許 璠，馬長進(jìn)，徐 輝，薄佑鋒，王 哲

（ 1. 西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西西安 710100；2. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240 ）

渦輪靜子是在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的一種關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動機(jī)的綜合性能。 目前越來越多的葉盤類產(chǎn)品采用了閉式帶冠整體結(jié)構(gòu)，以減少傳統(tǒng)渦輪部件中葉尖與渦輪外環(huán)之間的逸流損失。 但是，閉式整體葉盤大多具有復(fù)雜的流道形狀，需在高溫高壓環(huán)境中長時間連續(xù)工作，其加工精度要求高，并且制作材料多為高溫合金、鈦合金等難加工材料[1-6]。 雖然采用電火花加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的精密加工，但是加工中需通過電火花蝕除大量毛坯余量來成形，其加工效率極低，這成為制約我國航天產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的瓶頸。 為了進(jìn)一步提高渦輪靜子的生產(chǎn)效率，研究更高效的加工方法具有重要意義。

電火花電弧復(fù)合加工技術(shù)是一種新型的材料高效率去除方法，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)電火花工藝加工效率低和電解工藝存在污染的不足，成為特種加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，許多學(xué)者對此做了大量研究。 王飛等[7]提出一種電火花電弧復(fù)合加工鎳基高溫合金Inconel 718 的加工方法，通過復(fù)合加工和普通電火花加工的對比研究，得出復(fù)合加工的材料去除率是電火花加工的18 倍的結(jié)論；Wang 等[8]研究了鈦合金（Ti-6Al-4V）的電弧電火花復(fù)合加工工藝，表明該方法能有效地對難加工材料進(jìn)行加工；Jia 等[8]設(shè)計了一種針對帶冠整體渦輪盤的高效電火花加工電極，表明該電極能在保證加工質(zhì)量的前提下最大量地去除材料；賈雨超等[10]提出了一種具有內(nèi)沖液結(jié)構(gòu)的多頭成組電極設(shè)計方法，通過試制一款閉式整體葉盤，驗(yàn)證了該方法的可行性。

雖然相關(guān)研究已取得了不少成果，但是尚未有針對高溫合金渦輪靜子電火花電弧復(fù)合加工方面的研究報道。 為此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，首先開展了高溫合金的高速電弧復(fù)合工藝試驗(yàn)研究，分析了工藝參數(shù)對高溫合金加工效率、表面粗糙度等方面的影響規(guī)律；然后以渦輪靜子為加工對象，開展高速電弧粗加工和多軸聯(lián)動精密電火花成形精加工研究，以提高渦輪靜子的加工效率。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 渦輪靜子的結(jié)構(gòu)

渦輪靜子由靜葉和葉輪內(nèi)外圓周組成（圖1），工作在高溫、高壓、高速的富氧燃?xì)猸h(huán)境中，是渦輪泵中工作環(huán)境最惡劣的部件，主要對燃?xì)馄饘?dǎo)向作用。 渦輪靜子中燃?xì)獾牧鲃有Ч苯佑绊憸u輪泵的總體性能。某火箭發(fā)動機(jī)渦輪靜子[11]具有以下特點(diǎn)：①采用整體坯料鍛造成形， 待加工區(qū)葉輪的直徑365 mm、厚度65.2 mm；②材料去除量28 kg，去除體積占待加工體積80%以上；③葉輪圓周上相間均勻分布17 個葉片，每個葉片長約85 mm，均為自由曲面且厚度薄而不勻，流道細(xì)長且空間彎扭。

1.2 試驗(yàn)裝置及加工條件

試驗(yàn)采用的五軸聯(lián)動高效電弧銑削裝置是在五軸聯(lián)動加工機(jī)床基礎(chǔ)上自研開發(fā)的具有在線復(fù)合加工功能的高效、高質(zhì)量加工裝備（圖2a）。 五軸聯(lián)動加工機(jī)床使用水基工作液，選用棒狀石墨電極進(jìn)行電弧銑削加工，含有用于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力內(nèi)沖液的內(nèi)沖液孔。 本研究自研裝備是基于獨(dú)特的“流體動力斷弧”機(jī)制[12]來實(shí)現(xiàn)高速電弧放電加工，可高效去除鎳基高溫合金、鈦合金及金屬基復(fù)合材料工件的大部分余量。 試驗(yàn)裝備為FORM400VP 五軸聯(lián)動精密電火花成形機(jī)床（圖2b），使用烷烴類油基復(fù)合工作液，以成形電極做拷貝運(yùn)動，在工件表面加工出相反的幾何形狀，可進(jìn)行工件的高精度加工。

圖2 試驗(yàn)裝置及設(shè)備

此外， 試驗(yàn)采用稱重法來計算材料去除率，用PGR830 超精粗糙度輪廓儀來測量工件的表面粗糙度， 用VHX-600K 超景深數(shù)碼光學(xué)顯微鏡和Hitachi S4700 掃描電鏡來觀察加工表面特性。

2 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

2.1 鎳基高溫合金工藝參數(shù)研究

針對鎳基高溫合金GH4169 開展高速電弧放電加工試驗(yàn)研究，分析了不同工藝參數(shù)對加工工藝性能指標(biāo)（加工效率、表面粗糙度、熱影響厚度）的影響， 探索了高溫合金高速電弧放電加工工藝規(guī)律，可為其他難切削材料產(chǎn)品的高效預(yù)加工提供參考。

2.1.1 對電弧加工效率的研究

加工效率是判定一種加工方法能否應(yīng)用的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。 如圖3 所示，采用500 A 集束電極進(jìn)行高溫合金的電弧放電加工，此時材料去除率（MRR）為14 000 mm3/min；采用1 000 A 電流時，MRR 值高于20 000 mm3/min。 這是由于峰值電流越大，工件與電極間的放電通道能量密度越高，局部高溫蝕除的材料越多，從而提高工件的加工效率，但相應(yīng)的表面質(zhì)量也會變差。 在實(shí)際加工中，為了獲得較好的加工效率及表面質(zhì)量， 需采用小于1 000 A 的電流進(jìn)行電弧加工，然后進(jìn)行電火花精加工。

圖3 不同峰值電流加工時的材料去除率

2.1.2 對電弧加工表面粗糙度的研究

在放電峰值電流分別為200、300、400、500 A 時得到的工件表面粗糙度變化規(guī)律見圖4。結(jié)果表明，電極在正、負(fù)極性高速電弧放電加工時得到的表面粗糙度值，均會隨著放電電流的增加而增大。 這是因?yàn)殡娏鞯脑黾訒?dǎo)致蝕除凹坑變大，從而使工件表面粗糙度值增大。 當(dāng)峰值電流為200 A 時，電極負(fù)極性加工時的表面粗糙度值達(dá)到274 μm， 而在相同的峰值電流下，電極正極性加工的表面粗糙度值僅為31 μm，相應(yīng)的加工表面情況見圖5。由此可知，當(dāng)放電電流相同時，電極正極性加工的表面質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于電極負(fù)極性加工的表面質(zhì)量。

圖4 不同峰值電流加工時的表面粗糙度

圖5 正負(fù)極性加工的表面SEM 照片

2.1.3 電弧加工表面再鑄層和熱影響層研究

再鑄層和熱影響層[13]可以確定電弧放電加工時的熱影響深度，是判定被加工工件表面完整性的重要因素。 通常，人們會選擇加工工件表面的最外圍作為測量區(qū)域，并采用光學(xué)顯微鏡在該區(qū)域的橫截面上進(jìn)行測量。 圖6 是峰值電流分別為100、200、300 A 時的加工樣件截面金相圖。可知，隨著峰值電流增大，再鑄層厚度增加；當(dāng)放電峰值電流為100 A時，再鑄層最小值小于10 μm。

圖6 不同峰值電流加工時的GH4169 工件重鑄層

進(jìn)一步地，為了確定熱影響層厚度，試驗(yàn)將光學(xué)顯微鏡的測量比例尺從20 μm 減小至5 μm。 測量結(jié)果表明，基體材料未見明顯分界線，金相照片中未發(fā)現(xiàn)熱影響層。 這是因?yàn)闃O間高速流動的工作液能迅速帶走電弧放電產(chǎn)生的熱量，使后者向基體傳遞較少。 此外，電弧放電產(chǎn)生的爆炸沖擊會使大部分的熔融材料被快速地拋離出工件表面的熔融區(qū)，從而進(jìn)一步降低了熱影響的深度。

2.1.4 電弧加工表面硬度分析

加工后工件的表面硬度是關(guān)系后續(xù)精加工工序銜接的重要因素。 采用硬度計測量的表面硬度結(jié)果見表1?？芍?，工件1 和工件2 的表面硬度均略高于基體的硬度，但差值較小，對后續(xù)精加工工序的影響較小。

表1 不同電流加工工件的表面硬度

綜合分析高溫合金電弧加工工藝試驗(yàn)結(jié)果之后，將渦輪靜子的加工方案選定為：首先，采用電極負(fù)極性高速電弧銑削加工， 以獲得更高的加工效率；然后，采用正極性電火花精加工，以獲得較好的工件輪廓精度。 通過以上兩種加工方法的組合，可實(shí)現(xiàn)渦輪靜子的高效、高精度加工。

2.2 渦輪靜子樣件加工

由前述試驗(yàn)結(jié)果可知，高速電弧銑削加工技術(shù)非常適合高溫合金的大余量快速去除加工。 以高溫合金GH4169 渦輪靜子為加工對象， 本文進(jìn)一步開展渦輪靜子高速電弧銑削粗加工和多軸聯(lián)動精密電火花成形精加工工藝的研究，建立了高溫合金材料渦輪靜子高效、高精度的加工技術(shù)體系。 渦輪靜子“電弧-電火花”復(fù)合加工主要工藝流程見圖7。

圖7 渦輪靜子的主要工藝流程

2.2.1 高速電弧銑削粗加工

電弧銑削加工目的是高效去除渦輪靜子葉片流道的大部分體積，以大幅縮短葉片電火花成形加工的周期。 在工件高速電弧銑削粗加工過程中，主要采用“大電流固定軸輪廓銑開粗加工”和“小電流五軸曲面銑型腔曲面精修加工” 兩種工藝方法，共計去除材料約23 kg，約占材料去除總量的82%。

粗加工階段的參數(shù)見表2。 其中，在“大電流固定軸輪廓銑開粗加工”過程中，用直徑16 mm 的石墨電極通過固定軸輪廓銑削進(jìn)行最初的粗加工，工件單邊留余量6 mm；在“小電流五軸曲面型腔銑精修加工”過程中，用直徑10 mm 的石墨電極，工件單邊留余量3 mm。

表2 高速電弧銑削粗加工參數(shù)

2.2.2 電火花成形精加工

在高速電弧銑削粗加工之后，對工件進(jìn)行吹砂處理，以去除產(chǎn)品流道表面殘留的電蝕產(chǎn)物。 然后，采用多軸聯(lián)動精密電火花成形加工技術(shù)對渦輪靜子進(jìn)行精加工，以達(dá)到圖紙要求的尺寸公差、形位公差及表面狀態(tài)。

渦輪靜子電火花成形加工的參數(shù)條件是：正極性加工，脈沖寬度42 ms，脈沖間隔56 ms，峰值電流10A；加工時，采用“臥式群電極”加工工藝，并在電極軌跡搜索中用“四軸聯(lián)動旋入式”刀軌搜索方法，以確保加工過程的高效、穩(wěn)定和代碼的簡單性。

渦輪靜子樣件見圖8。 其中，圖8a 是高速電弧電火花銑削粗加工的實(shí)物， 圖8b 是電火花成形精加工的實(shí)物。 結(jié)果顯示，加工誤差為±0.08 mm，滿足產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)條件要求，證實(shí)了該復(fù)合工藝方法的合理性和有效性。

圖8 加工的渦輪靜子樣本實(shí)物

對于渦輪靜子，只采用電火花成形加工，其加工周期約為775.2 小時/臺；采用“電弧-電火花”復(fù)合加工的周期約為372.2 小時/臺，相較于前者的加工效率提高了52%，效果顯著。 再對比不同加工方法下的單臺渦輪靜子的加工成本可知，采用單純電火花成形工藝的加工成本約為26.9 萬元/臺， 而采用“電弧-電火花”復(fù)合工藝的加工成本約為14.5 萬元/臺， 相較于前者節(jié)約12.4 萬元/臺， 成本壓縮約46%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

針對渦輪靜子的高效高精度加工需求，本文通過開展鎳基高溫合金的高速電弧加工工藝試驗(yàn)，探究了電弧加工效率、表面粗糙度、再鑄層和熱影響層等方面的變化規(guī)律，還采用“電火花-電弧”復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對該產(chǎn)品的加工，得出以下結(jié)論：

（1）在電弧加工鎳基高溫合金時，峰值電流小于1 000 A，可獲得較好的加工效率和表面質(zhì)量；當(dāng)放電峰值電流為100 A 時，所得再鑄層的深度最小值小于10 μm。

（2）采用“電火花-電弧”復(fù)合工藝加工渦輪靜子，與單純采用電火花成形加工工藝相比，加工時間由775.2 小時/臺縮減至372.2 小時/臺，加工效率提高了約52%，證明該工藝技術(shù)為渦輪靜子的高效加工提供了可行性參考。