孫維澤，劉 鶴，趙騰蛟

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

隨著CO2、低溫氮等壓縮機(jī)市場的發(fā)展，對高精度二元窄流道葉輪的需求逐步提升，這類葉輪出口寬度最小值為4 mm左右，受其幾何尺寸限制，無法進(jìn)行銑削預(yù)加工，需全部利用電火花加工出流道形狀。由于該類葉輪流道屬于深窄型腔，電火花加工時(shí)放電面積小，并且流道曲率較大，加工過程中產(chǎn)生的熔渣很難排出，導(dǎo)致加工效率非常低。例如加工一個(gè)?400 mm，出口寬度為4.6 mm的葉輪，總體加工周期在40天左右，其開粗時(shí)間一般需要20～25天，占總加工周期的50%以上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求。因此，我們有必要對二元窄流道閉式葉輪的電火花加工工藝進(jìn)行深入研究，解決該類葉輪加工效率低的問題[1]。

為此，提出了一種新型粗加工電極——3D打印中空管配合石墨頭的電極，3D管的中空結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)部的沖油，排出熔渣，提高粗加工效率。最終將該電極應(yīng)用于實(shí)際加工中，完成葉輪的電火花加工。

1 二元窄流道閉式葉輪的結(jié)構(gòu)

圖1為一典型二元窄流道葉輪三維模型圖，該葉輪主要結(jié)構(gòu)如下：葉輪直徑為350 mm，流道出口寬度為4.6 mm，高度為40 mm，葉片厚度3 mm，葉根圓角為R1 mm，共13個(gè)葉片，葉輪材料為低溫鋼1Ni9。針對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無法采用銑制的辦法進(jìn)行預(yù)加工，只能完全采用電火花加工。

圖1 二元窄流道閉式葉輪模型（出口寬度4.6mm）

但是加工過程中流道屬于深窄型腔，葉片曲率較大，流道內(nèi)部的沖油十分困難，熔渣很難排除，導(dǎo)致加工一小段距離后，加工效率迅速下降。因此，將重點(diǎn)研究二元窄流道閉式葉輪加工過程中流道內(nèi)部的排渣方式，從而提高加工效率。

2 二元窄流道閉式葉輪電極規(guī)劃

電極設(shè)計(jì)分為：開粗短電極、開粗長電極、精加工電極[2]。由于的葉輪為整體加工，必須要拆分出多個(gè)電極進(jìn)行，拆分電極數(shù)的量盡可能減少，以提高加工效率[3]。

2.1 二元窄流道葉輪粗加工短電極設(shè)計(jì)

在加工初期，加工深度淺，容易沖油排渣，電極進(jìn)出也比較自由，因此開粗短電極設(shè)計(jì)為流道形狀向內(nèi)偏置的實(shí)體電極。

開粗短電極的設(shè)計(jì)簡單，體積大。為提高面積，盡可能多的快速去除材料，設(shè)計(jì)時(shí)開粗短電極的長度約為流道長度的四分之一，厚度為出口寬度向內(nèi)偏置0.3 mm，葉片方向?yàn)槿~片面偏置1 mm。為提高電極加工的速度，此電極不設(shè)計(jì)圓角。由于其放電量大，加工時(shí)間長，因此損耗較大，一般需要至少準(zhǔn)備3個(gè)粗加工電極。

2.2 粗加工長電極

之前的加工中，粗加工長電極均為短電極的延長版，但是隨著加工的深入，排渣非常困難，加工效率極低，峰值電流只有2～5 A左右，為了改善排渣條件，設(shè)計(jì)了一種新型粗加工長電極，并實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)部的沖油。

設(shè)計(jì)的3D中空管配合石墨頭的粗加工電極，如圖2所示。首先按照流道形狀設(shè)計(jì)一3D打印管，內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)沖油，管道前端預(yù)留斜向出油孔。管的最前端設(shè)計(jì)一梯形槽，進(jìn)而與石墨頭相配合。該3D中空管完全由3D打印方式加工。石墨頭為原粗加工長電極最前端部分，減寸量0.3 mm，后面設(shè)計(jì)一梯形凸起，與3D管相配合，石墨頭采用石墨高速銑機(jī)床進(jìn)行加工。

圖2 3D中空管配合石墨頭的粗加工電極

加工完成后，首先對3D中空管進(jìn)行找正，以保證尺寸的準(zhǔn)確性，防止電火花加工過程中造成過切。并且由于3D打印后存在一定的熱變形，而3D中空管剛性較差，無法進(jìn)行銑制加工，需要采用電火花的方式將3D中空管的上下表面打平，并保證尺寸小于葉輪出口寬度。保證3D中空管尺寸后，連接石墨頭，并用石墨膠加以固定。

石墨膠需要進(jìn)行如下工藝操作：

（1）待粘接表面去污，干燥處理；

（2）將沖油管置于凹槽內(nèi)，將攪拌均勻的石墨膠涂于凹槽內(nèi)；

（3）將此電極在溫度25℃～30℃環(huán)境下放置12～24 h，再加溫至80℃～100℃恒溫保持2 h，接著升溫至150℃恒溫保持2 h，然后緩慢冷卻。

新型粗加工電極制作完成后，在平面試件上進(jìn)行加工試驗(yàn)，該電極能夠順利進(jìn)入流道完成加工，可以用于實(shí)際生產(chǎn)中。

2.3 精加工電極

精加工電極分為入口電極和出口電極，設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定二者的拆分位置，本葉輪的入口處較窄，首先要考慮入口電極的順利進(jìn)出，因此入口電極設(shè)計(jì)較短，拆分位置靠近葉片前端，同時(shí)入口電極和出口電極相交處需要向前延長0.3 mm，用以補(bǔ)償加工過程中的電極磨損量。

電極加工時(shí)，需要左右各加工一次，加工時(shí)需要一定的旋轉(zhuǎn)角度，這個(gè)角度需要在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮，以保證加工過程中不發(fā)生軸盤或蓋盤上沒有加工殘留。電極的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)時(shí)，首先建立葉輪模型，在葉根處按照要求進(jìn)行倒角，之后圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)葉輪，直到旋轉(zhuǎn)后的葉片圓角與原葉輪圓角邊緣接近重合，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角度為A，則設(shè)計(jì)電極的旋轉(zhuǎn)角度為A/2，之后的設(shè)計(jì)中再加以微調(diào)。

電極的左右表面根據(jù)葉片型線設(shè)計(jì)，上下表面根據(jù)流道寬度設(shè)計(jì)，盡可能的增大電極厚度以增加放電面積，軸盤電極在圓角以下水平切割，出口的蓋盤電極為斜向切割，電極加工在石墨高速銑機(jī)床上進(jìn)行。

3 電極加工

對于二元窄流道葉輪的細(xì)長薄電極，采用一般的加工方式很容易造成電極的斷裂，需要提出新的加工方式。

3.1 支撐加工

加工時(shí)最大的問題在于電極的振動(dòng)，因此在電極的前段加以支撐，人為增加電極的剛性，通過將一帶螺紋的座固定在托盤上，在座中間擰上一根螺絲，通過旋轉(zhuǎn)螺絲調(diào)節(jié)支撐的高度，支撐時(shí)輕微接觸即可，此種加工方式可以實(shí)現(xiàn)水平加工，不產(chǎn)生振動(dòng)，但是無法實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，因此無法加工到電極的上表面，此種方案需要進(jìn)一步改善。

3.2 二次加工

為了解決電極上表面無法加工的問題，采用二次加工的方式來對電極進(jìn)行加工。首先還是按照圖3所示的支撐加工的方式，對電極進(jìn)行加工，但對于電極下方的區(qū)域也不進(jìn)行加工。

圖3 支撐加工電極

之后在多余的部分加工出找正坐標(biāo)系，由于的電極很長，因此對于X方向上加工出很長的平面，Y方向上也加工出盡可能長的平面，在二次找正時(shí)作為找正面使用。

然后將電極反轉(zhuǎn)壓在平臺之上，為了防止工作臺有誤差，以及防止加工時(shí)刀具與工作臺發(fā)生碰撞，先銑制一個(gè)石墨的平面，作為工作臺使用。首先將一大塊石墨固定在工作臺上，再銑制一基準(zhǔn)面，將電極壓在石墨平臺之上，通過探頭不斷測量X找正平面的數(shù)值，調(diào)整平臺角度，直至X軸找平面的平面誤差在0.02 mm以內(nèi)，此時(shí)將X軸找正面設(shè)為X軸0點(diǎn)，Y軸的找正面作為Y軸0點(diǎn)，建立新的加工坐標(biāo)系。最后在此坐標(biāo)系下，完成電極的加工。

圖4 二次加工方式加工電極

4 二元窄流道閉式葉輪電火花加工試驗(yàn)

在瑞士GF公司的FORM300五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成型機(jī)床上完成驗(yàn)證試驗(yàn)，F(xiàn)ORM300工作臺尺寸為750 mm×600 mm，轉(zhuǎn)臺為Φ500 mm，XYZ行程為600 mm×400 mm×450 mm，最大可加工約Φ450 mm葉輪。

為了減少電極規(guī)格數(shù)量，節(jié)約成本，提高粗加工效率，電火花加工通常在電極設(shè)計(jì)時(shí)留出一定的減寸量，然后用平動(dòng)方式完成型腔的精加工。對于葉輪流道這種復(fù)雜形狀的半封閉型腔，平動(dòng)方式只能選用3D球形平動(dòng)，三維形狀的電極可以通過這種平動(dòng)方式將電極形狀準(zhǔn)確傳遞給工件。

粗加工首先采用粗加工短電極進(jìn)行，之后采用實(shí)體粗加工長電極和3D中空管配合石墨頭的開粗電極分別進(jìn)行后續(xù)加工，為保證實(shí)驗(yàn)條件相同，采取相同的加工參數(shù)。

粗加工短電極加工之后，實(shí)體粗加工長電極單個(gè)孔加工時(shí)長為40 h，峰值電流僅為4 A左右，而3D中空管配合石墨頭的開粗電極加工時(shí)長為18 h，峰值電流在10 A左右。

圖5 二元窄流道電火花葉輪

加工分析：在用實(shí)體粗加工長電極加工時(shí)，采用了退刀和沖油相結(jié)合的方式，但由于流道過于狹窄并且曲率較大，排渣效果很差。在用3D中空管配合石墨頭的開粗電極加工時(shí)，實(shí)現(xiàn)了流道內(nèi)沖油，粗加工時(shí)間僅為實(shí)體電極的35%。

綜上所述，采用3D中空管配合石墨頭的開粗電極進(jìn)行電火花加工可以提高開粗加工效率、縮短加工周期。

5 結(jié)語

將3D中空管配合石墨頭的開粗電極應(yīng)用于二元窄流道閉式電火花葉輪的加工中，得出以下結(jié)論：

（1）電火花葉輪加工效率主要受到排渣條件的影響較大；

（2）采用3D中空管配合石墨頭的開粗電極可以有效提升電火花加工效率，縮短加工周期；

（3）該方案可以應(yīng)用于所有二元窄流道閉式電火花葉輪的加工中。