徐衛(wèi)宏，宋偉偉，高素芳

（1.中國航發(fā)南京輕型航空動力有限公司，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)動機中的核心部件，直接關系到發(fā)動機系統(tǒng)的成敗，是決定整機性能和維護成本的關鍵部件之一。整體葉盤結構是提高發(fā)動機部件效率的新型結構，將葉片和風扇盤設計成一體，省去常規(guī)風扇盤連接的榫齒和榫槽，大大簡化結構和重量，此結構已經在先進軍用發(fā)動機的三級風扇、高壓壓氣機的整體葉盤轉子得到了驗證應用[1–3]。整體葉盤通用的工藝方案是采用銑加工開槽、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。由于其設備的局限性以及刀具的可達性，造成銑加工開槽工序留有的余量較大，嚴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，制約了零件生產周期和產品質量。高效率、高質量、低成本地加工整體葉盤類零件成為研究人員關注的目標[4–5]。

本文提出了一種利用電火花線切割代替銑加工進行通道開槽，并與電火花成形加工相結合的工藝方案，實現了整體葉盤通道、葉盆和葉背的高效、高質加工，方案中所研究的多軸線切割及特有的內外輪廓切割走絲裝置是工藝實現的關鍵技術，通過對所采用的新結構、新技術進行闡述和分析，為整體葉盤加工和制造提供借鑒。

1 整體葉盤零件結構特點和工藝方案分析

1.1 整體葉盤零件結構特點

圖1所示為航空航天發(fā)動機用典型整體葉盤的三維造型圖，其裝配在發(fā)動機的主支撐軸上，服役于高溫區(qū)，使用工況環(huán)境惡劣，對材質的耐高溫性、耐磨性、致密性等要求較高。高溫耐熱合金為首選材料，但這種材料機械加工難度大，是結構設計和加工的難題。

圖1中整體葉盤與主支撐軸由定位子口和4 個通孔連接固定，與主支撐軸安裝配合，外環(huán)均勻分布。其結構特點和難點為：（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，葉片數量30 個；（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，葉片上緣為開式，下緣與基體相連，兩相鄰葉片之間在空間形成上開、下連且狹長的空間通道；（3）葉片細長，上緣最小厚度僅有0.2mm，下緣最寬厚度約為6mm，葉片單邊長度55mm，葉片長與厚度比平均為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槽、半粗銑葉型、精銑加工葉型3 個工序完成葉片通道、葉盆和葉背的加工[6–8]。銑加工開槽工序為預加工，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題：（1）加工部位為細長結構、加工材料為高溫耐熱合金，使用刀具直徑小而長、剛性相對較差，受結構和刀具的局限性以及刀具可達性的限制，造成銑加工開槽留有較大余量，嚴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）刀具細長、價格高，刀具極易磨損，加工高溫合金材料每次進給量不能太大，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，蝕除物再利用價值較低。

電火花線切割技術采用沿著自身軸線方向運行的電極絲作為工具，對零件進行切割。具備以下技術優(yōu)勢：

（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 的圓電極絲按設計的軌跡進行切割，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”。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有宏觀機械作用力，因此可實現精密微細加工，能夠方便地加工形狀復雜的窄縫、窄槽等。

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

（4）“再利用”。自動化程度高，操作方便，加工周期短，成本低。只對零件材料進行圖形輪廓加工，不破壞其他部分，特別是對貴重材料，圖形內外切割的余料為整體材料，再利用價值高。

通過分析銑加工開槽工藝方法、通道結構，以及電火花線切割加工的獨特優(yōu)點，本文提出了一種采用多軸線切割技術替代銑加工開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外輪廓切割走絲裝置設計

2.1 葉片間通道多軸線切割工藝方案設計及機床研發(fā)

針對整體葉盤通道的結構特點，采用電火花線切割加工工藝，本文就線切割機床結構方案進行探討。由于整體葉盤型號種類多，直徑200～500mm 不等，葉片數約為25～35 個，均勻分布。若在傳統(tǒng)的電火花線切割機床上加工，每一個型號就要做一種夾具，不僅夾具制作費用高，而且制作周期長，影響零件整體進度。本文提出了帶有雙轉軸工作臺的多軸數控電火花線切割機床，確定了圖2所示的HX6325 電火花線切割機床，結構和技術參數為工作臺尺寸≥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；最大加工工件質量為250kg；直線軸脈沖當量為0.001mm；B、C軸控制當量為0.001°；B軸偏轉角度為–15°～30°；C軸旋轉角 度 為360° ；C軸最大轉速為4 r/min；C軸回轉定位精度≤25"；C軸回轉重復定位精度≤10"；X、Y軸定位精度≤0.015mm；X、Y軸重復定位精度≤0.008mm；表面粗糙度Ra≤0.6～0.8μm；h=60mm 時最大切割速度≥180mm2/min；多次切割平均速度為40～60mm2/min；最大加工電流為8A。采用五軸數控/四軸聯(lián)動，以滿足不同型號的加工要求。

圖2 HX6325 多軸數控電火花線切割機床Fig.2 HX6325 multi-axis CNC WEDM machine

該機床針對整體葉盤通道的結構特點，重新研制開發(fā)了電火花線切割多軸聯(lián)動加工系統(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動參數，可實現一般平面加工、極坐標加工、雙旋轉坐標加工、二軸單旋轉聯(lián)動加工、二軸雙旋轉聯(lián)動加工、四軸聯(lián)動加工和五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對空間直紋曲面形成原理的分析，采用直紋面運算算法，可實現復雜曲面的切割。

該機床在X、Y運動軸上安裝一個直徑600mm 的雙轉軸工作臺，采用北京漢飛航空科技有限公司多軸切割技術，完成不同型號的零件加工，無須制作對應的夾具，縮短了制作周期，節(jié)約加工成本。

2.2 內外輪廓切割走絲裝置設計

走絲系統(tǒng)和線架結構是實現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)域移動的平穩(wěn)程度，取決于走絲系統(tǒng)的傳動精度。電極絲運動的平穩(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構和切割狀態(tài)如圖3所示，大多采用上、下線臂結構形式，電極絲從上線臂通過零件再到下線臂，形成電極絲的閉環(huán)運行系統(tǒng)。在切割環(huán)形零件的內輪廓時，需重新穿絲，將電極絲穿過零件內環(huán)后再進行切割，這種方法操作煩瑣、輔助時間增加、加工效率低、生產成本高，如果重新穿絲和找正還會帶來精度損失。

圖3 電火花線切割線架結構和切割狀態(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外輪廓切割的走絲系統(tǒng)和線架結構[9]，可單獨完成外部輪廓的切割，以及一次上絲完成內外輪廓的切割。圖4是用于內外輪廓切割的走絲結構示意圖，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)形零件的內環(huán)和外環(huán)輪廓時，可以不重新穿絲和上絲直接移動線臂就可以完成內環(huán)輪廓和外環(huán)輪廓的切割，避免了反復穿絲、上絲步驟，簡化操作，提高了加工效率，同時解決了多次穿絲、多次找正對加工精度的影響。

圖4 用于內外輪廓切割的走絲結構示意圖Fig.4 Schematic of WEDM cutting structure in used of cutting internal and external contour

圖5是內環(huán)輪廓切割狀態(tài)示意圖，運用絲架的前端絲和后端絲對零件進行切割，在切割內環(huán)輪廓時，線臂帶動電極絲移動到零件的內環(huán)，使用第1 導向器、第2 導向器、第3 導向器和第4 導向器中間的電極絲去切割環(huán)形零件的內輪廓。圖6是外環(huán)輪廓切割狀態(tài)示意圖，同樣可運用絲架的前端絲對零件進行切割，在切割外環(huán)輪廓時，先將線臂帶動電極絲移出環(huán)形零件的內環(huán)，然后使用第1導向器和第2 導向器中間的電極絲切割環(huán)形零件的外環(huán)。

圖5 內輪廓切割狀態(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

上述走絲絲架結構可同時滿足整體葉盤中間是實心、空心結構的加工，使整體葉盤的加工更加方便。

2.3 工藝參數設計

根據前文分析，在通道切割過程中在以下5 個方面采取了措施。

（1）在裝夾找正方面，4 個固定螺釘的受力應一致，保證在切下某一段時盡可能減少應力的變化；應保證零件中心與回轉軸中心的重合，同軸度≤0.02mm，與XY運動軸的平面度≤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°對稱、跳躍切割，即按照第1 個通道、第16 個通道、第2個通道、第17 個通道……的順序進行切割。

（3）建立機床極坐標系，利用極坐標系編制程序，盡量選取0°、90°、180°、270°進行坐標點的計算，以減少因小數點計算引起的累計誤差。

（4）電極絲直徑、間隙補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、結構、走絲速度、電極絲張力、導輪運行狀態(tài)、工作液種類及臟污程度、脈沖電源電規(guī)準，以及伺服調節(jié)等因素的影響關系。用中走絲電火花線切割機床進行加工，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，再實際測量出放電間隙，經試驗，放電間隙為0.02mm。

（5）電參數選擇。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、開路電壓90V 的參數進行切割，取得了良好的切割效果。

3 整體葉盤典型零件工藝方案驗證

以航空發(fā)動機某典型整體葉盤（圖1）的葉片間通道加工為例，對電–電–銑工藝方案進行了驗證。

該驗證使用多軸數控電火花線切割機床（HX6325），對整體葉盤葉片的通道、葉盆及葉背型面余量進行多軸線切割加工：（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，輪廓余量最小；（2）作出電火花加工圖，使輪廓更均勻，達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，切割過程中對零件不產生加工應力，無應力變形問題，并且產品質量穩(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進度。

3.1 切割方案規(guī)劃

為最大化去除加工余量，對葉型輪廓截面進行分析，在每個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截面線進行偏置提取坐標數值，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，采用每個齒均進行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零件加工的均勻化。

圖7 每個葉片進行5 次切割示意圖Fig.7 Schematic of every blade cutting five times

為保證加工程序無誤，采用UG–NX10 軟件對切割輪廓軌跡進行模擬，對切割5 次的各截面進行自動檢查，確保各面留的余量盡量均勻且不過切。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)化的電參數對其進行切割。

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 次切割后實物照片。圖11是電火花成形加工后的實物照片。

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 次切割后實物照片Fig.10 Physical photos after 5 times of cuttings

圖11 電火花成形后實物照片Fig.11 Physical photos after EDM contour

3.2 切割后檢測結果

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，切割結束后，截取Z軸為125.8mm和90mm 兩個截面輪廓 （圖12），葉盆、葉背各選取2 點進行尺寸檢測，在4 個象限各選取1 點對葉根部進行尺寸檢測，然后與理論模型數據對應點進行比對，各點尺寸檢測數據比對及偏差如表1所示?？梢钥闯?，各點偏差均符合工藝及設計圖紙的要求。

表1 線切割后檢測結果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 結論

（1）通過航空整體葉盤典型零件工藝驗證，電–電–銑工藝方案是一種微應力、低成本、高質量、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切削力，應力變形小，刀具費用大幅降低，提高了加工效率，減少了在半粗銑加工及精銑加工時五軸設備的占用時間及昂貴的刀具費用，為整體葉盤加工研究和生產制造行業(yè)提供了新型工藝方案。

（2）本研究所采用的新機床方案和獲得發(fā)明專利的走絲系統(tǒng)不用重新穿絲、上絲，直接移動線臂就可完成內環(huán)輪廓和外環(huán)輪廓的切割，避免了反復穿絲、上絲，簡化操作，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和后續(xù)電火花成形加工技術及工藝參數，已經批量應用于多種型號航空發(fā)動機整體葉盤的加工。三坐標測量結果表明，加工的整體葉盤完全符合圖紙的設計要求，合格率達到100%，工藝成熟度較高，具有較高的推廣價值。實踐驗證了電–電–銑的工藝方案，以某型號整體葉盤為例，因電加工后材料余量均勻、余量控制相對穩(wěn)定，使精銑加工的時間縮減40h。傳統(tǒng)加工工藝一個周期加工≤50 件整體葉盤，而電–電–銑工藝一個周期內加工實現≥200 件整體葉盤。另外，電加工機床相對價格低，設備折舊低，如果整體葉盤加工任務批量大，可以多增加設備投入。電加工機床操作相對簡單，可以實現一人操作多臺設備，完成整體葉盤粗加工和半精加工的并聯(lián)加工，快速提升產能。