任鳳英，雷浩強(qiáng)，裴聰

葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法研究

任鳳英，雷浩強(qiáng)，裴聰

（中國航發(fā)成都發(fā)動機(jī)有限公司，四川 成都 610503）

采用封嚴(yán)槽的電火花加工方法，設(shè)計(jì)了一種在電極底座上固定的銅鎢合金塊。首先采用數(shù)控銑削加工的方式將兩塊銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴(yán)槽的形狀一致、位置相匹配的兩個電極。接著，在電極損耗后，同樣采用數(shù)控銑削加工的方式重新加工出兩塊銅鎢合金塊相應(yīng)的電極。減小更換電極的頻率，避免因頻繁更換電極造成電極位置波動而引起的封嚴(yán)槽位置度無法保證的問題。該方法使用兩個電極對渦輪導(dǎo)向葉片同一面上的大緣板和小緣板上的封嚴(yán)槽進(jìn)行同時加工，大幅提高了加工效率；同時，以銅鎢合金替代紫銅作為電極材料，銅鎢合金的強(qiáng)度更大，使用過程中電極不容易變形，提高了封嚴(yán)槽的加工精度及合格率。

葉片；徑向面；封嚴(yán)槽；組合電極；銅鎢合金；數(shù)控銑削

渦輪導(dǎo)向葉片是航空發(fā)動機(jī)部件中承受高溫和熱沖擊最厲害的零件，其工作條件十分惡劣[1]。葉片除受到較大的氣動功與不穩(wěn)定的脈動負(fù)荷外，還處于高溫燃?xì)獍鼑校ぷ鳝h(huán)境的溫度高且冷熱變化大，葉片的受熱嚴(yán)重不均勻。由于高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和硬度，因此常作為制作渦輪導(dǎo)向葉片的首選材料[2]。

為減小航空發(fā)動機(jī)漏氣損失，提高封嚴(yán)效果，需要在渦輪導(dǎo)向葉片上加工封嚴(yán)槽[1]。封嚴(yán)槽分別分布于葉片的大緣板和小緣板上，由于封嚴(yán)槽的槽深較深、槽寬較窄，加工的位置度要求和精度要求高，因而加工難度大。

1 葉片窄深封嚴(yán)槽的電火花加工現(xiàn)狀

一種帶封嚴(yán)槽的葉片如圖1所示。大緣板盆徑向面和背徑向面槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。小緣板盆徑向面和背徑向面上的封嚴(yán)槽結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。圖2中的K1－K1視圖以及圖3的K2－K2視圖如圖4所示。

1.大緣板盆徑向面 2.小緣板盆徑向面 3.大緣板背徑向面 4.小緣板背徑向面

5.大緣板盆徑向面和背徑向面上的封嚴(yán)槽

葉片窄深封嚴(yán)槽加工研制初期，采用活動的單個電極分別對葉片大、小緣板上的封嚴(yán)槽進(jìn)行單獨(dú)加工，加工易變形，封嚴(yán)槽尺寸及封嚴(yán)槽位置度不易保證，合格率極低。在設(shè)計(jì)電極時，把上、下緣板電極設(shè)計(jì)成單獨(dú)的活動塊，每個活動塊之間用螺釘連接后，再用另一組螺釘將活動塊組固定在電極底座上。因封嚴(yán)槽尺寸公差小，位置度要求高，形狀復(fù)雜，兩個單個電極與電極底座裝配間隙要求也很高。裝配完成后需對電極進(jìn)行測量，測量合格后才能進(jìn)行加工。電極經(jīng)試加工完零件后，經(jīng)對零件的檢測，槽寬尺寸及上、下緣板相對的位置度不能保證，且電極消耗很快，加工一件零件，就需更換一次電極。以活動電極塊加工的零件不能夠滿足設(shè)計(jì)。研制初期設(shè)計(jì)的活動電極如圖5所示。

6.小緣板盆徑向面和背徑向面上的封嚴(yán)槽

圖4 圖2的K1－K1視圖及圖3的K2－K2視圖

圖5 研制初期設(shè)計(jì)的活動電極

電極材料采用紫銅，損耗快，一個電極僅能加工一件葉片，加工效率極低。電極損耗后，更換困難、耗時長。研制初期設(shè)計(jì)的活動電極加工零件封嚴(yán)槽示意圖如圖6所示。

2 葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法改進(jìn)方案設(shè)計(jì)原理

新的葉片封嚴(yán)槽電火花加工方法需要實(shí)現(xiàn)以下功能：①保證葉片封嚴(yán)槽及位置度加工尺寸穩(wěn)定；②減小電極損耗、提高加工效率；③減小電火花重熔層深度；④電極損耗后，可以快速修復(fù)后使用。

圖6 研制初期設(shè)計(jì)的活動電極加工零件封嚴(yán)槽示意圖

為實(shí)現(xiàn)以上功能，葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法設(shè)計(jì)原理為：采用組合加工式電極一次加工大小緣版窄深封嚴(yán)槽工藝，實(shí)現(xiàn)葉片集成加工，達(dá)到高效加工難加工材料的目的。設(shè)計(jì)總體思路為：將兩塊銅鎢合金塊分別固定在電極底座上，然后采用銑削加工的方式將兩塊銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴(yán)槽的形狀一致、位置相匹配的兩個電極。兩個電極與底座相連形成組合電極，保證封嚴(yán)槽尺寸及位置度要求。電極材料選用銅鎢合金，提高電極耐磨性，延長電極使用壽命。設(shè)計(jì)葉片電火花加工封嚴(yán)槽專用夾具，采用優(yōu)化的電火花加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)葉片封嚴(yán)槽高精度、高效率加工。

3 葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法改進(jìn)方案試驗(yàn)

采用了兩種試驗(yàn)方法，參數(shù)要求見表１。

試驗(yàn)方法的步驟如下：

（1）取兩塊銅鎢合金塊，分別記作第一銅鎢合金塊9和第二銅鎢合金塊10，銅鎢合金塊上設(shè)置定位銷孔和螺紋孔，將第一銅鎢合金塊9和第二銅鎢合金塊10通過定位銷14定位后由螺釘15固定在電極底座7底面的兩端，電極底座的兩端還設(shè)有檢驗(yàn)孔13，分別用于檢測第一電極和第二電極在銑削加工成型后的位置度，在電極底座上安裝夾頭8，夾頭8包括主軸連接部8-1和帶螺紋孔的底座連接部8-1，主軸連接部8-1穿過電極底座上設(shè)置的夾頭安裝通孔且使底座連接部8-1通過螺釘15固定在電極底座上，然后置于數(shù)控銑床上采用銑削加工的方式將第一銅鎢合金塊、第二銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴(yán)槽的形狀一致、位置相匹配的第一電極11和第二電極12，如圖7所示。

（2）加工葉片的大緣板盆徑向面1和小緣板盆徑向面2上的封嚴(yán)槽：將葉片置于封嚴(yán)槽加工用夾具中，使葉片的排氣邊、背徑向面、大緣板圓弧端面分別與夾具相應(yīng)定位面定位，葉片與夾具定位面之間的間隙不大于0.02 mm，保證定位可靠后，用壓板將渦輪導(dǎo)向葉片壓緊，將裝置好葉片的夾具固定在電火花加工機(jī)床的工作臺面上，將帶電極的電極底座通過其上的夾頭固定在電火花加工機(jī)床的主軸上，使第一電極和第二電極分別對準(zhǔn)葉片大緣板盆徑向面1和小緣板盆徑向面2上的待加工部位，電火花加工采用脈沖電源，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的控制電壓、電流、放電間隙分別如表1所示，并使電極與待加工部位之間充滿煤油，啟動電火花加工機(jī)床，使第一電極和第二電極相對封嚴(yán)槽深度方向以0.5 mm/min的給進(jìn)速度對大緣板盆徑向面1和小緣板盆徑向面2的待加工部位進(jìn)行電火花加工，該徑向面上的封嚴(yán)槽加工完成后，將葉片從夾具中取出，用封嚴(yán)槽專用測具進(jìn)行檢測，結(jié)果表明封嚴(yán)槽的加工精度和位置度以及表面質(zhì)量均符合要求。

（3）加工葉片的大緣板背徑向面3和小緣板背徑向面4上的封嚴(yán)槽：將步驟（2）加工完畢的葉片置于封嚴(yán)槽加工用夾具中，使葉片的進(jìn)氣邊、盆徑向面、大緣板圓弧端面分別與夾具相應(yīng)定位面定位，葉片與夾具定位面之間的間隙不大于0.02 mm，保證定位可靠后，用壓板將葉片壓緊，將固定好葉片的夾具固定在電火花加工機(jī)床的工作臺面上，將帶電極的電極底座通過其上的夾頭固定在電火花加工機(jī)床的主軸上，使第一電極和第二電極分別對準(zhǔn)葉片大緣板背徑向面3和小緣板背徑向面4上的待加工部位，電火花加工采用脈沖電源，控制電壓為75 V，電流為6 A，放電間隙為0.05 mm，并使電極與待加工部位之間充滿煤油，啟動電火花加工機(jī)床，使第一電極和第二電極相對封嚴(yán)槽深度方向以0.5 mm/min的給進(jìn)速度對大緣板背徑向面3和小緣板背徑向面4的待加工部位進(jìn)行電火花加工，該徑向面上的封嚴(yán)槽加工完成后，將葉片從夾具中取出，用封嚴(yán)槽專用測具進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：封嚴(yán)槽的加工精度和位置度以及表面質(zhì)量均符合要求。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的金相檢查電加工部位的重熔層深度為0.023和0.028，符合設(shè)計(jì)要求。

在對封嚴(yán)槽進(jìn)行加工的過程中，當(dāng)?shù)谝浑姌O和第二電極損耗后，將損耗后的第一電極和第二電極銑掉，采用數(shù)控銑床以銑削加工的方式將固定在電極底座上的銅鎢合金重新加工成電極后繼續(xù)進(jìn)行封嚴(yán)槽的加工，當(dāng)?shù)谝汇~鎢合金塊和第二銅鎢合金塊用至不能銑削成第一電極和第二電極后，將電極底座上的第一銅鎢合金塊和第二銅鎢合金塊更換成新的并重新銑削加工第一電極和第二電極即可。

7.電極底座 8.夾頭 8-1.主軸連接部 8-2.底座連接部 9.第一銅鎢合金塊 10.第二銅鎢合金塊 11.第一電極 12.第二電極 13.檢驗(yàn)孔 14.定位銷 15.螺釘

表1 兩種實(shí)驗(yàn)方法的參數(shù)要求

4 主要創(chuàng)新點(diǎn)

（1）葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法，在電極底座上固定兩塊銅鎢合金塊，采用銑削加工的方式將兩塊銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與導(dǎo)向葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴(yán)槽的形狀一致、位置相匹配的兩個電極，形成組合電極，保證了封嚴(yán)槽尺寸及位置度要求。

（2）在電極損耗后[4]，采用銑削加工的方式對兩塊銅鎢合金塊重新加工出相應(yīng)的電極即可，這樣能大幅度減小更換電極的頻率，避免因頻繁更換電極造成電極位置波動而引起的封嚴(yán)槽位置度無法保證的問題。

（3）該方法使用兩個電極同時對導(dǎo)向葉片同一面上的大緣板和小緣板上的封嚴(yán)槽進(jìn)行加工，能大幅度提高加工效率。

（4）以銅鎢合金替代紫銅作為電極材料，銅鎢合金的強(qiáng)度更大，使用過程中電極不容易變形，有利于提高封嚴(yán)槽的加工精度、提高加工合格率。

5 試驗(yàn)效果

（1）在采用在銅鎢合金塊上反復(fù)加工電極的技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，電壓、電流、放電間隙以及電極給進(jìn)速度等工藝參數(shù)的控制和匹配合理，因此該方法能夠保證封嚴(yán)槽的加工精度和位置度，提高加工合格率，減小重熔層深度，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）采用的電極底座上設(shè)有分別用于檢測兩個電極在銑削加工成型后位置度的檢驗(yàn)孔，并采用數(shù)控銑床銑削加工兩個電極，上述因素都有利于保證兩個電極的加工精度，從而為葉片封嚴(yán)槽的加工精度和位置度提供有力保障。

（3）將兩塊銅鎢合金通過螺紋連接的方式固定在電極底座上，當(dāng)銅鎢合金塊用至不能再銑削加工成電極時，這種連接方式有利于方便快速地更換新的銅鎢合金塊，節(jié)約生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率[5]。

（4）采用現(xiàn)有電火花加工設(shè)備及數(shù)控銑床即可進(jìn)行生產(chǎn)，并且適用于葉片上各種結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)槽的加工，有利于推廣應(yīng)用。既可適用于機(jī)械加工性能極差的鎳基高溫合金材料的葉片加工[6]，也可用于不繡鋼葉片的加工，適用范圍較廣。葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法改進(jìn)方案試驗(yàn)加工，用創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造的組合加工式電極實(shí)物圖片如圖8所示，加工的零件三維圖片如圖9所示。

圖8 創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造的組合加工式電極實(shí)物圖片

圖9 試驗(yàn)方案加工的零件三維圖片

6 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，與采用現(xiàn)有的大、小緣板封嚴(yán)槽活動加工電極單獨(dú)加工的方法相比，同樣加工葉片的大、小緣板的盆、背徑向面上封嚴(yán)槽，采用創(chuàng)新改進(jìn)后的方法加工封嚴(yán)槽，加工合格率提高了60%以上，加工成本降低了30%以上，加工周期縮短了50%以上，并且每一組電極平均可加工8～10件葉片，使用壽命更長。

葉片封嚴(yán)槽的電火花加工方法應(yīng)用以來，國內(nèi)已應(yīng)用到艦載燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)葉片加工，國外已應(yīng)用到大型燃?xì)廨啓C(jī)葉片加工，對國內(nèi)外航空業(yè)、電力業(yè)及其他動力行業(yè)起到了一定的推動作用。

[1]沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司. 葉片制造技術(shù)（第一版）[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.

[2]（英）羅格 C.里德（Roger C.Reed）. 高溫合金基礎(chǔ)與應(yīng)用（第1版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：1-3.

[3]周旭光，等. 特種加工技術(shù)（第1版）[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4]趙萬生. 先進(jìn)電火花加工技術(shù)（第1版）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[5]任鳳英. 用于加工航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片封嚴(yán)槽的組合加工式電極[P]. 中國專利：ZL201521010381.8.

[6]王亞梅. 激光熔覆增才修復(fù)技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)葉片上的應(yīng)用研究[J]. 航空動力制造，2018，39（2）：3-5.

Edm Method for Blade Sealing Groove

REN Fengying，LEI Haoqiang，PEI Cong

( Chengdu Engine Co., Ltd., AECC, Chengdu 610503, China )

In this paper, a copper-tungsten alloy block fixed on the electrode base is designed by edm method of sealing groove. First, the two copper-tungsten alloy blocks were processed by numerical control milling into two electrodes with the shape and position of the sealing groove on the large edge plate and the small edge plate respectively. Then, after the electrode loss, two corresponding electrodes of copper-tungsten alloy were reprocessed by CNC milling processing, so as to reduce the frequency of electrode replacement and avoid the problem that the position degree of sealing groove could not be guaranteed due to the fluctuation of electrode position caused by frequent electrode replacement. In this method, two electrodes are used to simultaneously process the sealing groove of the large edge plate and the small edge plate on the same surface of the turbine guide blade, which greatly improves the machining efficiency. At the same time, copper-tungsten alloy is used to replace red copper as electrode material. The former has higher strength, and it is very difficult for electricity to be deformed in the process of use, which improves the machining accuracy and qualification rate of sealing groove.

vane；radial surface；air seals；compound electrode；CuW alloy；CNC milling

V261.6+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.012

1006－0316 (2020) 04－0070－05

2019－09－10

任鳳英（1972－），四川渠縣人，高級工程師，主要從事葉片加工技術(shù)工作。