复杂流道构件组合放电加工技术研究

宋国新，耿雪松，朱红敏

（1.西安航天发动机厂，陕西西安710100；2.苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

复杂流道构件组合放电加工技术研究

宋国新1，耿雪松1，朱红敏2

（1.西安航天发动机厂，陕西西安710100；2.苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

复杂流道构件的高效、高精度加工是液体火箭发动机的核心制造技术之一，随着发动机涡轮泵功率及涡轮效率的不断提升，涡轮泵复杂流道构件的加工去除量大幅增加，同时对加工精度的要求也越来越严格。故提出了高速放电铣削粗加工与多轴联动电火花成形精密加工复合的加工工艺，通过对复杂流道构件的高速放电铣削加工电极损耗补偿和多轴联动电火花成形加工轨迹规划等技术的研究，实现了复杂流道构件的高效、高精度放电加工。

复杂流道构件；放电铣削加工；电火花成形加工；大加工余量

涡轮泵是泵压式液体火箭发动机系统的 “心脏”，其性能和可靠性直接影响发动机乃至航天运载器的运载能力和可靠性。随着发动机涡轮泵功率及涡轮效率的不断提升，涡轮泵复杂流道类产品多采用高性能的高温合金材料，以承受不断提高的高温燃气冲蚀；同时，为了满足复杂流道类产品的强度、刚性、极限转速和工作可靠性等指标，均采用了整体闭式结构；此外，为了获得更大的推力，液体火箭发动机涡轮泵的复杂流道类产品尺寸及加工材料去除量均较大。

目前，涡轮泵复杂流道构件的加工方法主要有铸造成形、粉末冶金及整体坯料锻造成形后去除加工等技术。由于铸造成形技术存在铸造缺陷且精度较低，难以满足复杂流道构件的设计要求；粉末冶金技术虽然能满足复杂流道构件的设计要求，但目前高温合金材料粉末制备技术尚未成熟；因此，采用整体坯料锻造成形后进行去除加工是当前涡轮泵复杂流道构件常采用的加工技术。表1是针对复杂流道构件采用整体坯料锻造成形后去除加工技术各工艺方法的对比。可看出，高速放电铣削加工技术是高温合金复杂流道构件大余量去除加工的理想加工手段。采用旋转管状电极、以类似铣削的方式通过电弧放电蚀除金属材料；同时，中空管电极内部通以高压工作液，强制电蚀产物从加工区域排出，提高了放电加工的稳定性及加工效率；且该加工方法不受材料强度、硬度等物性参数限制。因此，将放电铣削加工技术与电火花成形加工技术相结合，可实现复杂流道构件的高效、精密加工。

为了研究复杂流道构件高效放电加工技术，以某型号液体火箭发动机涡轮泵带冠复杂流道构件作为研究对象。图1是该产品单流道特征示意图，产品具有以下基本特征：

（1）采用整体坯料锻造成形，材料去除体积约为3.672×106mm3，去除量约28 kg，去除体积约占产品待加工区体积的80%以上；

（2）产品材料为机械难加工材料高温合金；

（3）叶片厚度薄且不均匀，所有叶片均为自由曲面，流道狭长且空间弯扭。

1 复杂流道构件高速放电铣削加工技术

1.1 电极损耗补偿技术

对于复杂三维型腔的高速放电铣削加工需采用分层放电铣削加工工艺，且随着型腔纵横比增大、分层数量增多、放电加工时电极损耗较严重，不仅影响工件的成形精度，还大大降低加工效率，因此，加工中须对电极进行及时补偿[1-3]。

目前，电极损耗补偿策略主要有等损耗补偿和定长补偿二种。余祖元首先提出了等损耗补偿方法，即在加工前根据模型计算出电极损耗量，当电极端部平面损耗后对电极进行一次性补偿[4]。裴景玉提出了定长补偿方法，即电极加工一定轨迹长度后，其损耗长度达到预先设定的某个值时对其进行一次补偿，然后继续加工[5]。本文针对带冠复杂流道构件的结构特征，提出了一种非线性插补式电极损耗补偿策略，即根据每层圆弧加工轨迹不同插补线段长度对电极进行非线性补偿，补偿原理见图2。

由于三维铣削加工不规则圆弧是由不同长度的线段△i进行插补得到，所以电极损耗补偿时，先由实验数据得出电极体积相对损耗比，并根据圆弧加工轨迹不同插补线段长度△i按比例分配电极补偿量zi，然后从分层加工起点开始到该分层结束进行非线性补偿；补偿后继续下一分层的加工，直到加工完成。这样，加工每一分层时电极都可得到实时的非线性补偿，从而不影响当前分层和下一分层的加工，提高工件的成形精度。补偿策略的实施通过后处理实现并输出NC数控代码，加工过程及电极补偿只需按数控代码执行一遍即可，电极轨迹相对传统电火花加工需要逆向往复加工几遍来提高工件成形精度时要少；同时，加工过程中不需人工干预及暂停加工，从而可提高加工效率。

1.2 高速放电铣削加工实验

在大功率脉冲放电加工过程中，加工极性对加工性能的影响尤为显著，因此利用加工实验分析了不同峰值电流下加工极性对加工效率和相对电极损耗的影响。加工参数见表2。实验中，采用直径为6 mm的电极沿X轴方向直线铣削30 mm，铣削深度为3 mm，实验结果见图3。可看出，随着峰值电流的增加，材料去除率和电极损耗也不断增大；而正极性加工条件下，电极损耗增幅远小于负极性加工，在复杂三维型面铣削加工中有助于保证型面精度，且加工中电极损耗的补偿量也较小。因此，在复杂流道构件高速放电铣削加工中应采用正极性加工方式。

图4是利用修正的五轴数控放电铣削程序加工的某型号液体火箭发动机涡轮泵带冠复杂流道构件，加工电流为200 A，加工极性为正极性。由于高速放电铣削加工采用了较高的放电能量，使电蚀产物尺寸较大，且在冷却液作用下凝固在加工表面，导致在产品流道表面残留了大量的电蚀产物，因此高速放电铣削粗加工后需对工件进行酸洗、吹砂及钳工打磨等工序，才能进行电火花成形精加工。此外，由于放电铣削加工表面质量较差，无法用三坐标测量机对其进行精确测量，只能通过采集叶片型面若干点的方式初步判断其是否合格，最终型面精度需通过电火花精加工来实现。

2 复杂流道构件电火花加工技术

2.1 电火花加工CAD/CAM技术

对于复杂流道构件的电火花成形加工，电极设计是一项核心技术，合理的加工区域划分既能减少电极数量，降低成形电极的制造难度，又能简化加工运动轨迹，对于提高叶片加工精度、缩短工艺设计和加工周期、降低加工成本均有着重要意义。由于流道弯扭，采用整体电极难以实现流道的全尺寸加工，因此需对流道进行划分，同时在每个加工电极设计中增加定位基准块，以便定位找正工艺基准，使采用多个电极组合加工时能保证基准统一。本文采用粗精加工结合方式，对某型号液体火箭发动机涡轮泵带冠复杂流道进行划分，设计了“4精+4粗”共8个电极的组合加工策略。

此外，多轴数控电火花加工中，电极进给轨迹的计算和干涉校验是复杂型面数控电火花加工的核心，电极的进给轨迹决定了加工中有无干涉、过切或加工不到位。在电加工过程中，电极起始位置在进给轨迹搜索前是未知的，唯一确定的是电极的进给终了位置。电极从某空间位置开始不断地向流体通道中进给，最终电极的型面与叶片的叶盆或叶背贴合并留足放电间隙和安全附加间隙，完成加工进给。图5是多轴联动电火花电极运动路径规划流程图。

针对复杂流道构件电火花成形加工，与国内某高校联合搭建了多轴联动电火花成形加工功能模块，可实现加工轨迹的搜索及仿真。图6是该功能模块的结构示意图。该模块通过用户的少量干预，搜索产生无干涉的电极进给运动轨迹，并生成相应的数控文件，后置处理模块对数控文件进行后置处理，获得电火花成形加工机床可解释执行的加工数控代码；同时，加工仿真模块可采用三维动画形式对加工数控代码进行图形仿真，辅助分析加工过程的各种细节。

2.2 电火花成形加工实验

利用复杂流道构件电火花成形加工CAD/CAM系统，对某型号液体火箭发动机涡轮泵带冠复杂流道构件高速放电铣削粗加工后的产品模型流道进行划分，并设计了组合电极，在多轴联动电火花加工数控系统控制下执行多轴数控联动程序，完成复杂流道构件的精密加工。加工参数见表3，复杂流道构件电火花成形加工局部特征见图7。加工完成后，用三坐标测量机对加工型面进行测量，与标准模型对比加工精度小于±0.1 mm。

为了验证高速放电铣削粗加工与多轴联动电火花成形精密加工的复合加工工艺在难加工材料复杂流道构件大余量去除加工中的优越性，进行了单流道全尺寸的电火花成形加工实验，结果显示采用电火花成形加工技术进行单流道的加工，加工周期约为42 h；而采用复合加工工艺进行单流道加工的周期仅为21 h（包括粗加工周期5 h、精加工周期16 h），比单一电火花成形加工的效率明显提高。

3 结束语

针对液体火箭发动机涡轮泵复杂流道构件高效、高精度加工，提出了高速放电铣削粗加工与多轴联动电火花成形精密加工复合的加工工艺，并对高速放电铣削加工的电极损耗补偿技术和多轴联动电火花成形加工的轨迹规划技术等进行了研究。以某型号液体火箭发动机涡轮泵带冠复杂流道构件为对象进行加工工艺研究，结果显示，该复合加工工艺可提高难加工材料复杂流道构件大余量去除加工的加工效率。

[1] JAHAN M P.Micro-electrical discharge machining(micro-EDM):processes,varieties,and applications[J]. Comprehensive Materials Processing，2014（11）：333-371.

[2] 李剑忠，栾纪杰，虞慧岚，等.微细电火花三维加工中电极损耗补偿新方法 [J].大连理工大学学报，2011，51（4）：525-528.

[3] 赵万生，李志勇，王振龙，等.微三维结构电火花铣削关键技术研究[J].微细加工技术，2003（3）：49-55.

[4] 张余升，余祖元，才秀女，等.基于均匀损耗法的圆角去除加工[J].电加工与模具，2008（6）：21-23.

[5] 裴景玉，邓容，胡德金.微细电火花加工的底面轮廓模型及定长补偿方法 [J].上海交通大学学报，2009，43（1）：42-46.

Study on Combined Discharge Machining Technology of Complex Channel Components

SONG Guoxin1，GENG Xuesong1，ZHU Hongmin2
（1.Xi′an Space Engine Factory，Xi′an 710100，China；2.Suzhou Electromachining Machine Tool Research Institute Co.,Ltd.，Suzhou 215011，China）

High efficiency and high precision machining of complex channel components is one of core manufacturing technologies in liquid rocket engines.With improving of the power and efficiency ofenginesturbo pump，the materialremoving rate ofcomplex channelcomponentsincrease substantially，mean while the processing accuracy are becoming more stringent.So the combined processing technology with high current density electrical discharge milling and multi-axis sinking EDM precision machining are proposed.Based on the electrode wear compensation technology of high current density electrical discharge milling and the trajectory planning technology of multi-axis sinking EDM，the high efficiency and high precision machining of complex channel components is implemented.

complex channel components；electrical discharge milling；die sinking EDM；high material removing rate

TG661

A

1009－279X（2017）01－0056-04

2016-09-26

宋国新，男，1969年生，研究员。