1 帶冠整體葉輪的優(yōu)點(diǎn)
帶冠整體葉輪是一種在葉片外圍增加了環(huán)形冠, 即將所有葉尖連在冠上的整體葉輪, 是為了更好地滿足現(xiàn)代航空航天事業(yè)的發(fā)展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不斷提出的高性能要求而出現(xiàn)的一種新型葉輪結(jié)構(gòu)。與不帶冠的整體葉輪相比, 帶冠整體葉輪具有傳動(dòng)效率很高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大等顯著優(yōu)點(diǎn), 能夠更好地滿足增加發(fā)動(dòng)機(jī)壽命, 提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、工作節(jié)速和使用可靠性的要求, 代表了未來(lái)飛行器、航天器發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。
2 組合電抓工工藝方案的提出
正是由于帶冠整體葉輪結(jié)構(gòu)上“冠” 的存在, 使整體葉輪的葉片間流體通道由徑向敞開(kāi)變?yōu)榉忾], 加上葉阿通道狹窄、葉片型面復(fù)雜、加工精度要求很高, 帶冠整體葉輪又工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下, 多采用不銹鋼、高溫耐熱合金或欽合金等難切削材料制作等特點(diǎn), 使得帶冠整體葉輪的制造特別是葉片型面成形非常困難, 葉片型面既無(wú)法用電解套料成形, 也不能采用數(shù)控銑削加工: 目前世界各國(guó)采用電火花加工作為主選工藝, 但由于其加工效率很低且又存在電極損耗、因此不得不依靠投人大量設(shè)備、批量制造電極, 通過(guò)頻繁更換電極來(lái)補(bǔ)償因電極損耗所帶來(lái)的精度問(wèn)題, 加工成本高。這使得帶冠整體葉輪的加工成為航空航天制造技禾領(lǐng)域函待解決的關(guān)鍵難題之一。
突破此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 對(duì)于我國(guó)未來(lái)新型號(hào)大推重比、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研制, 進(jìn)一步提升制造能力以及為更多民用設(shè)施提供先進(jìn)的燃機(jī), 都具有十分重大的意義。南京航空航天大學(xué)特種加工研究所在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 充分利用電解加工效率高和電火花成形適于加工復(fù)雜形狀零件的優(yōu)點(diǎn), 提出了采用電解加工和電火花加工組合工藝的方案難隊(duì)先由電解加工去除葉間大部分材料, 并留下二定的余量: 加工出預(yù)通道, 然后在輔似抽液的情況下進(jìn)行葉片型面電火花成形加工。這樣, 既提高了加工效率、大大減少了電極拘耗、降低了生產(chǎn)費(fèi)用, 又有利于保證葉片型面的最終加工精度。似圖1所示等截面葉片帶冠整體葉輪葉片型面的加工為例, 結(jié)合試驗(yàn), 對(duì)組合電加工的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究。
3 組合電加工關(guān)鍵工藝的研究
帶冠整體葉輪葉間預(yù)通道采用數(shù)控展成電解加工技術(shù)、在南京航空航天大學(xué)自主研制的五坐標(biāo)數(shù)控電解加工機(jī)床上進(jìn)行; 葉片型面的最終成形在瑞士夏米爾公司生產(chǎn)的四軸聯(lián)動(dòng)電火花機(jī)床上完成。
3. 1 電解加工關(guān)鍵工藝
數(shù)控展成電解加工帶冠整體葉輪葉間預(yù)通道時(shí), 在計(jì)算機(jī)數(shù)控指令的控制下, 陰極按預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)工件作沿x 、y 方向的平動(dòng)和繞z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng), 展成加工出葉間通道。葉間通道形狀取決于陰極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生間隙形成的包絡(luò)面, 因此陰極設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)軌跡的確定是電解加工的關(guān)鍵。
3. 1. 1 陰極設(shè)計(jì)
陰極設(shè)計(jì)主要包括陰極形狀、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陰極主體尺寸設(shè)計(jì)及其材料選擇等。陰極設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是: 確保設(shè)計(jì)出的陰極按預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)工件由加工初始位置運(yùn)動(dòng)到終止位置的過(guò)程中, 在保證與葉片最終型面不發(fā)生干涉和腐蝕過(guò)切的前提下, 去除盡量多的材料, 并使留下的通道兩側(cè)余量盡可能均勻— 以便于后續(xù)電火花加工的進(jìn)行, 同時(shí)使陰極制造簡(jiǎn)單方便。
由于陰極是在葉間通道內(nèi)沿預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡做展成運(yùn)動(dòng), 因此陰極外形主要取決于葉間通道的幾何特征, 應(yīng)與通道的最終(理論)形狀大體相似, 如圖2 所示, Za 為在垂直葉輪徑向的截面上, 陰極的側(cè)面形狀近似于通道的形狀; 2b為在垂直葉輪軸向的截面上, 陰極的端面形狀相似于通道的形狀, 為梯形。帶冠整體葉輪的葉間通道特征決定了陰極結(jié)構(gòu)采用內(nèi)噴式電解液供給方式設(shè)計(jì); 為避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象, 葉間預(yù)通道的加工需從葉輪兩側(cè)分別進(jìn)給, 實(shí)現(xiàn)對(duì)接, 如圖2a 所示; 同時(shí)為方便陰極的制作, 應(yīng)使加工葉輪兩側(cè)的陰極形狀盡可能相同, 即采用形狀近似的陰極分別按不同的軌跡進(jìn)給加工兩側(cè)。
陰極的主體尺寸主要由葉間通道的形狀尺寸決定, 而葉間通道的尺寸則根據(jù)葉輪的型面原始數(shù)據(jù)求得。葉輪型面原始數(shù)據(jù)是在圖1 所示的R 一風(fēng)展開(kāi)面上分別給出的同一葉片的葉盆線和葉背線的型值點(diǎn)數(shù)據(jù), 因此需通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換, 轉(zhuǎn)換成同一通道兩側(cè)型線的數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)設(shè)的電解加工側(cè)面間隙△E 及電火花加工間隙△D , 確定預(yù)通道加工中陰極運(yùn)動(dòng)的允許范圍, 初步設(shè)計(jì)出陰極的側(cè)面輪廓尺寸, 如圖Za 所示, 刀為葉片理論型線, 兒為電火花加工前、的理論輪廓線, 夕二為陰極運(yùn)動(dòng)允許的邊界線。以通道中心作為初始運(yùn)動(dòng)軌跡, 對(duì)陰極運(yùn)動(dòng)形成的包絡(luò)面與其允許范圍進(jìn)行仿真校核, 并根據(jù)結(jié)果對(duì)加工運(yùn)動(dòng)軌跡及陰極尺寸做適當(dāng)?shù)男薷?span>, 使陰極運(yùn)動(dòng)形成的包絡(luò)面在其允許范圍內(nèi)并最靠近邊界線兒, 同時(shí)考慮使陰極形狀簡(jiǎn)單(為此, 應(yīng)盡可能以修改陰極運(yùn)動(dòng)軌跡為主) , 從而確定出陰極的側(cè)面輪廓尺寸。陰極梯形端面尺寸的確定按通道最窄部位進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。圖3 為所設(shè)計(jì)的陰極結(jié)構(gòu)示意圖。
陰極主體材料的選擇主要從材料的導(dǎo)電性、剛性、耐腐蝕性、抗火花能力以及可加工性等方面考慮, 采用不銹鋼或銅鎢合金為宜。
3. 1. 2 陰極運(yùn)動(dòng)軌跡的確定
陰極運(yùn)動(dòng)軌跡的確定是一個(gè)不斷修改、優(yōu)化的過(guò)程, 首先以通道中心作為陰極運(yùn)動(dòng)軌跡, 然后根據(jù)陰極運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果進(jìn)行修改。考慮到電解加工預(yù)通道的整個(gè)過(guò)程, 電場(chǎng)和流場(chǎng)均處于非穩(wěn)定狀態(tài), 在加工過(guò)程的各時(shí)刻側(cè)面間隙均在變化, 因此陰極運(yùn)動(dòng)軌跡的最終確定還應(yīng)通過(guò)工藝試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步修改優(yōu)化。
3 . 2 電火花加工關(guān)鍵工藝
電火花加工作為帶冠整體葉輪葉片型面的最終加工工序, 除了要求實(shí)現(xiàn)葉片型面的最終成形外, 還要保證加工的精度要求, 其實(shí)現(xiàn)方法要么采用復(fù)雜電極沿簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)加工, 要么采用簡(jiǎn)單電極沿較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)加工, 因而電極及其運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)是電火花加工的關(guān)鍵。根據(jù)帶冠整體葉輪的結(jié)構(gòu)特征, 并結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備條件, 采用等截面電極從葉輪兩側(cè)分別進(jìn)給加工左右通道的方法。加工時(shí), 工件安裝在工作臺(tái)上固定不動(dòng), 被加工葉片部位母線處于與工作臺(tái)面垂直的豎直位置。對(duì)于等截面葉片,可以用一個(gè)兩側(cè)分別與葉背、葉盆型面“ 平行” 的電極, 通過(guò)平動(dòng)“ 拷貝”來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片型面的成形, 即: 工具電極按一定軌跡相對(duì)工件沿城y 方向平動(dòng)及繞z 軸轉(zhuǎn)動(dòng), 運(yùn)動(dòng)到電極成形面與工件理論型面“平行”的對(duì)應(yīng)位置時(shí), 再向葉盆方向平動(dòng), “拷貝”完成葉盆型面的加工; 然后按原軌跡退回到加工初始位置, 向葉背一側(cè)平動(dòng)相當(dāng)于兩葉片的間距, 再以同前的軌跡進(jìn)給, 平動(dòng) “ 拷貝’, 加工出同一葉片的葉背部分。完成一個(gè)葉片型面的成形后, 電極按原運(yùn)動(dòng)軌跡退回, 工件分度定位, 再加工下一個(gè)葉片, 如此進(jìn)行直至全部葉片加工完畢。由于通道軸向截面呈梯形, 葉根部分的加工狀況最惡劣, 因此設(shè)計(jì)時(shí)以葉根部截面作為軸向截面中成形電極設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)面。
3. 2. 1 成形電極的設(shè)計(jì)
電極設(shè)計(jì)與其運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)必須相輔相成, 電極的形狀決定著電極運(yùn)動(dòng)軌跡, 而運(yùn)動(dòng)軌跡又影響電極的形狀設(shè)計(jì)。因此, 設(shè)計(jì)電極時(shí)要兼顧運(yùn)動(dòng)軌跡, 以簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)軌跡為原則。由于采用“ 拷貝”成形, 電極成形面的形狀及尺寸應(yīng)與葉片最終型面對(duì)應(yīng), 加工左、右通道的電極應(yīng)分別設(shè)計(jì)。考慮到電解加工的實(shí)際結(jié)果, 留下的余量分布不均, 為保證葉片型面的最終精度要求, 將左右電極再分別設(shè)計(jì)為粗加工電極和精加工電極。
以右側(cè)通道的粗加工電極設(shè)計(jì)為例來(lái)討論。粗加工的目的是采用粗規(guī)準(zhǔn)較快速地去除大部分余量, 以便于葉片型面的最終精加工成形。粗加工如果完全采用“拷貝”加工,則電極兩側(cè)面大致肉相鄰兩葉片的葉背曲面和葉盆曲面平移形成, 如圖4 所示, 以通道最窄部位材八不作為左右通道的分界線, 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電火花粗加工間隙吞及精加工間隙街, 將右側(cè)通道內(nèi)的葉盆線和葉背線上各點(diǎn)分別向通道內(nèi)側(cè)沿y 軸平移一個(gè)間隙量△ (△ =△r +△f ) , 得到曲線βr, 作為電極運(yùn)動(dòng)的允許范圍; 再將曲線βr向通道內(nèi)側(cè)沿y軸適當(dāng)平移, 即得到用于“ 拷貝”的粗加工電極主體部分的兩側(cè)形狀。由于葉背部分斜率變化較大, 受電極運(yùn)動(dòng)空間限制, 電極后端易與葉輪右側(cè)發(fā)生干涉, 而為避免干涉將使電極運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)過(guò)于繁瑣。因此, 葉片型面粗加工不完全采用‘拷貝”成形的方法。在電火花加工中, 不存在電解加工中必須避免阻、陽(yáng)極短路的情況, 電極運(yùn)動(dòng)只要不破壞葉片型面即可。于是, 對(duì)葉片理論型面上曲線c 刀段不采用“拷貝, 式加工, 而是通過(guò)電極前端靠軌跡展成運(yùn)動(dòng)蝕除余量, 因此設(shè)計(jì)鋤口工電極時(shí), 可用比較平緩的曲線來(lái)替代弧線段。這種方法可能會(huì)造成電極局部損耗而加大“拷貝” 誤差, 故需適當(dāng)?shù)丶娱L(zhǎng)電極前端尺寸以補(bǔ)償電極損耗,如圖4 中所示。
電極非加工部分的設(shè)計(jì)主要考慮電極裝夾、與工件定位找正的需要以及外部運(yùn)動(dòng)空間對(duì)電極尺寸的限制等, 電極高度等于葉片高度減去上下兩端放電伺隙△ 即可, 設(shè)計(jì)出的粗加工右電極如圖5 所示。
精加工電極的設(shè)計(jì)思路與粗加工基本一致, 不過(guò)精加工放電間隙改為△ =△f; 此外, 由于粗加工去除了大部分余量, 且剩余余量分布比較均勻, 通道變大, 較有利于電極運(yùn)動(dòng), 因此葉片型面的精加工完全采用“ 拷貝”成形; 在設(shè)計(jì)精加工電極時(shí), 應(yīng)使電極兩側(cè)面分別由葉背曲面和葉盆曲面平移形成, 這樣可以認(rèn)為電極損耗是“ 面”損耗, 在加工中適當(dāng)增加進(jìn)給量就能夠補(bǔ)償電極損耗所引起的誤差。
3 . 2. 會(huì)電極運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)
電極運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)按粗、精加工及左右通道分別考慮。電極運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì), 應(yīng)能確保成形電極沿所設(shè)計(jì)的軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到“拷貝”前的位置。由于“拷貝”前的位置在x 軸方向是唯一的, 為確定電極定位的初始角度(即電極加工前的初始位置相對(duì)于, 軸的夾角) , 因此軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)以電極 “拷貝”前在通道內(nèi)的位置作為電極運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的初始位置, 采取由內(nèi)向外“ 移出”電極進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法(編制電極的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí), 按此逆過(guò)程進(jìn)行).一設(shè)計(jì)應(yīng)使運(yùn)動(dòng)軌跡盡量簡(jiǎn)化, 可以根據(jù)組成葉背的一曲線段情況、將相應(yīng)曲線段分別偏移適當(dāng)距離所得到的曲線作為初始運(yùn)動(dòng)軌跡. 然后通過(guò)在“移出” 電極的過(guò)程中可能產(chǎn)生的干涉情況來(lái)進(jìn)一步修正、優(yōu)化相應(yīng)軌跡。
由于被加工葉片處于與工作臺(tái)垂直的豎直位置, 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為葉根部, 因此在電極沿一定軌跡進(jìn)給、平動(dòng)“ 拷貝”加工出葉盆型面并沿原軌跡退回后, 只需沿少軸負(fù)方向平移葉間距離△y 后, 按原軌跡進(jìn)給即可加工出葉背型面。
式中: R , 為葉輪根圓直徑, m m ; n 為葉片個(gè)數(shù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
帶冠整體葉輪是現(xiàn)代航空航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)葉輪設(shè)計(jì)和制造提出的新要求, 帶冠整體葉輪葉片型面的加工是一個(gè)巫待解決的課題。經(jīng)試驗(yàn)加工驗(yàn)證, 采用組合電加工工藝方案, 開(kāi)展關(guān)鍵工藝問(wèn)題的研究, 能夠較好地解決帶冠整體葉輪的葉片型面加工問(wèn)題, 有望成為一種有效的加工手段。
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