；當(dāng)放電峰值電流為100 A 時(shí)，所得再鑄層的深度最小值小于10 μm。

（2）采用“電火花-電弧”復(fù)合工藝加工渦輪靜子，與單純采用電火花成形加工工藝相比，加工時(shí)間由775.2 小時(shí)/臺(tái)縮減至372.2 小時(shí)/臺(tái)，加工效率提高了約52%，證明該工藝技術(shù)為渦輪靜子的高效加工提供了可行性參考。