周旭嬌　趙建社　褚輝生　陳　陽

1.南京航空航天大學(xué)，南京，2100162.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心,成都,6102133.常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州，213000

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整體葉環(huán)成組電極電火花高效加工技術(shù)研究

周旭嬌1,2趙建社1褚輝生3陳陽3

1.南京航空航天大學(xué)，南京，2100162.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心,成都,6102133.常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州，213000

為提高整體葉環(huán)電火花加工總體效率，針對(duì)整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種成組電極多流道同時(shí)加工方案。以典型整體葉環(huán)為例，詳細(xì)論述了該方案中的關(guān)鍵技術(shù)，包括成組電極型面、進(jìn)給軌跡及展成運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)等?；陉P(guān)鍵技術(shù)的解決，通過工藝試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并試制加工出合格的試驗(yàn)件。研究表明，采用成組電極對(duì)整體葉環(huán)進(jìn)行電火花加工，能夠提高脈沖利用率，有效縮短帶冠葉環(huán)制造周期。

帶冠整體葉環(huán)；電火花加工；成組電極；加工效率

0　引言

整體葉環(huán)是一體化設(shè)計(jì)及制造的葉環(huán)，相比于葉片榫接、外冠焊接的傳統(tǒng)組合形式，帶冠整體葉環(huán)在減輕質(zhì)量、減少零件數(shù)量的同時(shí)，其強(qiáng)度、剛度、可靠性也得到大幅度提高[1]。優(yōu)越的機(jī)械及氣動(dòng)性能使該類葉環(huán)在航空航天、國(guó)防、能源等領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用[2]。

為滿足整體葉環(huán)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下的使用性能要求，鈦合金、高溫合金等多種高比強(qiáng)度、高硬度、耐高溫的新型材料被越來越多地采用[3]。這些材料屬于典型的難加工材料，傳統(tǒng)切削加工由于切削區(qū)域溫度高，切削力大，刀具磨損快，致使加工成本極高且加工困難甚至不能加工[4]。高速切削是目前比較成熟的葉環(huán)加工方法，但受到刀具剛度和加工可達(dá)性的限制，目前僅適用于開式或葉間流道空間大且彎扭程度小的葉環(huán)加工[5-6]。其他加工方法如精密鑄造、電解成形加工、3D打印技術(shù)等受到技術(shù)難度、成形精度、工件材料等方面的限制，目前還難以滿足精密葉環(huán)的成形需求[7-8]。

相比以上加工方法，電火花加工具有精度高、表面質(zhì)量好、不受材料切削性能限制等優(yōu)勢(shì)。與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合進(jìn)一步提高了電火花加工的柔性，可以靈活解決復(fù)雜曲面加工中刀具干涉問題[8-9]，這使得電火花加工工藝成為難加工材料整體葉環(huán)葉間流道精加工首選工藝。但由于葉環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工電極及運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)難度較大[10],加上電火花加工本身效率比較低，目前帶冠葉環(huán)電火花加工工藝還存在研發(fā)和試制周期長(zhǎng)、成本高的問題。

為了提高帶冠葉環(huán)電火花加工效率，國(guó)內(nèi)外研究人員在電極設(shè)計(jì)理論、電火花加工仿真、電極材料、工作液改良、加工參數(shù)優(yōu)化等方面作了大量研究工作[11-12]。綜合考量成本、精度及可操作性，實(shí)際中主要從電極設(shè)計(jì)及加工參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化[13-14]。加工參數(shù)包括電壓、電流、脈寬、脈間等，其中電火花加工蝕除速度與單個(gè)脈沖能量及單位時(shí)間內(nèi)有效脈沖數(shù)成正比。然而僅僅增加脈沖能量或單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量，會(huì)降低工件表面粗糙度甚至產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，燒傷工件表面[15]。因此，在保證單個(gè)脈沖能量一定的前提下，改善放電條件、提高有效脈沖數(shù)，是保證工件表面質(zhì)量和提高電火花加工效率的關(guān)鍵。

本文從縮短加工輔助時(shí)間和提高脈沖利用率的角度，針對(duì)整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出成組電極電火花成形加工方案，并就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

1　研究對(duì)象

研究對(duì)象為圖1所示的典型整體葉環(huán)，為了便于觀察，圖中去掉了部分外冠結(jié)構(gòu)。該類葉環(huán)葉片繞輪轂周向均勻分布，數(shù)量從十幾個(gè)到幾百個(gè)不等。葉間流道是由輪轂外環(huán)面、外冠內(nèi)環(huán)面及相鄰葉片葉盆、葉背型面組成的半封閉型腔，其中內(nèi)外環(huán)面為圓柱面，葉片型面為自由曲面。該類葉環(huán)電火花加工工藝周期主要受以下三個(gè)方面影響：

(1)葉間流道復(fù)雜度。隨著葉間流道彎扭程度的增加，電極運(yùn)動(dòng)過程中難免與葉片發(fā)生干涉，電極及其運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)難度大。

(2)葉片數(shù)量。在電火花加工過程中電極存在損耗，隨著帶冠葉環(huán)葉片數(shù)量的增多，需要的電極數(shù)量相應(yīng)增多，電極制造、測(cè)量及零件加工過程中換裝、對(duì)刀周期也相應(yīng)增長(zhǎng)。

(3)表面質(zhì)量。該類葉環(huán)表面質(zhì)量要求一般較高，限制了電火花加工中采用較大的加工參數(shù)，使得加工周期長(zhǎng)。

(a)帶冠葉環(huán)模型　　　　　(b)葉片局部放大圖圖1　帶冠整體葉環(huán)三維模型

針對(duì)以上問題，提出了成組電極加工方案，即將多個(gè)單腔道加工電極組合成成組電極，對(duì)多個(gè)葉間流道同時(shí)進(jìn)行加工。相比單個(gè)腔道成形，多腔道成形可以最大程度地利用設(shè)備的最大電源容量，在保證加工精度和表面質(zhì)量的前提下，使得單位時(shí)間內(nèi)材料去除量最大化。同時(shí)隨著電極數(shù)量的減少，電火花加工中電極更換時(shí)對(duì)刀時(shí)間也縮短。

2　方案分析

2.1成組電極設(shè)計(jì)方案

帶冠葉環(huán)成組電極電火花加工就是指將多個(gè)單腔道加工電極根據(jù)帶冠葉環(huán)型腔分布位置進(jìn)行組合，同時(shí)對(duì)多個(gè)型腔進(jìn)行加工的方法。成組電極設(shè)計(jì)需要確定單腔道加工電極布置形式以及一組電極包含的單腔道加工電極數(shù)量。其中，單電極布置形式有兩種：①盤式電極布置，單腔道加工電極布置在與周向均布葉間流道對(duì)應(yīng)的位置；②局部電極布置，單腔道加工電極布置在與局部連續(xù)的葉間流道對(duì)應(yīng)位置。盤式電極布置形式對(duì)周向均布的型腔同時(shí)加工，可以減小非均勻受熱引起的零件變形。但與局部電極布置形式相比，盤式電極尺寸較大，考慮到機(jī)床主軸的承載能力和電極制造難度，一般僅用于尺寸較小的葉環(huán)加工。

數(shù)量方面，在一定范圍內(nèi)，隨著一組電極包含的單腔道加工電極數(shù)的增加，加工面積增大，電源容量利用率也隨之提高。但實(shí)際中確定電極數(shù)量時(shí)還應(yīng)考慮以下因素：

(1)多型腔放電狀態(tài)。電火花加工過程中由于排屑狀態(tài)不佳，可能會(huì)導(dǎo)致非正?；鸹ǚ烹姡沟脵C(jī)床主軸自動(dòng)回退以恢復(fù)正常放電狀態(tài)。同時(shí)加工的腔道數(shù)越多，出現(xiàn)非正常放電的概率越大，這樣會(huì)使得機(jī)床頻繁回退，縮短正常放電加工的時(shí)間，反而降低了有效脈沖的利用率。

(2)電源容量。同時(shí)加工腔道數(shù)越多，加工電流越大，因此，要在機(jī)床電源容量范圍內(nèi)增加同時(shí)加工的腔道數(shù)。

(3)電容效應(yīng)。同時(shí)加工腔道數(shù)越多，放電面積越大，電容效應(yīng)對(duì)電火花加工過程的影響越嚴(yán)重，單個(gè)脈沖不能及時(shí)放電，從而導(dǎo)致脈沖利用率降低且加工表面惡化的現(xiàn)象。

(4)搖動(dòng)對(duì)型腔形狀一致性的影響。由于帶冠葉環(huán)葉片周向均布，當(dāng)電極搖動(dòng)方向不與工件中心軸方向或繞工件中心軸的回轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，各單腔道加工電極與對(duì)應(yīng)型腔相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，此時(shí)各型腔加工狀態(tài)不一致，為保持流道一致性，此時(shí)，應(yīng)減少電極數(shù)量。

2.2電極及其運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

單個(gè)電極型面和運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)，是成組電極工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用電火花加工完成復(fù)雜型面成形有兩種方法：①采用成形電極進(jìn)行拷貝式加工；②采用簡(jiǎn)單型面電極輔以空間的數(shù)控運(yùn)動(dòng)進(jìn)行展成式加工。無論采用哪種方法，電極型面或電極展成運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面均與流道型面之間相差一個(gè)指向葉間流道型腔內(nèi)部的偏置量δ，圖2是圖1中葉環(huán)垂直于其回轉(zhuǎn)軸的某一截面，圖中虛線部分即是電極理想型面或電極運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)面。

圖2　初始電極截面示意圖

采用拷貝成形加工葉間流道型腔時(shí)，電極實(shí)體較大且型面成形運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但由于葉間流道存在彎扭，在從起始位置到成形位置的運(yùn)動(dòng)過程中難免出現(xiàn)干涉；采用展成加工時(shí)，電極實(shí)體小，運(yùn)動(dòng)過程中不易干涉，但由于葉環(huán)葉片自由曲面的存在，葉片成形運(yùn)動(dòng)路徑在考慮電極損耗時(shí)設(shè)計(jì)比較困難。綜合考慮干涉避讓和型面成形運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)難度，設(shè)計(jì)如下加工方案：采用具有完整葉片成形面電極對(duì)葉片型面進(jìn)行拷貝成形以降低型面成形運(yùn)動(dòng)難度，采用薄片狀電極輔以數(shù)控展成運(yùn)動(dòng)對(duì)內(nèi)外環(huán)面進(jìn)行成形從而減小電極厚度，合理避讓運(yùn)動(dòng)干涉。

采用上述方案時(shí)，電極上與葉片對(duì)應(yīng)的成形面應(yīng)保證完整，展成面可適當(dāng)減薄以獲得相應(yīng)的電極運(yùn)動(dòng)空間。由于帶冠整體葉環(huán)葉片型面徑向邊界處于內(nèi)外環(huán)圓柱面上，故在一定范圍內(nèi)繞主軸沿通道內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)影響其完整性。對(duì)于圖1所示的葉環(huán)，如圖2所示，電極型面是在電極理想型面或電極運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)面的基礎(chǔ)上，將對(duì)應(yīng)于葉片的某一成形面(圖2中為葉背型面)，沿軸向向通道內(nèi)部偏轉(zhuǎn)β得到的。

3　電極型面設(shè)計(jì)

電極型面可按照以下方法求解：

在流道待加工型面上均勻提取型面點(diǎn)集pm，電極中各點(diǎn)的法向?yàn)閚pm(方向指向流道內(nèi)部)，根據(jù)零件精度要求確定型面縮放量δ：

δ=δd+γ+Δ

(1)

式中，δd為電火花加工放電間隙；γ為主軸搖動(dòng)方式有關(guān)的加工量；Δ為預(yù)留給下一個(gè)工序的加工余量。

可以得到對(duì)應(yīng)的初始電極型面點(diǎn)集pnm：

pnm=pm+δxnpm

(2)

當(dāng)電極型面為電極理想型面或電極運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)面時(shí)δx?。?/p>

δx=δ

(3)

當(dāng)電極型面是在電極理想型面或電極運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面的基礎(chǔ)上，沿軸向向通道內(nèi)部偏轉(zhuǎn)β時(shí)δx?。?/p>

(4)

式中，rx為pm中的點(diǎn)到葉環(huán)中心軸的距離。

將點(diǎn)集pnm進(jìn)行擬合，可以得到電極初始模型。β值決定了電極剛度大小，β值越大，電極剛度越小。電極剛度小，一方面在電火花加工難以避免電極出現(xiàn)振動(dòng)而影響加工穩(wěn)定性，另一方面也增加了電極制造難度。因此在避免干涉的前提下，求取β的最小值是電極及運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4　運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

電極的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)包括電極進(jìn)給路徑設(shè)計(jì)和電極展成運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)計(jì)兩部分。進(jìn)給路徑是電極從工件外部加工起始位置無干涉運(yùn)動(dòng)到成形位置的路徑；展成路徑是指電極在成形位置通過姿態(tài)調(diào)整完成所有型面成形的路徑。

4.1電極進(jìn)給路徑

由于電極成形位置是確定的，該位置是電極的進(jìn)給終了位置，故設(shè)計(jì)中采用反求法求取電極無干涉撤出的運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡是加工運(yùn)動(dòng)的反過程。設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先將初始電極置于進(jìn)給終了位置，設(shè)定主運(yùn)動(dòng)和避讓運(yùn)動(dòng)方向，其中，主運(yùn)動(dòng)方向是電極撤出時(shí)干涉較小的方向，避讓方向是電極與葉間流道型面發(fā)生干涉時(shí)的退讓方向。然后沿主運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒊烦鲞\(yùn)動(dòng)分為n步，撤出過程電極出現(xiàn)干涉過切時(shí)，通過避讓運(yùn)動(dòng)來避讓干涉，若路徑運(yùn)動(dòng)無法避讓干涉，則增大β值。因此電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的過程，也是無干涉電極模型的求解過程。

圖3　帶冠葉環(huán)電極及運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)流程

對(duì)于如圖2所示的帶冠整體葉環(huán)，葉間流道為軸向開口，在工件固定的前提下，電極沿軸線運(yùn)動(dòng)撤離流道干涉較小，設(shè)定軸向?yàn)橹鬟\(yùn)動(dòng)方向，以繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)楸茏尫较蚩杀ＷC電極葉片成形面的完整性。電極具有繞工件軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿軸線的移動(dòng)，所以電極上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均處于一個(gè)圓柱面上。根據(jù)精度要求，將主運(yùn)動(dòng)方向步距設(shè)為l，圖4所示是軸線半徑為Rm電極上一點(diǎn)p由第i步Si處運(yùn)動(dòng)到Si+1處，p在Si處的齊次坐標(biāo)為pSi，在Si+1處的齊次坐標(biāo)為pSi+1整個(gè)路徑的齊次變換表達(dá)式為

pSi+1=pSiTSi，Si+1

(5)

(6)

式中，TSi，Si+1為電極運(yùn)動(dòng)路徑第i+1步的齊次變換矩陣。

以上路徑的反過程即是電極從加工起始位置到達(dá)電極拷貝成形位置的軌跡。在圖1所示帶冠整體葉環(huán)設(shè)計(jì)中β=1.78°，設(shè)計(jì)完成的電極模型如圖5所示。

圖4　電極上任一點(diǎn)的移動(dòng)路徑　圖5　設(shè)計(jì)完成單通道電極模型

4.2電極展成運(yùn)動(dòng)軌跡

在電極到達(dá)電極拷貝成形位置后，葉間流道葉盆型面完成加工，葉背型面以及內(nèi)外環(huán)面均未完成加工。此時(shí)在工件固定的前提下，電極在圖2位置沿避讓方向運(yùn)動(dòng)-β，可以到達(dá)葉片另一型面的成形位置進(jìn)行拷貝加工，且在該運(yùn)動(dòng)過程中，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)面的展成成形。

該過程運(yùn)動(dòng)軌跡的齊次變換矩陣Tzpb為

(7)

式中，θ2為展成運(yùn)動(dòng)中電極相對(duì)于加工位置繞葉環(huán)軸線轉(zhuǎn)過的角度。

在以上運(yùn)動(dòng)過程中，需要設(shè)定內(nèi)外圓柱面成形位置，電極在該位置停留并通過平動(dòng)修正型面。如圖6所示，虛線和實(shí)線分別為θ2=0和θ2=-β時(shí)的電極位置，在與工件回轉(zhuǎn)軸垂直的某一截面zn(n=0,1,2…)中，電極內(nèi)環(huán)型面夾角為αn1，外環(huán)為αn2，平動(dòng)成形位置數(shù)m的設(shè)定如下：

(1)若min(αn1,αn2)>β，則該截面在葉片型面成形時(shí)，內(nèi)外環(huán)面也完成加工，且兩次加工具有一定的重合部分，則無需設(shè)計(jì)成形位置。

(2)當(dāng)min(αn1,αn2)≤β時(shí)，則該截面在葉片型面成形時(shí)，內(nèi)外環(huán)面未完成加工，此時(shí)，需增加的加工位置數(shù)為mn：

(8)

式中，[·]表示取整。

要使內(nèi)外環(huán)面無接刀痕跡，則加工位置：

m=max(m0,m1,m2，…，mn)

(9)

各加工位置的計(jì)算式為

(10)

圖6　成形電極加工位置示意圖

5　工藝試驗(yàn)

圖1所示的整體葉環(huán)，葉間流道內(nèi)外環(huán)直徑分別為350mm和380mm，葉環(huán)周向均勻分布102個(gè)葉片。工件尺寸較大，若做成整體式電極，電極尺寸很大，因此采用局部電極布置形式，將6個(gè)單通道加工電極組合成圖7所示的成組電極，通過17次分度，完成102個(gè)腔道的加工，制造完成的成組電極如圖7所示。

圖7　制造完成的成組電極

整體葉環(huán)的加工在瑞士阿奇夏米爾五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花機(jī)床上完成。表1給出了部分粗加工和精加工的主要加工參數(shù)。

表1　部分電火花加工參數(shù)

如圖8所示，在電火花加工中，采用電極固定位置、毛坯分度的方法實(shí)現(xiàn)不同型腔的加工。整個(gè)加工過程放電穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的非正常主軸回退現(xiàn)象。

圖8　帶冠葉環(huán)加工現(xiàn)場(chǎng)

加工的試驗(yàn)件部分葉間流道如圖9所示。其型腔型面誤差小于0.06mm，扭轉(zhuǎn)誤差小于0.02°，表面粗糙度Ra<2μm，流道光滑轉(zhuǎn)接。

圖9　加工后的葉間流道

6　結(jié)論

(1)采用成組電極對(duì)整體葉環(huán)進(jìn)行加工時(shí)，根據(jù)葉環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、放電狀態(tài)等多個(gè)因素，確定合理的電極布置形式和數(shù)量，可以在保證加工穩(wěn)定的前提下，提高加工效率。

(2)對(duì)于大量存在的輪轂外環(huán)面及外冠內(nèi)環(huán)面均為圓柱面、葉片型面為自由曲面的整體葉環(huán)，采用葉片型面拷貝成形、內(nèi)外圓柱面展成成形的方法，能夠降低電極型面設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)難度。

(3)典型帶冠葉環(huán)的試制加工實(shí)踐表明：在電火花加工中采用成組電極對(duì)復(fù)雜型腔進(jìn)行加工可行，且對(duì)于具有多個(gè)重復(fù)特征的零件，成組電極加工方式是提高加工效率的有效手段。

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(編輯袁興玲)

Research on High Efficiency EDM Process of Integral Bling with Grouped Electrodes

Zhou Xujiao1,2Zhao Jianshe1Chu Huisheng3Chen Yang3

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016 2.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,SIPO,Sichuan,Chengdu,610213 3.Jiangsu Key Laboratory of Digital Electrochemical Machining，Changzhou Institute of Technology，Changzhou，Jiangsu,213000

To improve the overall efficiency of EDM process for integral bling，a new process of simultaneously machining several tunnels with grouped electrode was presented based on the structure of a typical bling. Key technologies were discussed in detail, which included the electrode shape design, feed motion and movement track generation. The processing plan was verified by the technological test, and a qualified test sample was machined successfully. The results show that grouped electrodes can increase the utilization of pulse and shorten the manufacturing cycle in EDM process.

integral bling； electrical discharge machining(EDM)； grouped electrode； machining efficiency

2015-08-21

南京航空航天大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)科研項(xiàng)目(NS2013052)；常州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(CE20135037)

TG661;V261.6

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.18.007

周旭嬌，女，1991年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)榫芨咝щ娀鸹庸ぜ夹g(shù)、特種加工新技術(shù)。趙建社，男，1976年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授、博士。褚輝生，男，1960年生。常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授。陳陽，男，1981年生。常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)技師。