閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)研究

摘" 要：為提高葉片型面成形精度，降低能源消耗，該文首先針對當(dāng)前閉式整體葉輪加工面臨的挑戰(zhàn)與難點，介紹閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)特點與加工要求。其次，研究閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)原理及特點。最后，以直徑為550 mm的大型閉式整體葉輪為例，從加工條件、加工實施、加工結(jié)果分析3個方面入手，闡述電火花加工過程。結(jié)果表明，閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)具有無切削力限制、不受工件硬度限制、加工精度高等特點，符合閉式整體葉輪高精度加工需求。希望通過該次研究，為后期閉式整體葉輪加工工作開展提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：閉式整體葉輪；電火花加工；技術(shù)特點；加工要求；技術(shù)原理

中圖分類號：TG661" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0173-04

Abstract： In order to improve the forming accuracy of blade profiles and reduce energy consumption， this paper first introduces the structural characteristics and processing requirements of closed integral impellers in view of the challenges and difficulties faced by the current processing of closed integral impellers. Secondly， the technical principles and characteristics of closed integral impeller EDM are studied. Finally， taking the \"large closed integral impeller with a diameter of 550mm\" as an example， the EDM process is explained from three aspects： machining conditions， machining implementation， and machining result analysis. The results show that the electric discharge machining technology of closed integral impellers has the characteristics of no cutting force limitation， no workpiece hardness limitation， and high machining accuracy， which meets the requirements for high-precision machining of closed integral impellers. It is hoped that through this research， it will provide effective reference for the later development of closed integral impeller machining work.

Keywords： closed integral impeller; electric discharge machining; technical characteristics; machining requirements; technical principles

目前，整體葉輪因其材料難切削、葉片型面復(fù)雜、加工難度大，一直是機械制造業(yè)的難題[1]。此外，數(shù)控銑削和精密鑄造在整體葉輪加工中應(yīng)用較多，但各有局限，如數(shù)控銑削受刀具剛性限制，精密鑄造技術(shù)難度大、廢品率高。而電火花加工技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，可以解決以上問題，該技術(shù)主要利用放電產(chǎn)生的瞬時高溫，將與電極相對的工件表面熔化，逐漸蝕除材料，達到加工目的，無切削力限制，特別適合難切削材料。此外，該技術(shù)不受工件硬度限制，可以加工高溫合金、鈦合金等難加工材料，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)和微細結(jié)構(gòu)，同時，該技術(shù)運用閉式整體電極設(shè)計模式，可避免分體電極加工產(chǎn)生的搭接臺階和輪廓度誤差，提高整體葉輪的成形精度[2]。所以，強化對閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)應(yīng)用顯得尤為重要。

1" 當(dāng)前閉式整體葉輪加工面臨的挑戰(zhàn)與難點

當(dāng)前閉式整體葉輪加工面臨的挑戰(zhàn)與難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①形狀復(fù)雜性。整體葉輪形狀復(fù)雜，葉片多為非可展扭曲直紋面，需采用五坐標(biāo)以上機床加工[3]。②加工干涉問題。葉片間空間小，通道窄，加工時刀具易與葉片及相鄰葉片發(fā)生干涉。③彈塑性變形。葉輪葉片較薄，加工過程中存在嚴重彈塑性變形[4]。④高精度要求。葉輪葉片需具有良好的表面質(zhì)量，精度要求高。綜上所述，閉式整體葉輪加工面臨諸多挑戰(zhàn)與難點，需綜合考慮機床、刀具、夾具及整體葉輪的剛性，設(shè)計合理的刀具結(jié)構(gòu)、選擇合適的制造工藝，實現(xiàn)對閉式整體葉輪精確化加工[5]。

2" 閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)特點與加工要求

閉式整體葉輪工作環(huán)境比較惡劣，除了接觸到大量的有毒氣體外，還接觸到具有極強腐蝕性的工作介質(zhì)，因此，在設(shè)計葉輪結(jié)構(gòu)時，通常對葉輪材質(zhì)的耐腐蝕性、耐磨性提出了更高的要求[6]。

2.1" 閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)組成及特點

2.1.1" 輪毅與葉片構(gòu)成

閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中可以看出，整個閉式整體葉輪主要包含輪蓋、輪盤、流道和葉片4個組成部分。其中，葉片固定在輪轂上，是氣體在葉輪中受到作用的主要部分。氣體在葉片的作用下隨葉片作高速旋轉(zhuǎn)，并通過葉輪時壓力得到提高。葉片固定在輪轂上，輪轂中間設(shè)有穿軸孔，與泵軸連接，共同構(gòu)成轉(zhuǎn)子。前后蓋板：根據(jù)葉輪的形式，可能包括前蓋板、后蓋板或兩者都有。閉式葉輪由前后蓋板和葉片組成；半開式葉輪由葉片和后蓋板組成；開式葉輪只有葉片與部分后蓋板或沒有后蓋板。閉式整體葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足高強度、抗腐蝕、抗沖刷等性能要求，以確保其在工作中的穩(wěn)定性和耐久性[7]。

2.1.2" 三元流閉式結(jié)構(gòu)特點

三元流閉式整體葉輪具有使用壽命長、效率高、穩(wěn)定可靠性好等優(yōu)點，在航空航天、武器裝備發(fā)動機等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8]。其結(jié)構(gòu)特點主要包括：①復(fù)雜彎扭型腔。三元流閉式葉輪具有復(fù)雜的彎扭型腔（葉間流道），這使得其制造成為世界級的難題。②高效氣動性能。三元流整體葉輪的氣動性能和整體性能良好，能有效提高系統(tǒng)效率和發(fā)動機整體性能。③廣泛應(yīng)用。三元流閉式葉輪憑借著自身的獨特原理和優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于航空航天發(fā)動機、艦艇、核能、采礦和石油化工等領(lǐng)域中，并取得了良好的應(yīng)用效果。

2.2" 加工要求

閉式整體葉輪加工要求一般包含材料選擇、加工方法、幾何精度和表面質(zhì)量等幾個方面。整體葉輪常用的材料有不銹鋼、鈦合金、鋁合金等，加工時，粗加工多采用五軸數(shù)控加工，因其柔性好、加工效率高適用廣泛。在進行閉式整體葉輪加工期間，通常對該葉輪的尺寸精度、位置精度、表面粗糙度等參數(shù)提出了更高的要求。例如：葉輪的尺寸精度、位置精度必須控制在-0.1～0.1 mm之間；葉輪表面粗糙度必須達到Ra 3.3 μm，以滿足氣動性的要求。動力學(xué)性能要求良好，整體葉輪在應(yīng)用中需承受高速旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜工況，因此加工時需考慮其動力學(xué)性能，須確保葉輪在運轉(zhuǎn)過程中的可靠性與穩(wěn)定性，為后期精確化加工閉式整體葉輪，降低加工誤差打下堅實的基礎(chǔ)。

3" 閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)原理及特點

3.1" 閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)基本原理

本文研究的閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)，是一種利用電能和熱能進行加工的新工藝方法。它主要是通過工具電極和工件電極之間的脈沖放電，產(chǎn)生瞬時高溫的電蝕作用，對工件進行加工。這種技術(shù)特別適用于閉式整體葉輪的加工，因為葉輪材料通常難于切削，且葉片型面復(fù)雜。電火花加工無須工具與工件接觸，而是靠脈沖性火花放電產(chǎn)生的局部、瞬時高溫來熔化、氣化金屬，從而達到加工的目的。閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)包括三維建模、電極設(shè)計與制造、電火花成形加工以及在線檢測等步驟，最終可以完成高精度、高效率的葉輪加工。閉式整體葉輪上流道加工圖如圖2所示。

3.2" 閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)特點

高精度加工：閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高。電火花加工技術(shù)通過精確控制電極與工件之間的放電間隙，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度加工，滿足葉輪對精度的嚴苛要求。

適應(yīng)難加工材料：閉式整體葉輪通常采用高溫合金、鈦合金等難加工材料。而電火花加工技術(shù)剛好不受材料硬度限制，能夠有效加工這些難切削材料，提高加工效率和質(zhì)量。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工能力：電火花加工技術(shù)能夠加工出復(fù)雜的空間自由曲面，適用于閉式整體葉輪葉片型面復(fù)雜的加工需求，提升葉輪的氣動效率和發(fā)動機性能。

閉式整體電極設(shè)計：針對閉式整體葉輪，設(shè)計了閉式整體電極，具有葉片型面成形精度高、能源消耗低的優(yōu)點，解決了分體電極易形成搭接臺階、葉片成形精度低的問題?？傊?，閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)以其獨特的加工原理和優(yōu)勢，在葉輪制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

3.3" 電極的結(jié)構(gòu)和運動軌跡的設(shè)計原則

由于葉輪電極結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其總體設(shè)計思路是把葉輪的通道造型作為初始狀態(tài)的電極形狀，在詳細設(shè)計時，可考慮將整體的電極作為拆分處理，目標(biāo)是以便于后續(xù)的運動軌跡設(shè)計。而電極運動軌跡的總體設(shè)計思路則是把設(shè)計好的成形電極定位于加工完成的位置，然后慢慢地將電極從葉輪通道內(nèi)安全無干涉地撤出來，以確保放電加工時不會出現(xiàn)對通道壁的過切現(xiàn)象，葉輪的電極進給軌跡則是撤出軌跡的反向運動。電極的結(jié)構(gòu)與運動軌跡的設(shè)計必須要同步完成，以保證兩者之間的一致性。

由于葉輪的葉片弧度較大且通道狹窄，如果采用單電極加工將會使運動軌跡變得十分復(fù)雜，所以需要將電極拆分成為若干塊，用多塊電極依次加工同一通道。鑒于電極的復(fù)雜性，在拆分電極時應(yīng)遵循以下原則。

第一，電極拆分后，各電極均應(yīng)能無干涉地完成加工，且不能損傷已加工表面。

第二，拆分的電極相互之間應(yīng)有重合部分，以保證被加工面的完整度。

第三，拆分的電極弧度、扭曲度應(yīng)盡可能小，以減小電極加工，運動軌跡的生成。

第四，在保證順利完成加工的情況下，應(yīng)使電極數(shù)量盡可能少，以提高加工精度。

上述步驟可完成閉式整體葉輪單個通道的電極結(jié)構(gòu)與運動軌跡的設(shè)計，并通過以下2種方法實現(xiàn)：使用電極運動曲線函數(shù)及葉輪通道曲面函數(shù)建立軌跡搜索的最優(yōu)化模型并求解;使用三維軟件完成電極的造型設(shè)計并記錄其運動過程的位置坐標(biāo)[9]。

4" 閉式整體葉輪電火花加工案例

4.1" 加工條件

本文以直徑為550 mm的大型閉式整體葉輪為例，采用德國OPS品牌中國產(chǎn)的G850C型五/六軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花機床，對閉式整體葉輪進行精確化加工。由于石墨材料具有質(zhì)量輕、導(dǎo)電性能好、成本低、易加工和放電效率高等特點，尤其是在大面積放電方面比銅電極高許多，所以選用石墨作為電極材料。在選用工作液時，優(yōu)先選用適用于電火花加工的專用高性能電火花油，加工時將葉輪完全浸入電火花油中，提高了放電的安全性。為了兼顧加工效率與電極損耗兩者的平衡，選用正常損耗策略加工。電極結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，編程時選擇自由形狀。為了使扭曲的弧面獲得較高的表面質(zhì)量，選用3D搖動模式。此外，還設(shè)置如表1所示的電火花加工參數(shù)。

4.2" 加工實施

4.2.1" 閉式整體葉輪加工工序

結(jié)合三元流閉式整體葉輪電火花加工參數(shù)，將閉式整體葉輪加工劃分為以下3個工序。

1）三元流閉式整體葉輪粗加工。該工序在具體實施中，需采用球形銑刀將每2片葉片之間的流道內(nèi)材料銑削除去，銑削由葉片輪蓋側(cè)開始，逐步向葉片輪轂側(cè)推進，球形銑刀的規(guī)格由大到小逐步變換，最終得到預(yù)先設(shè)計的圓弧倒角。這種方法效率高，尤其適用于大型不銹鋼、合金鋼、鈦合金材質(zhì)的閉式整體三元流葉輪粗加工。此外，還可通過應(yīng)用軟件構(gòu)造三元葉輪的立體模型，根據(jù)模型上的流道的曲面曲率和葉片的扭曲角度，將流道劃分為若干個加工區(qū)域，然后分別對每個區(qū)域進行加工。這些方法都有效地提升了三元閉式葉輪流道粗加工的精度和效率。

2）三元流閉式整體葉輪中加工。為了實現(xiàn)對葉輪輪廓的打造，為精加工預(yù)留足夠的加工余量，將工具電極分別設(shè)置在三元葉輪流道進口處。同時，將類似鐮刀狀的工具電極設(shè)置在流道出口處。

3）三元流閉式整體葉輪精加工。為實現(xiàn)對三元流閉式整體葉輪葉片精確化加工，提高該葉輪出口高度、位置精度，確保該葉輪表面粗糙度符合相關(guān)標(biāo)準和要求，需將石墨設(shè)置為工具電極材料，并選用石墨加工機床，完成對工具電極的制作。

如圖3所示的類似鐮刀狀的工具電極，整個外形厚度沿著不規(guī)則曲線進行變化，制作過程比較復(fù)雜，制作難度較大，該工具電極需要使用五軸聯(lián)動數(shù)控機床雕銑。因此，在制作該工具電極時，需做好對切削力、材料內(nèi)應(yīng)力的調(diào)整和控制，避免因切削力、應(yīng)力過大而導(dǎo)致工具電極出現(xiàn)嚴重變形，從而達到精確化制作工具電極的目的。

4.2.2" 閉式整體葉輪電火花加工需解決的難題

三元流閉式整體葉輪電火花成形加工需解決以下3個難題：①電極設(shè)計與運動軌跡規(guī)劃。需要合理設(shè)計電極形狀及其運動軌跡，以確保加工過程中電極與葉輪的間隙均勻，提高加工精度和效率。②加工誤差控制。加工過程中需對放電間隙一致性、電極損耗對流道成形精度的影響以及電極搖動加工對成形面的誤差進行分析和控制，以減小加工誤差，提高葉輪的整體制造精度。③工裝夾具設(shè)計與制造。需要設(shè)計并制造專用的工裝夾具，以確保葉輪在加工過程中的穩(wěn)定性和定位精度，從而提高加工質(zhì)量和效率。閉式整體葉輪下流道加工圖如圖4所示。

4.3" 加工結(jié)果

當(dāng)三元流閉式整體葉輪精加工結(jié)束后，需要經(jīng)過檢測人員檢測該葉輪尺寸和位置精度是否達標(biāo)，同時，還要檢測該葉輪表面粗糙度是否符合相關(guān)要求。

4.3.1" 葉輪流道尺寸精度、位置精度檢測

檢測步驟如下：檢測人員運用數(shù)控機床的在線檢測功能，依次檢測葉輪各個流道尺寸和位置精度。同時，為更好地檢驗葉輪流道加工是否滿足相關(guān)精度要求，提高檢測結(jié)果的精確度，為單個檢測項目有針對性地設(shè)置2～5個位置，并對其位置精度進行有效檢測。經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)該葉輪流道形狀誤差控制在-0.1～0.1 mm之間，符合預(yù)期設(shè)計標(biāo)準和要求。

4.3.2" 葉輪表面粗糙度和表面質(zhì)量檢測

為檢測該葉輪表面粗糙度是否符合相關(guān)設(shè)計要求，檢測人員采用比對法，對其進行精確化檢測。檢測結(jié)果表明：該葉輪表面粗糙度達到Ra 3.3 μm，符合預(yù)期設(shè)計要求。此外，采用目測法，檢測該葉輪的表面質(zhì)量是否達標(biāo)，經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)該葉輪表面含有低于0.06 mm尺寸的輕微電極接痕，說明該葉輪表面質(zhì)量達標(biāo)。

5" 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前閉式整體葉輪加工面臨的挑戰(zhàn)與難點，分析閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)特點，并確定相關(guān)加工要求。同時，運用電火花加工技術(shù)獨特原理和優(yōu)勢，完成對直徑為550 mm的大型閉式整體葉輪高精度加工。研究結(jié)果表明：閉式整體葉輪電火花加工技術(shù)可以突破切削力、工件硬度等限制，提高閉式整體葉輪加工精確度，滿足閉式整體葉輪高精度加工需求。未來，相關(guān)技術(shù)人員要研究更高效的電火花加工設(shè)備和技術(shù)，如優(yōu)化電極材料和尺寸、改進放電參數(shù)和加工過程，以提高加工效率和質(zhì)量。同時，還要引入更先進的智能化控制系統(tǒng)和機器視覺技術(shù)，實現(xiàn)加工過程的自動化和數(shù)字化，減少人為因素的影響，提高加工精度和效率，只有這樣，才能促使閉式整體葉輪電火花加工變得更加高效化、智能化。

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