组装式增压机三元叶轮整体特种加工技术研究

王鹏　刘振宇　刘鑫

【摘 要】组装式增压机三元叶轮难点叙述，电火花加工方法优点描述，电极设计思路，电极拆分原理，电极运动轨迹描述和加工结果展示

【关键词】组装式增压机三元叶轮；电火花加工；电极设计；电极拆分；电极运动轨迹

1、前言

组装式增压机三元叶轮由于叶轮直径较小，叶片空间扭曲程度较大，造成流道空间非常狭窄，需要用较小的机加工刀具完成铣削加工，给机加工方法带来一定的困难。同时，叶轮狭窄的流道空间给焊接带来一定的难度，焊接可达性及焊接质量难以保证。因此，考虑采用电火花成形加工方法，整体加工一次成形叶片及流道空间，避免机加工方法和焊接困难，同时提高叶轮的整体质量。

2、电火花加工路线设计

2.1、电极材料选择

在电火花加工中，电极与工件材料的物理特性对放电蚀除量具有重要影响。工具电极耐蚀性越高，损耗越小，加工精度越高。工件材料耐蚀性越低，蚀除量越大，加工速度越高。要减少电极损耗，应选用合适的材料。电火花加工常用的几种材料如下：

（1）钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，所以除线切割用钨钼丝外，其他很少采用。

（2）铜的熔点虽然较低，但是其导热性好，因此损耗也较少，又能制成各种精密、复杂的电极，常用于中小型腔模具或零件的加工。

（3）石墨电极不仅热学性能好，而且在宽脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗，所以相对损耗很低，目前广泛用作型腔模具的加工。石墨电极的损耗，很大程度上取决于材料的结构和它的机械抗弯强度。

（4）铜钨、银钨合金等复合材料，不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小。但是由于其价格较贵，制造成形比较困难，因而一般用在精密电火花加工。

石墨和铜相比，石墨刚性比铜好，铣削性能好，不起毛刺，铣削力小，重量轻，电极倾覆力矩小。电加工上石墨损耗小，加工速度相对较快，但光洁度较差，易碎，需使用专用加工机床。选用石墨主要看重易加工，重量轻，损耗小的特点。

2.2、电极结构及轨迹

设计电极结构的同时也要考虑电极的运动轨迹。除此之外还应注意电极的强度，必要时要增加加强筋；最大安全放电单边缩放量，依据加工档位进行计算得来；电极加工的难易程度，比如加工不开放的大扭曲度内腔曲面就使得电极制造难度增大；安全保证，从设计角度应尽量避免人为安装错误、基准面使用错误等问题。

加工轨迹的设计实际是对电极制造、机床运动复杂度、误差分析等的综合考虑。对于一个形腔，简单的电极设计是按比例缩小，只要电极能够顺利的以直线方式加工进入预定的位置，再配合运动机床的其他轴使形腔加工到位即可。对于简单形状的电极结构，比如方形、圆形、菱形等轨迹运动不会产生太大的误差，电极的制造也简单。如果复杂的形腔，就要考虑使用形状简单的电极，依靠比较复杂的运动来进行加工。

3、电极加工设计方案

在三元闭式叶轮整体加工技术中，随着与先进数控技术和高精密机床相结合，数控电火花（NC-EDM）加工已经发展成为一种高水平的特种精密加工技术，其制造柔性好、加工精度高、表面粗糙度低，是目前叶轮加工领域广泛采用的特种加工技术。电火花加工叶轮复杂弯曲型腔可以保证叶片精度、表面质量以及加工过程中的可靠性。

对于空间扭曲度特别大的流道和叶片形面，采用三元叶轮整体加工采用多个电极对应多组数控运动的加工方案，以求达到高精度、高效率整体加工三元闭式叶轮的目标。

3.1、三元闭式叶轮电火花加工特点

图1为三元闭式叶轮实体造型，为了便于观察叶片和流道空间的形状，模型中去除了轮盖部分。该叶轮圆周上均布13个叶片，流道空间较窄；流道进气口空间径向较宽，圆周方向较窄；出气口空间轴向部分较窄而圆周方向较宽。从模型中可以看出，两个相邻叶片之间形成了扭曲度很大、且进出口截面形状显著变化的流道空间。

分析该叶轮的结构特点，并且结合电加工工艺流程，此三元闭式叶轮电火花加工主要有一下特点：

（1）叶片间流道狭长，两端开口中间封闭，并且弯扭程度大。由于受到进口、出口尺寸和扭曲度大的限制，电极的可达性差，即采用多轴联动，需要设计多个成形电极和对应得多组数控运动。

（2）在每个电极形面及其运动轨迹设计时，必须注意各电极之间基准的统一，以消除由于对接所产生的接痕问题。

基于以上特点，设计了三元闭式叶轮数控电火花加工方案，尤其是电极设计及其运动轨迹的设计。

3.2、根據结构划分合理的加工区域

在确定具体的电极形面及轨迹设计之前，必须先确定电极的个数。为此，在计算机中提取流道的三维造型，将其划分成若干区域，对各个区域分别设计相应的成形电极进行加工。

三元叶轮流道电火花加工区域划分需要注意以下几项原则：

（1）在能够完成整个流道加工的情况下，尽量减少区域的个数。区域过多会增加电极的数量，延长设计、制造周期，影响加工形面的整体性。

（2）每个区域的空间造型应尽量简单，以降低成形电极的设计和制造难度。

（3）各区域应尽量靠近流道进口或者出口处，以方便加工时电极自由进给。

合理的划分加工区域可以减少电极的数量，简化成形或者近似成形电极的设计难度，也简化了加工轨迹的设计，对提高叶片加工精度、缩短工艺设计和加工周期、降低加工成本都具有重要意义。另外，确定各区域加工的先后顺序也很重要，一般不能任意调换否则会增加电极的损耗，降低加工效率。

3.3、电极成形面的数值求解

采用图3的加工方案，在设计每个区域电极时都以叶轮零点和定位销孔为基准，建立相同的三维坐标系Oxyz，以保证所有的电极基准统一。

电极的形面设计采用等间隙方法求解电极的成形面。假设电火花加工的平均放电间隙为δ（半精加工时δ值相对较大，而精加工时精度要求较高、表面粗糙度低，对应的δ值较小），在流道各区域待加工形面上均匀采集足够多的型值点，得到型值面上的型值点集。根据型值点集坐标进而得到电极的理论形面。

3.4、电极结构优化设计

数值解法只能得到理论的电极加工形面，但是要得到最终适合加工的电极还需要做进一步的完善和优化，组合电极的技术特点需要遵循上述的电极结构设计的原则，设计出分区加工的电极。

叶轮流道加工电极的设计应保持相对完整的流道结构特征。粗加工电极拆分成五部分。

根据流道特征及运动干涉检查，流道进口电极拆分成上、下两部分。流道出口电极拆分成上、中、下三部分，叶轮流道出口、进口粗加工电极结构及走刀轨迹示意图如下：

电极与夹具的衔接部位设计成长方体结构，这样的设计便于电极与夹具的装卡、找正，保证了运动轨迹的精准性。

为了保证电极的定位精度和运动精度，所有电极座长方体表面被作为定位基准和加工基准，电极座表面的加工粗糙度为Ra0.8，相互垂直度≤0.005mm，平面度≤0.005，其它各面的位置度0.03mm。

电极的设计图纸如下图所示，石墨电极根据设计图纸在雕刻机上制作完成。雕刻从加工原理上讲是一种钻铣组合加工。

设计出电极形状后，设计电极的走位轨迹和干涉检查，如果没有问题，输出电火花机床的电极走位程序。

4、电火花加工表面检测

电火花加工后的工件表面，由于受瞬时高温作用和液体介质冷却作用，化学成分和物理学性能都会不同程度的发生变化。

4.1、表面变化层

电火花加工后，表面层化学成分和组织结构发生很大变化，变化了的这一部分称为表面变化层。表面层又分为熔化层和热影响层。对于碳钢来说，熔化层在金相照片上呈现白色，即白层。热影响层又分为间层和过渡层。

表面变化层的厚度与工件材料的种类、加工时的电参数有关。单个脉冲能量越大，即脉冲宽度越宽、峰值电流越大，表面变化层的厚度就越大。单个脉冲能量一定时，脉冲宽度越窄，熔化凝固层越薄，因为大部分金属不是熔化而是在汽化状态下被抛出蚀除，不再残留在工件表面。

电火花成形加工中，一般粗、中规准加工表面变化层厚度大约在0.05-0.10mm以内，但一般不超过0.1mm；精规准的表面变化層厚度约为0.002-0.05mm。

热影响层中靠近熔化凝固层部分，由于受到高温作用并且迅速冷却，形成淬火区，其厚度与条件有关，一般为2-3倍的Rmax值。脉冲宽度越宽，向内传的热量就越多，热影响层也越厚。

4.2、表面变化层的力学性能

表面变化层的力学性能主要是指显微硬度、残余应力、高温持久强度与室温疲劳强度等指标。

显微硬度。

电火花加工后，表面变化层变硬了还是变软了，一直是人们所关心的问题。大量的实验证明：工件在加工前由于热处理状态及加工中电参数的不同，加工后的表面变化层显微硬度变化也不同。

残余应力。

电火花加工和其他机械加工一样，表面变化层都有残余应力。表面残余应力使材料的抗疲劳强度下降，甚至会造成表面裂纹。

表面变化层的参与应力大小和分布，主要和材料在加工前热处理的状态及加工时的脉冲能量有关。一般淬火钢的表面变化层的残余应力要比未淬火钢的残余应力大。

当淬火钢的热处理质量不高时（如加热温度过高、淬火介质选择不当、回火不充分等）表面残余应力更大。因此，在加工中一定要注意工件的热处理质量，以减少工件表面的残余应力。

高温持久强度与室温疲劳强度。电火花加工后，工件表面变化层金相组织的变化影响了高温持久强度和室温疲劳强度。

由于转子长时间不间断的高速旋转，高温、高压的工况条件十分严酷，因此需要叶轮具有高温持久强度。

电火花加工表面存在着较大的拉应力，还可能存在显微裂纹，因此其耐疲劳性能比机械加工的表面低许多倍。

大量实验表明，可以通过以下两种方式提高高温持久强度与室温疲劳强度：

①采用回火处理、喷丸处理等，有助于降低残余应力，或使残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。

②把表面变化层去掉，如磨料流抛光、机械抛光、电解抛光等表面处理方法，来改善加工后工件表面的质量。

经过电火花加工后的叶轮流道表面存在着变质层，如果不去除影响叶轮材料避免的力学性能和疲劳强度。因此在电火花加工后对叶轮进行磨料流加工，以去除变质层。

5、技术关键及创新点

采用了先进的电火花成型加工工艺，采用整体加工方式，解决了机加工方法无法实现的加工难题，并且没有加工残余应力，精度高、整体加工质量好。

叶片的电火花成形加工有以下几个创新点：

1）电极的设计思路。三元叶轮流道空间扭曲程度大，结构复杂，电极的拆分具有一定的复杂性和创新性，拆分为几块电极共同加工出叶轮的流道空间；

2）电极轨迹及夹具设计。电极的轨迹遵循简单化设计思路。考虑叶轮的流道空间结构复杂，电极与叶轮复合运动来保证在简单轨迹的运动下不发生干涉。

参考文献：

[1]曹凤国.电火花加工技术[M].北京：化学工业出版社，2005

[2]刘辰，徐家文，赵建社等.三元流闭式叶轮组合电加工技术研究II—数控电解预加工[J].航空学报，2010，31（4）：871-875

[3]曹祖时.现代电火花技术在航空工业中的应用[J].航空制造技术，1998（6）：41-43.

[4]貟敏，于源，王小椿.整体涡轮盘电火花加工电极设计及运动研究[J].西安石油学院学报：自然科学版，2003，18（1）：54-56.