張昆，張曉陽(yáng)，鐘曉紅，沈巖，白淳，馬海鵬

（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

大柵距帶葉冠渦輪盤電火花加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

張昆，張曉陽(yáng)，鐘曉紅，沈巖，白淳，馬海鵬

（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

以大柵距帶葉冠渦輪盤電火花加工工藝設(shè)計(jì)為例，分析了數(shù)控電火花加工的電極設(shè)計(jì)方案，給出了提高加工效率的工藝方法。通過(guò)采用整體式成組電極的方法，實(shí)現(xiàn)了工藝的再優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了再次提高加工效率的目的。

帶葉冠渦輪盤；電火花加工；成組電極；工藝優(yōu)化

整體式帶葉冠渦輪盤加工技術(shù)是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。從結(jié)構(gòu)上可分為不帶葉冠開(kāi)放式和帶葉冠半封閉式兩類，其中，帶葉冠半封閉式整體渦輪盤是當(dāng)今國(guó)際航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的渦輪盤、導(dǎo)向環(huán)及靜葉柵類零件，都已采用了帶葉冠設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤也較多采用整體式帶葉冠結(jié)構(gòu)。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工技術(shù)是我國(guó)目前實(shí)現(xiàn)整體式帶葉冠渦輪盤工程化生產(chǎn)最可行的高精度加工技術(shù)[1]。由于受數(shù)控電火花加工特點(diǎn)所限，加工效率低一直是航天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的瓶頸問(wèn)題。為此，需在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷開(kāi)展工藝優(yōu)化工作，提高生產(chǎn)效率。

1 研制工藝設(shè)計(jì)

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴葉柵環(huán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。葉片數(shù)為21片，葉片跨距大，且細(xì)而狹長(zhǎng)，葉片之間的通道最窄處約為2.55 mm，單個(gè)電極無(wú)法到達(dá)通道對(duì)面，故只能設(shè)計(jì)成左右兩個(gè)大小不一的電極[2]。前期研制階段通過(guò)工藝攻關(guān)，設(shè)計(jì)完成的左右兩種電極見(jiàn)圖2。通過(guò)加工試驗(yàn)，葉片精度達(dá)到圖紙要求，但單個(gè)零件的加工周期需30天左右，已成為型號(hào)研制的瓶頸。

圖1 噴嘴葉柵環(huán)葉片三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 噴嘴葉柵環(huán)加工電極

2 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著型號(hào)研制的進(jìn)行，采用原先的工藝方案已不能滿足模樣階段的生產(chǎn)進(jìn)度要求。為此，對(duì)原有工藝方案進(jìn)行了工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)：將原電極的放電型面內(nèi)縮0.5 mm作為粗加工電極；為改善放電加工環(huán)境，促進(jìn)加工屑的快速排出，在左、右電極的頭部各增加一個(gè)沖液孔[3]（圖3）。

圖3 噴嘴葉柵環(huán)帶沖液孔的粗加工電極

通過(guò)此次工藝優(yōu)化，不但加工效率有了大幅提高，且相對(duì)于原先的工藝方案，電極數(shù)量也大大減少。數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 噴嘴葉柵環(huán)工藝優(yōu)化前后的電極數(shù)量對(duì)比個(gè)

通過(guò)表1可看出，工藝方案優(yōu)化前，加工21個(gè)葉片通道需7個(gè)電極；而采用粗、精加工的優(yōu)化方案后，整個(gè)加工過(guò)程只需采用4個(gè)電極，降低電極成本約43%。采用優(yōu)化后的電極進(jìn)行加工試驗(yàn)，優(yōu)化前后所用的時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 噴嘴葉柵環(huán)工藝優(yōu)化前后的加工時(shí)間對(duì)比

從表2可看出，工藝優(yōu)化后，單個(gè)葉片通道的加工時(shí)間比優(yōu)化前提高了4.3 h；加上所用電極數(shù)量減少了3個(gè)，電極安裝、找正等輔助時(shí)間也大大減少。按每個(gè)電極安裝、找正、復(fù)檢等輔助時(shí)間為2 h計(jì)算（下同），原工藝方案的單件產(chǎn)品加工時(shí)間為：

工藝優(yōu)化后的單件產(chǎn)品加工時(shí)間為：

即工藝優(yōu)化后，效率提高了35.64%。

3 工藝再優(yōu)化設(shè)計(jì)

雖然通過(guò)工藝優(yōu)化提高了生產(chǎn)效率，但由于該噴嘴葉柵環(huán)的葉片柵距較大，加工過(guò)程中必須工件旋轉(zhuǎn)伺服放電，即要求機(jī)床必須配置A軸且能五軸聯(lián)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)該零件的加工，因此導(dǎo)致機(jī)床的使用成本較高。在之前的加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，所用的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花機(jī)床，在精加工時(shí)的加工電流約為10 A，而粗加工時(shí)的加工電流約為18 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出機(jī)床大電流加工的性能。為此，針對(duì)之前的優(yōu)化工藝進(jìn)行了再優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從圖1可看出，噴嘴葉柵環(huán)的葉片中間部分通道較狹長(zhǎng)，而進(jìn)出口部分較開(kāi)闊，且進(jìn)出口部分的加工面積占總加工面積的70%左右。如果能將此部分快速加工掉，不但可降低原來(lái)精加工電極頭部的損耗，而且可大大提高加工效率。為此，設(shè)計(jì)了整體式成組電極（圖4）?？紤]到機(jī)床A軸旋轉(zhuǎn)伺服放電時(shí)的效率比直線軸低很多，故將該整體式成組電極設(shè)計(jì)成僅需X軸直線運(yùn)動(dòng)即可完成加工。為了減少電極安裝、找正及定位時(shí)間，將左右電極設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，在電極中心位置設(shè)計(jì)了一個(gè)定位孔，可實(shí)現(xiàn)電極的快速定位。

圖4 整體式成組電極及加工示意圖

采用該整體式成組電極加工時(shí)，機(jī)床加工電流在40 A左右，大大提高了機(jī)床的性能利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該電極加工3個(gè)通道，平均用時(shí)3.6 h，即僅用1.2 h就完成了單個(gè)通道70%左右的去除量，效率提高明顯。

去除葉片通道的大部分余量后，為了能充分利用機(jī)床的加工性能，又重新設(shè)計(jì)了粗加工整體式成組電極（圖5）。由于右電極較狹長(zhǎng)，為降低電極的加工難度，只采用兩個(gè)通道的電極進(jìn)行成組，可利用五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控單向走絲線切割機(jī)床進(jìn)行加工。同樣，采用該整體式成組電極粗加工完畢后，精加工時(shí)也可采用類似結(jié)構(gòu)的整體式成組電極。

最終采用工藝再優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的加工數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，可計(jì)算出單件產(chǎn)品的加工時(shí)間為：

工藝再優(yōu)化后，效率提高了32.66%。

表3 噴嘴葉柵環(huán)工藝再優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖5 粗、精加工整體式成組電極

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大柵距帶葉冠渦輪盤電火花加工工藝進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但提高了機(jī)床性能的利用率，還大大降低了產(chǎn)品成本。采用再優(yōu)化工藝方案加工的產(chǎn)品，其葉形精度、位置度、表面質(zhì)量等均達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙要求。通過(guò)本次工藝優(yōu)化，大大緩解了型號(hào)研制產(chǎn)品的批生產(chǎn)壓力，對(duì)于其他帶葉冠整體式渦輪盤的數(shù)控電火花加工具有很好的借鑒意義。

[1]陳濟(jì)輪.數(shù)控電火花加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望[J].電加工與模具，2011（增刊）：27-28.

[2]田繼安.渦輪轉(zhuǎn)子噴嘴葉柵環(huán)帶冠葉片電火花加工[J].航天制造技術(shù)，2003（4）：16-17.

[3]張昆，陳濟(jì)輪，鐘曉紅.帶葉冠渦輪盤數(shù)控電火花加工工藝優(yōu)化研究與應(yīng)用[C]//2007年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集-第12屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議專輯.長(zhǎng)沙，2007：76-79.

Electrical Discharge Machining Process Optimization for Large Lattice Spacing Turbine Blisk with Shrouded

Zhang Kun，Zhang Xiaoyang，Zhong Xiaohong，Shen Yan，Bai Chun，Ma Haipeng
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

By Electrical Discharge Machining(EDM)process design of the large lattice spacing shrouded blisk as an example，the electrode design plan of NC EDM is analyzed，and the process of improving the machining efficiency is given.Using the method of integral group electrode，the optimization design process is realized，and the purpose to enhance the machining efficiency is achieved again.

turbine blisk；EDM；group electrode；process optimization

TG661

A

1009－279X（2014）06－0053-03

2014-08-05

張昆，男，1976年生，高級(jí)工程師。