三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工技术

刘金科，赵仁兵

（四川宜宾普什模具有限公司，四川 宜宾 644007)

随着航空航天工业的发展，合金、钛合金及复合材料在航空航天工业中应用越来越多，这些材料具有强度高、耐烧蚀、抗磨损且在高温的状态下仍可保持高强度的优点，然而这也为加工带来了难题，使得加工的效率较低，刀具的磨损情况严重，加工成本较高等问题。为此应对刀具的材料，设计及工艺上进行研究。电弧是利用电弧等离子去除材料的新型加工方式，加工温度极高，可以对合金材料、复合材料进行加工，在加工的过程中，电弧与工件之间不会直接地进行接触，所以不产生宏观切削力，不会导致工件出现变形的现象，应用的范围较广，备受研究人员及市场的关注。本文通过对三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工的方法的加工原理进行分析，不断促进其的广泛应用。

1 三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工技术原理

电弧铣削实现了对难加工材料的高效去除，但加工尺寸的精度和表面质量不高，不能达到工业生产中对产品的设计要求。而机械铣削加工，在难加工材料上，加工效率及成本处于劣势，然而却有着很高的加工精度。电弧铣削加工技术与机械铣削加工技术，分别具有各自的优缺点。为了充分发挥这两种加工方式的优点，可以将这两种加工方式进行结合，形成新的组合加工方法，电弧铣削实现高效加工，而机械铣削实现精密加工，二者相结合实现了对难加工材料的高效及精密的加工。

电弧等离子体在阴极和阳极两端的能量分配系数存在一定的差异，一般情况下，阳极端的能量分配系数要比阴极端的高，也就是说，电极在正极性的加工条件要比负极性加工条件的去除率及表面质量较好。电弧铣削高效加工技术，应先实施负极性电弧加工，降低负极性加工表面的粗糙度，为后续机械加工或者良好的表面质量。同时还应根据加工的材料、余量及加工要求的实际情况来改变放电的参数，进行正、负极性电弧加工技术[1]。

电弧正、负极加工技术，对工件表面的质量进行了一定的改善，但还是无法达到产品设计的要求。电弧加工技术，电极的损耗会致使工件的余量出现不均匀的现象，影响工件的尺寸。所以，运用机械铣削加工技术，提升工件加工尺寸的精度以及工件表面的质量，促使其达到设计的要求。

电弧铣削与机械铣削分别属于放电加工和机械加工，对材料进行加工去除的机理上完全的不同，因此对设备的要求也不相同。进行电弧加工时，机床应具有强力内冲液和大功率放电电源供给能力，机床的数控系统也应具备放电状态检测及短路回退等用来实现稳定的放电加工功能。同时为了能够满足机械铣削操作，还需设置一台数控铣床。这种组合加工技术，是在不同设备上进行的，增加了二次装夹，重新对刀，增加了加工准备的时间，所以，为了能够缩短加工时间，提高工作效率，应为这种组合加工技术研制一种专用的机床。

2 组合加工技术专用机床

在传统的数控机床上加装电弧加工功能。机床的包括机床本体，控制系统，大功率脉冲电源，工作液供给模块，极间放电状态检测模块，以及电弧加工和机械铣削刀柄模块。机床的控制系统在传统的数控铣削系统基础上，集成短路回退、脉冲参数及放电参数调节等，用于电弧加工功能。电弧铣削加工的电极，通过电弧铣削加工刀柄装置安装在机床主轴上，机械铣削加工的铣刀通过机械铣削刀柄进行安装。电弧铣削加工刀柄装置具备旋转、上电及提供强力内冲液的功能，与机械铣削加工刀柄都是通用的接口，通过机床的自动换刀装置实现两种铣削技术的快速切换。在进行电弧加工时，电极与工件分别连接与脉动电源的两端，放电状态检测模块用以采集极间电流和电压信息，通过进一步处理用于伺服控制，实现稳定的放电加工。工作液供给模块为电弧加工和机械铣削加工提供内冲液和侧冲液。此外，为了防止加工时的蚀除屑，进入加工间隙及机床主轴等的精密部件中，影响放电状态及机床的使用寿命，应在工作液供给模块中配置多重过滤装置，对回流工作液中的加工蚀除屑进行拦截，并及时地进行清理。避免了其对机床造成影响，提高加工的工作效率[2]。

3 三元流叶轮加工工序

3.1 三元流叶轮的特征

三元流叶轮是曲面复杂的通道类零件。在航空航天领域，是液体火箭发动机的关键零件之一。在其他的工业中，三元流叶轮主要用于水轮机、汽轮机、膨胀剂、泵、风机及压缩机等设备中。三元流叶轮通常采用高温合金材料，然而本文的目的在于分析电弧铣削及机械铣削组合加工技术，在生产上的能力及后续精加工工艺，为了控制成本，本文对三元流叶轮采用不锈钢材料进行加工。

3.2 加工工序

电弧铣削加工技术，为了能够实现工件材料的高效去除，应先进行负极性加工，降低负极性电弧加工表面的粗糙度，保障后续机械铣削加工技术可以获得良好的表面质量，电弧铣削加工技术，通过以往的经验可知，电流在一百到三百安范围内时，正极性电弧加工能够获得较好的表面质量，电弧加工时，应为后续的切削加工留有足够的加工余量，一般保留两毫米左右。结合三元流叶轮的特征以及加工要求，在加工的过程可以分为流道大能量电弧加工，流道中等能量电弧加工，叶片中能量电弧加工，流道小能量电弧加工、叶片小能量电弧加工五道工序，其中大能量工序采用负极性加工，中等能量及小能量共组采用正极性加工。为了提高加工尺寸的精度，减少放电空走刀的时间，需在加工的过程中定时地对刀和电极轴向损耗长度进行补偿，机械铣削加工技术，为了保障电弧加工后的叶轮与设计要求中的叶轮尺寸及表面质量相一致，因此可将机械铣削加工划分为两道工序来进行[3]。

4 三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削加工技术结果分析

4.1 表面粗糙度

由于叶轮表面是复杂的曲面，采用粗糙度测量仪对粗糙度进行测量难度比较大，为了分析及对比各工序加工后表面的粗糙度，可以使用中等能量的电弧加工工序、小能量电弧加工工序和机械铣削精加工工序中，相同的加工参数，对粗糙度进行测量，可发现小能量电弧加工表面的粗糙度低于中等能量电弧加工工件表面粗糙度，同时，小能量电弧加工表面的蚀坑的尺寸也小于中能能量电弧加工表面的蚀坑。在经过机械铣削精加工后，表面的粗糙度可以充分的满足设计的要求。

4.2 加工表面的硬度

表面硬度的测量方式可以采用与粗糙度测量的相同方式。中能能量电弧加工中，工件材料被电弧等离子体加热蚀除，在强力内冲液的作用下，迅速地冷却重新在工件表面凝固，在加工结束后，中能能量的电弧加工类似于淬火的方式，使得工件表面的硬度有所增加。而小能量电弧加工过程中，对材料的蚀除较小，而蚀除的材料，也被工作液带走，凝固在工件表面的材料也较少，硬度与原工件基体没有很明显的变化。小能量电弧加工完后对后面的机械铣削加工就有良好的可加工性[4]。

4.3 材料的去除率

对三元流叶轮进行组合加工的过程中，应对每道工序中的工件材料的去除率进行计算。大、中、小能量的电弧加工工序对材料的去除率水平都较高，电弧加工中多使用的是较为经济的石墨作为电极材料，与高性能的铣削刀具相比成本较低。进行机械铣削加工时，对材料的去除量较小，能有效地抑制加工变形，保障工件达到相关标准，在对工件使用工业扫描对加工成品的尺寸及形位的精度进行检测时，其都能达到设计的要求[5]。

5 结语

三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工技术中，合理地安排电弧加工共组，实现对材料的高效去除，可以保障工件表面的质量符合设计的要求，小能量电弧加工表面的粗糙度更低，且工件的强度也未出现明显的变化，因此，电弧加工可以很好的适应后续机械铣削加工的要求，电弧加工技术与传统的机械加工相比，不仅加工效率较高，成本也较低。机械铣削加工技术，在加工的过程中，刀具的磨损率较小，加工状态也更加地稳定，这也说明了电弧铣削加工工艺的友好性。通过对三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工技术进行分析研究，充分地证明了电弧铣削与机械铣削组合加工技术，可以用于具有复杂曲面特征的零件制造中。