小型閉式三元葉輪葉片數(shù)較多并且葉片扭曲程度較大，導(dǎo)致葉輪流道空間非常復(fù)雜。葉輪的整體加工制造在國際同行業(yè)中一直是共同關(guān)注的難題。對于小直徑復(fù)雜扭曲流道的閉式三元葉輪，由于自身結(jié)構(gòu)和材料的局限性導(dǎo)致刀具可達(dá)性和切削性較差，整體機(jī)械加工難度較大；采用銑制焊接方式(葉片與輪盤成一體銑制加工，再與輪蓋焊接)則會由于焊接過程產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，甚至裂紋，嚴(yán)重影響葉輪的壽命和工作可靠性。另外，焊接圓角過小會影響焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而焊接圓角過大(相對于直徑較小的葉輪來說)會對葉輪的氣動性能造成影響。

為了避免整體銑制加工的難題和焊接結(jié)構(gòu)帶來的問題，考慮尋求一種新的整體加工工藝，提出了一種由多組成形電極組合來完成一個流道的電火花整體加工方案，進(jìn)行了試驗研究并成功應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

1 小型閉式三元葉輪結(jié)構(gòu)

小型閉式三元葉輪具有直徑小、葉片數(shù)多的特點，以直徑為φ215mm，由輪蓋、輪盤和13個葉片構(gòu)成，葉片沿圓周方向均勻分布的葉輪為例，介紹其結(jié)構(gòu)特點，結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪的材料為高溫高強(qiáng)合金鋼，硬度大，銑制機(jī)械加工難度極大。葉輪流道型腔被扭曲狀葉片、輪蓋和輪盤包圍，形成只有流道進(jìn)出口的閉式三維扭曲空間。流道進(jìn)口沿軸向方向較寬，周向較窄，流道出口軸向較窄，周向較寬。型腔曲面根據(jù)氣動計算確定，葉片的造型數(shù)據(jù)特征點由X、Y、Z坐標(biāo)值以列表的形式給出，通過專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)造出葉片及葉輪的實體造型。葉片與輪蓋、輪盤銜接處需要倒圓角，不宜過大或過小，采用電火花加工方法可以精確加工出葉片根部圓角。

圖1 小型閉式三元葉輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of small integrally impeller structure

2 電火花加工小型閉式三元葉輪的總體方案

小型閉式三元葉輪由于自身結(jié)構(gòu)的局限性不便于采用銑削方式進(jìn)行粗加工，故粗加工、中精加工均采用電火花加工方式。組合電極電火花加工數(shù)字化制造總體方案如圖2所示。由于流道型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，扭曲度較大，即使利用五軸聯(lián)動電火花加工機(jī)床也很難用1～2個電極完成整個流道的電火花加工。經(jīng)過對流道型腔的幾何分析和電極的運動分析，決定采用多組電極、對應(yīng)多組運動軌跡，組合電火花加工方式進(jìn)行。

圖2 組合電極電火花加工數(shù)字化制造總體方案Fig.2 General CNC program of EDM with combined electrodes

電極分為粗加工電極和精加工電極。考慮到電火花加工效率，粗加工階段采用耐大電流、加工速度快的電極材料。這種材料的電極在電火花加工時，自身損耗較大，可用于對精度要求不高、但加工速度快的電火花粗加工階段。精加工階段由于余量少，采用小電流、精度高、耐腐蝕性好的材料做電極[1]。

電極的結(jié)構(gòu)拆分和運動軌跡設(shè)計是相輔相成的，二者需同時考慮。在CAD/CAM環(huán)境下，對電極和運動軌跡進(jìn)行加工仿真驗證，驗證通過后可進(jìn)行實際加工，否則繼續(xù)優(yōu)化電極和運動軌跡。

3 閉式三元葉輪加工難點分析與設(shè)計方法

3.1 流道結(jié)構(gòu)分析及電極拆分設(shè)計

在確定具體的電極形面及軌跡設(shè)計之前，必須先確定電極的個數(shù)。為此，在計算機(jī)中提取流道的三維造型，將其劃分成若干區(qū)域[2-4]，圖3所示為一種將流道劃分為5個加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)圖，然后對各個區(qū)域分別設(shè)計相應(yīng)的成形電極進(jìn)行加工。

圖3 流道加工區(qū)域劃分Fig.3 Division of flow passage machining zones

閉式三元葉輪流道電火花加工區(qū)域劃分需要注意以下幾項原則：

（1）在能夠完成整個流道加工的情況下，盡量減少區(qū)域的個數(shù)。區(qū)域過多會增加電極的數(shù)量，降低每個電極的剛度，延長設(shè)計、制造周期，增加電極制造的難度，電極數(shù)量越多，對加工形面的整體性影響越大。

（2）每個區(qū)域的空間造型應(yīng)盡量簡單，以降低成形電極的設(shè)計和制造難度。

（3）各區(qū)域應(yīng)盡量靠近流道進(jìn)口或者出口處，以方便加工時電極自由進(jìn)給。

合理的劃分加工區(qū)域可以減少電極的數(shù)量，簡化成形或者近似成形電極的設(shè)計難度，也簡化了加工軌跡的設(shè)計和程序的編制，對提高葉片加工精度、縮短工藝設(shè)計和加工周期、降低加工成本都具有重要意義。另外，確定各區(qū)域電火花加工的先后順序也很重要，一般不能任意調(diào)換，否則會增加電極損耗，降低加工效率，更重要的是影響加工形面的整體性。

3.2 電極成形面的數(shù)值求解

采用圖3所示的流道加工區(qū)域劃分方案，在設(shè)計每個區(qū)域電極時都以葉輪零點和定位銷孔為基準(zhǔn)，建立相同的三維坐標(biāo)系Oxyz，以保證所有的電極基準(zhǔn)統(tǒng)一。

電極的形面設(shè)計采用等間隙方法求解電極的成形面。假設(shè)電火花加工的平均放電間隙為δ(中加工時δ值相對較大，而精加工時精度要求較高、表面粗糙度低，對應(yīng)的δ值較小)，在流道各區(qū)域待加工形面上均勻采集足夠多的型值點，得到型值面上的型值點集。型值點集坐標(biāo)在Solidworks建模環(huán)境下，利用曲面編輯、擬合、縫合等功能則可得到電極的理論形面。

3.3 電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

數(shù)值解法只能得到理論的電極加工形面，但是要得到最終適合加工的電極還需要做進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，組合電極的設(shè)計需要遵循以下原則：

（1）在每個加工電極上增加定位基準(zhǔn)塊，以便定位找正工藝基準(zhǔn)，這對采用多個電極的組合加工能夠保證基準(zhǔn)統(tǒng)一和定位精度要求。

（2）由于多個電極分區(qū)加工，所以在各區(qū)之間存在接刀痕跡，為避免接痕或更嚴(yán)重而產(chǎn)生臺階面，在各加工區(qū)域電極邊緣設(shè)計中，需要保留一定的寬度重疊區(qū)，且邊緣需要倒圓角做圓滑處理。

（3）盡可能采用較大、較完整的加工形面來完成葉片里弧和背弧的加工，以減少葉片形面上的接刀痕，保證整個葉片形面光順。

（4）結(jié)合其運動軌跡分析，有時為了避免空間運動產(chǎn)生的干涉，要對電極模型上的某些干涉區(qū)域進(jìn)行必要的修正和去除。

（5）干涉分析時，盡量在電極上預(yù)加工流道型腔內(nèi)部不需要進(jìn)行加工的非加工曲面進(jìn)行修正處理，它們不需要像加工形面那樣的高精度和高表面質(zhì)量，如此恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以降低電極制造成本。

基于上述原則進(jìn)行型腔分區(qū)，設(shè)計加工電極。葉輪流道加工電極的設(shè)計應(yīng)保持相對完整的流道結(jié)構(gòu)特征。精加工電極拆分成5部分，根據(jù)流道特征及運動干涉檢查，流道進(jìn)口電極拆分成上、下兩部分（圖3所示1、2號電極），電極有3個形面拷貝了相鄰葉片和輪蓋(或輪轂)曲面。流道出口電極拆分成上、中、下3部分（圖3所示3、4、5號電極），這3部分電極分別沿著各自的圓弧運動進(jìn)入流道腔體內(nèi)，其中上、下電極有3個形面拷貝了相鄰葉片和輪蓋(或輪轂)曲面，中間電極兩側(cè)面拷貝了相鄰葉片的兩個曲面。圖4給出了1號電極和3號電極的三維模型圖。

圖4 1號電極和3號電極三維模型圖Fig.4 3D model of No.1 and No.3 electrode

3.4 電極運動軌跡設(shè)計

電極的結(jié)構(gòu)拆分設(shè)計和運動軌跡設(shè)計需要同時考慮，電極的進(jìn)刀軌跡決定如何拆分電極。如流道出口部分的3號電極，進(jìn)刀軌跡先采用XYZU四軸聯(lián)動將一個細(xì)電極按曲線軌跡運動到指定位置，再沿著軸向上下運動，再旋轉(zhuǎn)V軸，如圖5所示。

圖5 電極運動狀態(tài)示意圖Fig.5 Diagram of electrode movement

3.5 工裝夾具設(shè)計

電極與夾具的銜接部位設(shè)計成長方體結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這樣的設(shè)計便于電極與夾具的裝卡、找正，保證了運動軌跡的精準(zhǔn)性[5]。為了保證電極的定位精度和運動精度，所有電極座長方體表面被作為定位基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)，電極座表面的加工表面粗糙度為Ra0.8μm，相互垂直度≤0.005mm，平面度≤0.005mm，其他各面的位置度≤0.03mm。

圖6 工裝夾具設(shè)計Fig.6 Design of fixture and clamp

4 加工實例

4.1 加工條件

本文加工實例是由北京市電加工研究所采用電火花加工技術(shù)完成的一種典型的小型閉式三元葉輪，其加工條件如下：

（1）加工裝置：采用北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N850五軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形機(jī)床。

（2）工件和電極材料：工件材料：沉淀硬化不銹鋼，牌號17-4PH；電極材料：紫銅和石墨。

（3）工件特征尺寸：外徑×總高=φ（215±0.1）mm×（130±0.1）mm；葉片數(shù)量=13個；流道長度=92.67mm；流道出口為長方形，尺寸=7.13mm×58.88mm；流道入口為梯形，尺寸=上邊10.76mm×下邊25.29mm×高33mm；扭曲角度=21°。

（4）工作液：電火花加工專用煤油，型號：LP-200。

（5）電火花加工參數(shù)：表1列出了本加工實例選用的部分電火花加工參數(shù)。

表1 部分電火花加工參數(shù)

4.2 加工實施

（1）粗加工。一個流道需由兩個粗加工電極組為一組完成加工，即流道出口和流道進(jìn)口各用一個電極。粗加工的主要目標(biāo)是打通流道，因此電極設(shè)計的結(jié)構(gòu)簡單，只需保證運動過程中不發(fā)生干涉，并且使流道貫通。

（2）中加工。粗加工后流道內(nèi)各部位的余量較大，在精加工之前需要安排一組中加工，主要目標(biāo)是完成流道大部分余量的加工，使各形面接近設(shè)計形面，給精加工留有均勻的加工余量，一般單邊余量在0.1～0.2mm，表面粗糙度在Ra6.4～4.0μm。中加工與精加工每組各有5個電極，其中流道進(jìn)口分為上、下兩個電極（圖3所示1、2號電極），流道出口分為上、中、下3個電極（圖3所示 3、4、5 號電極）。

（3）精加工。主要目標(biāo)是完成流道各形面的加工，達(dá)到設(shè)計圖紙對尺寸精度、位置精度及表面粗糙度的要求。

中、精加工電極設(shè)計的差別在于放電間隙不同。中加工時電極單邊放電間隙為0.5mm，電極綜合誤差≤±0.08mm，既要考慮到蝕除速度不能太慢，又要兼顧到電極損耗不能太大，從而達(dá)到快速加工且流道形線誤差≤±0.15mm。精加工時電極單邊放電間隙為0.03mm，電極綜合誤差≤±0.02mm，保證流道曲面成形精度和表面粗糙度的要求。

4.3 加工結(jié)果

精加工完成后，我們對工件流道尺寸精度、位置精度和表面粗糙度進(jìn)行了檢測，檢測方法和結(jié)果分述如下：

（1）檢測工件流道尺寸精度、位置精度。

①檢測項目：底徑外圓、底徑內(nèi)圓、葉背外圓、葉盆外圓、葉盆內(nèi)圓、頂徑外圓、頂徑內(nèi)圓，圖7給出了葉輪檢測區(qū)域的名稱；

圖7 葉輪檢測區(qū)域名稱示意圖Fig.7 Designation of inspection area

②檢測方法：利用機(jī)床在線檢測功能和標(biāo)準(zhǔn)計量球?qū)?3個流道進(jìn)行檢測；為真實反映流道加工精度,減少檢測誤差，每一檢測項目，我們選了2～5個位置進(jìn)行檢測。

在機(jī)檢測功能是將自動定位功能進(jìn)一步延伸，借助標(biāo)準(zhǔn)球為測量球和相應(yīng)的計算就可對工件和工具電極進(jìn)行檢測，檢測原理與三坐標(biāo)測量機(jī)相同。在機(jī)檢測功能主要用途：

（a）對已加工件各尺寸和相對位置的檢測；

（b）對工具電極各尺寸和損耗的檢測；

（c）對尺寸精度要求在微米級的精密微細(xì)件，特別是拆下無法重復(fù)安裝的件，在加工過程中實時對加工的型腔尺寸和工具電極進(jìn)行在機(jī)測量，以判斷是否符合加工精度要求及計算繼續(xù)加工的進(jìn)給量，直到檢測合格。

③檢測結(jié)果：表2給出了該小型閉式三元葉輪加工精度檢驗結(jié)果，檢測數(shù)據(jù)采用在線檢測方法獲得，表中正誤差值為過加工，負(fù)誤差值為欠加工。由表中可以得出，流道形線誤差在±0.10mm之內(nèi)，整個結(jié)果滿足設(shè)計要求。

（2）檢測表面粗糙度和表面質(zhì)量。

表面粗糙度采用比對方法，Ra可達(dá)到1.6μm；表面質(zhì)量采用目測方法，表面有輕微電極接痕，在0.05mm以內(nèi)，效果理想。

5 結(jié)論

電火花加工技術(shù)成功應(yīng)用于閉式三元葉輪的制造，在國內(nèi)開創(chuàng)了壓縮機(jī)制造領(lǐng)域的新工藝、新方法。多電極組合電火花整體加工解決了小直徑三元葉輪傳統(tǒng)制造工藝難以解決的問題，主要技術(shù)特點是：

（1）適用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。電火花加工中電極可以根據(jù)需要設(shè)計成不同形狀來擴(kuò)展電極在運動過程中的可達(dá)性。機(jī)械加工中的金屬刀具有規(guī)則的、相對簡單的幾何特征，對于復(fù)雜小空間結(jié)構(gòu)可達(dá)性差，同時對機(jī)床的運動結(jié)構(gòu)要求較高。

（2）適用于難機(jī)械加工材料。電火花加工時，電極與被加工工件之間存在微小放電間隙，靠電流產(chǎn)生的熱量腐蝕被加工材料。電極與工件不發(fā)生接觸，因此整個過程沒有加工受力。根據(jù)被加工材料選擇匹配適于加工的電極材料，電火花加工方法適用于絕大多數(shù)金屬材料。

（3）根據(jù)被加工型腔的空間結(jié)構(gòu)，可拆分為多個電極。對于三維空間大扭曲結(jié)構(gòu)，很難用一個電極和一組運動軌跡加工出整個型腔，因此需要將電極拆解。電極模型應(yīng)按相應(yīng)運動軌跡在保證強(qiáng)度的情況下進(jìn)行收縮，電極的理論分割點應(yīng)該在原始型腔與電極模型按運動軌跡運動時發(fā)生干涉的位置。不同的型腔結(jié)構(gòu)有不同的電極設(shè)計和軌跡設(shè)計思路。

（4）在CAD/CAM環(huán)境下，用運動分析模塊進(jìn)行工件-電極模擬運動仿真，不斷修正和優(yōu)化，高效精確的設(shè)計電極結(jié)構(gòu)和運動軌跡。對于五軸聯(lián)動加工，需要精確的計算工件轉(zhuǎn)動角速度和電極沿軌跡行進(jìn)速度之間的協(xié)同性，二者的速度必須嚴(yán)格匹配。

[1] 曹鳳國.電火花加工.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2] 劉辰，徐家文，趙建社，等.三元流閉式葉輪組合電加工技術(shù)研究I—總體方案設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù) . 航空學(xué)報，2010，31(3)：650-654.

[3] 劉辰，徐家文，趙建社，等. 三元流閉式葉輪組合電加工技術(shù)研究II—數(shù)控電解預(yù)加工.航空學(xué)報，2010， 31(4)：871-875.

[4] 劉辰，徐家文，趙建社，等. 三元流閉式葉輪組合電加工技術(shù)研究III—數(shù)控電火花精加工關(guān)鍵技術(shù) .航空學(xué)報，2010，31(6)：1299-1304.

[5] 楊大勇，陳濟(jì)輪，魏國家，等. 五軸聯(lián)動電火花精密加工技術(shù)及應(yīng)用//全國電火花成形加工技術(shù)研討會論文集，2012：142-150.