大栅距带叶冠涡轮盘电火花加工工艺优化设计

张昆，张晓阳，钟晓红，沈岩，白淳，马海鹏

（首都航天机械公司，北京100076）

大栅距带叶冠涡轮盘电火花加工工艺优化设计

张昆，张晓阳，钟晓红，沈岩，白淳，马海鹏

（首都航天机械公司，北京100076）

以大栅距带叶冠涡轮盘电火花加工工艺设计为例，分析了数控电火花加工的电极设计方案，给出了提高加工效率的工艺方法。通过采用整体式成组电极的方法，实现了工艺的再优化设计，达到了再次提高加工效率的目的。

带叶冠涡轮盘；电火花加工；成组电极；工艺优化

整体式带叶冠涡轮盘加工技术是航空航天发动机的核心关键制造技术之一。从结构上可分为不带叶冠开放式和带叶冠半封闭式两类，其中，带叶冠半封闭式整体涡轮盘是当今国际航空航天发动机的发展趋势。我国新一代运载火箭发动机涡轮泵的涡轮盘、导向环及静叶栅类零件，都已采用了带叶冠设计结构，先进的航空发动机涡轮盘也较多采用整体式带叶冠结构。多轴联动数控电火花加工技术是我国目前实现整体式带叶冠涡轮盘工程化生产最可行的高精度加工技术[1]。由于受数控电火花加工特点所限，加工效率低一直是航天发动机生产中的瓶颈问题。为此，需在前期试验的基础上，不断开展工艺优化工作，提高生产效率。

1 研制工艺设计

我国新一代运载火箭某型号发动机的喷嘴叶栅环结构见图1。叶片数为21片，叶片跨距大，且细而狭长，叶片之间的通道最窄处约为2.55 mm，单个电极无法到达通道对面，故只能设计成左右两个大小不一的电极[2]。前期研制阶段通过工艺攻关，设计完成的左右两种电极见图2。通过加工试验，叶片精度达到图纸要求，但单个零件的加工周期需30天左右，已成为型号研制的瓶颈。

图1 喷嘴叶栅环叶片三维结构模型图

图2 喷嘴叶栅环加工电极

2 工艺优化设计

随着型号研制的进行，采用原先的工艺方案已不能满足模样阶段的生产进度要求。为此，对原有工艺方案进行了工艺优化设计：将原电极的放电型面内缩0.5 mm作为粗加工电极；为改善放电加工环境，促进加工屑的快速排出，在左、右电极的头部各增加一个冲液孔[3]（图3）。

图3 喷嘴叶栅环带冲液孔的粗加工电极

通过此次工艺优化，不但加工效率有了大幅提高，且相对于原先的工艺方案，电极数量也大大减少。数据对比见表1。

表1 喷嘴叶栅环工艺优化前后的电极数量对比个

通过表1可看出，工艺方案优化前，加工21个叶片通道需7个电极；而采用粗、精加工的优化方案后，整个加工过程只需采用4个电极，降低电极成本约43%。采用优化后的电极进行加工试验，优化前后所用的时间对比见表2。

表2 喷嘴叶栅环工艺优化前后的加工时间对比

从表2可看出，工艺优化后，单个叶片通道的加工时间比优化前提高了4.3 h；加上所用电极数量减少了3个，电极安装、找正等辅助时间也大大减少。按每个电极安装、找正、复检等辅助时间为2 h计算（下同），原工艺方案的单件产品加工时间为：

工艺优化后的单件产品加工时间为：

即工艺优化后，效率提高了35.64%。

3 工艺再优化设计

虽然通过工艺优化提高了生产效率，但由于该喷嘴叶栅环的叶片栅距较大，加工过程中必须工件旋转伺服放电，即要求机床必须配置A轴且能五轴联动，才能实现该零件的加工，因此导致机床的使用成本较高。在之前的加工过程中发现，所用的五轴联动数控电火花机床，在精加工时的加工电流约为10 A，而粗加工时的加工电流约为18 A，远远没有发挥出机床大电流加工的性能。为此，针对之前的优化工艺进行了再优化设计。

从图1可看出，喷嘴叶栅环的叶片中间部分通道较狭长，而进出口部分较开阔，且进出口部分的加工面积占总加工面积的70%左右。如果能将此部分快速加工掉，不但可降低原来精加工电极头部的损耗，而且可大大提高加工效率。为此，设计了整体式成组电极（图4）。考虑到机床A轴旋转伺服放电时的效率比直线轴低很多，故将该整体式成组电极设计成仅需X轴直线运动即可完成加工。为了减少电极安装、找正及定位时间，将左右电极设计成一体结构，在电极中心位置设计了一个定位孔，可实现电极的快速定位。

图4 整体式成组电极及加工示意图

采用该整体式成组电极加工时，机床加工电流在40 A左右，大大提高了机床的性能利用率。据统计，采用该电极加工3个通道，平均用时3.6 h，即仅用1.2 h就完成了单个通道70%左右的去除量，效率提高明显。

去除叶片通道的大部分余量后，为了能充分利用机床的加工性能，又重新设计了粗加工整体式成组电极（图5）。由于右电极较狭长，为降低电极的加工难度，只采用两个通道的电极进行成组，可利用五轴联动精密数控单向走丝线切割机床进行加工。同样，采用该整体式成组电极粗加工完毕后，精加工时也可采用类似结构的整体式成组电极。

最终采用工艺再优化设计方案的加工数据见表3，可计算出单件产品的加工时间为：

工艺再优化后，效率提高了32.66%。

表3 喷嘴叶栅环工艺再优化设计方案

图5 粗、精加工整体式成组电极

4 结语

通过对大栅距带叶冠涡轮盘电火花加工工艺进行再优化设计，不但提高了机床性能的利用率，还大大降低了产品成本。采用再优化工艺方案加工的产品，其叶形精度、位置度、表面质量等均达到了设计图纸要求。通过本次工艺优化，大大缓解了型号研制产品的批生产压力，对于其他带叶冠整体式涡轮盘的数控电火花加工具有很好的借鉴意义。

[1]陈济轮.数控电火花加工技术在航空航天领域的应用与展望[J].电加工与模具，2011（增刊）：27-28.

[2]田继安.涡轮转子喷嘴叶栅环带冠叶片电火花加工[J].航天制造技术，2003（4）：16-17.

[3]张昆，陈济轮，钟晓红.带叶冠涡轮盘数控电火花加工工艺优化研究与应用[C]//2007年中国机械工程学会年会论文集-第12届全国特种加工学术会议专辑.长沙，2007：76-79.

Electrical Discharge Machining Process Optimization for Large Lattice Spacing Turbine Blisk with Shrouded

Zhang Kun，Zhang Xiaoyang，Zhong Xiaohong，Shen Yan，Bai Chun，Ma Haipeng
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

By Electrical Discharge Machining(EDM)process design of the large lattice spacing shrouded blisk as an example，the electrode design plan of NC EDM is analyzed，and the process of improving the machining efficiency is given.Using the method of integral group electrode，the optimization design process is realized，and the purpose to enhance the machining efficiency is achieved again.

turbine blisk；EDM；group electrode；process optimization

TG661

A

1009－279X（2014）06－0053-03

2014-08-05

张昆，男，1976年生，高级工程师。