CN101524805B - 一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法及其专用夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法及其专用夹具,其通过采用专门设计制造的成型或近成型工具阴极进行数控电解加工而去除大部分余量;然后再采用专门设计制造的成型或近成型工具电极进行数控电火花精密加工而达到设计要求;如此不仅能够加工那些由于数控铣削刀具干涉、过切而不能加工的三元流闭式叶轮叶间流道,而且比较已有的整体铸造、分体加工再焊接、以及数控铣削三种制造方法,还具有高精度、高效率、低成本的技术经济特点。
Description
技术领域
本发明属于三元流闭式叶轮的加工技术领域,尤其涉及一种三元流闭式叶轮流道的特种加工方法及实施该加工方法的加工装置。
背景技术
随着三元流理论及其相关应用技术的发展,三元流叶轮在先进透平压缩机叶轮设计中得到越来越多的应用。由于三元流理论设计更加接近流体相对于叶轮的真实运动,因此基于三元流理论所设计、制造的叶轮具有更高的工作效率,对于节约能源,降低排污,具有十分重要的意义,对于大流量、高能耗的透平机械,作用更加突出。
近二十年来,随着设计、制造技术的发展,在三元流开式叶轮的基础上,增加设计了轮盖,将轮盖与叶片、轮盘构成为一个完全的整体结构,即三元流闭式整体叶轮(附图6);其重要特点是三元流闭式叶轮轮盖外型面与压缩机壳体旋转面之间的规律配合替代了三元流开式叶轮叶片外缘面与压缩机壳体旋转面之间的配合,如此可极大降低叶尖漏气损失,从而使叶轮工作效率大大提高;同时,轮盖与叶片、轮盘整体构成了一个框架结构,也将大大提高叶轮强度和刚性,不仅可大大提高叶轮极限转速,同时还提高工作可靠性和使用寿命。
由于三元流闭式叶轮具有上述突出优点而期望得到推广应用,但由于其叶片型面复杂,壁薄而在加工过程容易产生变形使得其三元流叶片、或者说三元流叶片及盘、盖型面所形成的叶间流道的加工非常困难,已经成为当今世界先进制造领域都在力求解决、但还没有解决好的制造技术难题。
已有的三元流闭式叶轮制造方法包括整体铸造法和三大件或两大件焊接法,其中三大件焊接法制造三元流闭式叶轮的主要工艺过程是:用薄的合金钢板压制出成型的叶片,然后再分别与轮盖或轮盘焊接成整体叶轮;而两大件焊接法制造三元流闭式叶轮的主要工艺过程是锻造并加工出开式整体叶轮,再与轮盘焊接成整体叶轮;因此,无论是三大件焊接法还是两大件焊接法,其最终都要通过焊接才能加工出三元流闭式叶轮,而叶片在焊接过程中都有回弹变形,需要在工序中间或最后安排必要的热处理工序以均匀材料组织和消除加工过程中产生的变形及切削应力,或者最后还要安排叶片型面精密修整、抛光工序,故对于这两种加工方法,生产工序较为繁琐,且精度不一定能达到要求,因为三大件或两大件焊接法本质上还称不上整体制造,为了避开整体加工叶间流道这一技术难题,其过程是先分体加工三大件(轮盘、叶片、轮盖)或两大件(轮盘与叶片成一整体的开式整体叶轮、轮盖),然后再将三大件(或两大件)焊接成一整体;尽管采用了高精度专用焊接夹具,依然难于获得高精度;而且在焊接过程中可能产生的热变形、热应力、甚至可能产生的裂纹,都会严重影响使用寿命和工作可靠性,特别对于那些直径小、叶片薄的小型三元流闭式叶轮,三大件(或两大件)焊接方法更难达到设计使用要求。
铸造法制造三元流闭式叶轮是真正的整体制造方法,但铸造法难于获得高精度,对于那些不能铸造的高强合金材料的整体叶轮也不适用。
新近发展了数控铣削整体加工三元流闭式叶轮的方法,已经掌握了相关编程、刀具和切削工艺参数等关键技术,其主要工艺过程是:闭式叶轮锻件→数控车削叶轮中心定位孔→数控车削叶轮上下端面及内外型面→分别从叶间流道进出口端数控铣削叶间通道(按粗、精加工工序安排),则由此可知,该方法对于那些叶片型面复杂、弯扭程度大、或者叶间流道尺寸小的三元流闭式叶轮,不可避免地在铣削叶间流道的过程容易产生刀具干涉、过切而不能实现流道的整体加工;同时对于那些难切削高强合金材料制成的三元流闭式叶轮,数控铣削也很困难、甚至也不能加工,不仅加工效率低、制造成本高,而且也难于获得高精度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法,其通过采用专门设计制造的成型或近成型阴极进行数控电解加工而去除大部分余量;然后再采用专门设计制造的成型或近成型工具电极进行数控电火花精密加工而达到设计要求;如此不仅能够加工那些由于数控铣削刀具干涉、过切而不能加工的三元流闭式叶轮叶间流道,而且比较已有的整体铸造、分体加工再焊接、以及数控铣削三种制造方法,还具有高精度、高效率、低成本的技术经济特点。
为实现以上的技术目的,本发明将采用以下的技术方案:
一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法,包括以下加工步骤:(1)锻造毛坯;(2)粗车叶轮中心定位孔以及内、外型面;(3)数控车加工叶轮中心定位孔及内外型面、上下端面;(4)以叶轮中心孔中心定位并进行分度,依照叶轮需要加工的三元流道角向位置要求,逐个分度钻削直径逐段增大的台阶形预孔;(5)采用数控电解加工对第(4)步骤获得的台阶形预孔进行再加工,且所述的数控电解加工运用一个以上的工具阴极,在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流道的预加工;(6)采用数控电火花加工已完成预加工的三元流道,且所述数控电火花加工采用一个以上的工具电极,在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流闭式叶轮的叶间通道,同时达到相应的设计精度要求。
所述数控电火花加工包括数控电火花粗加工、数控电火花半精加工以及数控电火花精加工,每一个工序皆采用不同的工具电极,且每一个工序皆采用一个以上的工具电极。
所述数控电解加工采用两个以上的工具阴极对台阶形预孔进行再加工,以分别从流道出口和从流道进口逐渐切入,直到两面切入加工的三元流道连通后才完成整个流道的预加工。
所述数控电火花加工采用两个以上的工具电极进行三元流道的加工,以分别从流道出口和从流道进口逐渐切入,直到切入加工的三元流道连通且各型面达到设计要求后才完成整个流道的加工。
所述数控电火花加工的工具电极通过以下方式建立三维模型:以叶轮中轴、底面、定位销孔建立三维坐标系xyz,对三元流道进行合理的区域划分,确定电极的数量和各自加工区域,采用等间隙法,假设电火花加工平均间隙为δ,对各区域三维模型进行网格划分,得到型面上的数值点集Pi,Pi的法矢为npi,则可得到对应的点集Pni=Pi-δnpi,如果已知Pi坐标为xi,yi,zi,npi={api,bpi,cpi},则Pni的坐标值可表达如下式:
以型值点坐标集Pni在数字化建模软件平台上实现该数控电火花加工成型工具电极的三维造型。
所述数控电火花半精加工的平均间隙取值0.10mm-0.25mm;精加工取0.01mm-0.05mm。
所述数控电解加工的工具阴极通过以下方式建立三维模型:以叶轮中轴、底面、定位销孔建立三维坐标系xyz,用层切法采集叶盆、叶背型面数值点,即在z向上取其型腔的若干个截面zi(i=1,2,……,N,为满足精度要求,N>50),采用有限元方法将下述方程式(1)~(5)离散化为线性方程组,求解即可得到加工间隙中等位面函数φa(x,y)的递推式,从而得到一族阴极边界型值点;然后根据各层zi值得到阴极轮廓空间型值点坐标集P:{xi,yi,zi},在数字化建模软件平台上实现工具阴极的三维造型;
φ=0 在阴极边界 (2)
φ=U 在阳极边界 (3)
式中,φ为电势,U为施加在工件阳极上的电压;υ为阴极进给速度;η为电流效率;ω为体积电化学当量;k为电解液电导率;θ为工件阳极法向与阴极进给方向的夹角。
所述工具阴极以及工具电极的加工运动轨迹皆满足:
式中,S:{xi,yi,zi,Ri}为理论型腔外廓点域;Δ:{xi,yi,zi,Ri}为预留精加工余量点域;G:{xi,yi,zi,Ri}为工具阴极或工具电极的外廓点域;I:{xi,yi,zi,Ri}为加工间隙的外廓点域;Tf为工具阴极或工具电极运动到第f步时的运动变换。根据满足式(7)要求和使工具阴极或工具电极运动包络面区域最小的原则,对运动轨迹进行修正,并确定出每一步机床各轴的运动量Δxi,Δyi,Δzi,从而编制数控程序。
根据以上的技术方案,可以实现以下的有益效果:
1.数控电解加工以及数控电火花加工都是非接触式加工,避免了现有技术中采用铣削加工三元流道时,由于三元流叶片的弯、扭及构形复杂所产生的刀具干涉,以及极易产生加工盲点的现象,另外,预加工采用数控电解加工完成,充分发挥电解加工速度快而可以得到整个叶轮加工的高效率;而在半精和精加工阶段由数控电火花加工完成,可以保证精密加工阶段的高精度和高稳定性,数控电解和数控电火花加工的有序组合,相互取长补短,相得益彰;
2.根据三元流道的弯、扭及构形状况,先后采用一个以上的工具阴极、工具电极分别进行数控电解加工、数控电火花加工,以完成整个三元流道的加工;
3.基于电解、电火花的加工原理,其加工难易程度、加工速度与材料的强度、硬度无关,对于任何高强、高硬合金材料,都可以同样达到高精度、高效率、高稳定性加工要求,可以优质、高效、低成本解决前述铸造法、焊接法、数控铣削法都难以解决或不能解决的高强、高硬合金材料制成的、复杂几何造型的三元流闭式叶轮叶间流道的加工难题。
本发明的另一技术目的是提供实施上述方法的数控电解加工和数控电火花加工夹具:
所述的数控电解加工夹具,包括底板、垂直于底板且与底板中心孔配合的中心定位轴,还包括平行于底板设置的第一阴极连杆及与其输出端连接的第一阴极、垂直于底板设置的第二阴极连杆及与其输出端连接的第二阴极以及连接于中心定位轴上的分度盘,所述分度盘上同轴设置一待加工三元流闭式叶轮,且待加工三元流闭式叶轮与分度盘之间还连接定位销,同时沿分度盘径向设置有分度销,所述分度销定位设置在固定连接于底板上的分度销定位块中,而该待加工三元流闭式叶轮上则同轴连接导电块,另外,还设置一将导电块、待加工三元流叶轮以及分度盘压设在底板上的压紧装置,所述底板上还固定连接有背压腔,所述第一阴极和第一阴极连杆的连接端位于背压腔内,所述背压腔的一敞口端与第一阴极连杆配合连接,而另一敞口端面则与三元流叶轮的外缘面配合连接,且第一阴极与从叶轮外缘面切入加工的流道型腔对应而所述第二阴极与从叶轮内型面切入加工的流道型腔对应。
电火花加工立式夹具,包括底座以及与底座垂直连接的支架,所述支架上横向设置主定位轴,主定位轴上依次顺序同轴定位连接分度盘、待加工三元流闭式叶轮和导电压块,所述导电压块外侧还设置一将导电压块向待加工三元流闭式叶轮压紧的固紧装置,且分度盘和待加工三元流闭式叶轮之间连接定位销,所述分度盘外周沿径向设置有可插入分度销的分度槽,所述分度销定位设置在固定连接于支架上的分度销定位块中,所述工具电极定位安装在电极座上,所述电极座定位安装于数控电火花加工机床主轴的电极夹头。
根据以上的技术方案,可以实现以下的有益效果:
1.本发明所用的电解加工夹具由于采用背压腔,使得经由被加工流道加工间隙中喷流出的电解液不是直接喷入大气,而是先喷入背压腔而使得流道加工间隙出口处产生高于大气压力的背压,如此设计,一方面使得整个加工过程中流场均匀、稳定,另一方面也可以避免缺液而防止火花短路发生,即让整个加工过程稳定而连续;
2.本发明所述的电火花加工夹具采用立式,与卧式夹具相比,可以避免整个夹具浸于工作液中,更加方便加工时的分度和调整。
附图说明
图1为本发明的加工流程图;
图2、图3是本发明数控电解加工夹具的结构示意图;
图4、图5是本发明数控电火花加工夹具的结构示意图;
图6是利用本发明提供的加工方法所加工出的产品结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示,本发明所述的加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法,包括以下加工步骤:(1)锻造毛坯;(2)粗车叶轮中心定位孔以及内、外型面;(3)数控车加工叶轮中心定位孔及内外型面、上下端面;(4)以叶轮中心孔中心定位并进行分度,依照叶轮需要加工的三元流道角向位置要求,逐个分度钻削直径逐段增大的台阶形预孔;(5)采用数控电解加工对第(4)步骤获得的台阶形预孔进行再加工,且所述的数控电解加工运用一个以上的工具阴极,在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流道的预加工;(6)采用数控电火花加工已完成预加工的三元流道,且所述数控电火花加工采用一个以上的工具电极,在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成如图6所示的三元流闭式叶轮的叶间通道,同时达到相应的设计精度要求。
所述数控电火花加工包括数控电火花粗加工、数控电火花半精加工以及数控电火花精加工,每一个工序皆采用不同的工具电极,且每一个工序皆采用一个以上的工具电极。
所述数控电解加工采用两个以上的工具阴极对台阶形预孔进行再加工以基本达到流道形状和尺寸,一般为后续电火花精密加工留0.5mm~0.7mm的余量,所述工具阴极分别从流道出口和从流道进口逐渐切入,即分别从叶轮内型面和叶轮外缘逐渐切入,直到两面切入加工的三元流道连通后才完成整个流道的再加工;而对于那些弯扭特别利害的三元流道,不仅需要从两面切入加工,而且还需要采用多个工具电极以进行不同的数控运动,加工出多个流道的组合,才能得到符合设计要求的整个三元流道,或者说才能得到符合设计要求的叶片盆、背型面、以及轮盘、轮盖旋转型面。
所述数控电火花加工采用两个以上的工具电极进行三元流道的加工,以分别从流道出口和从流道进口逐渐切入,直到两面切入加工的三元流道连通,并达到流道形状、尺寸和精度要求后才完成整个流道的加工。
所述数控电火花加工的工具电极通过以下方式建立三维模型:以叶轮中轴、底面、定位销孔建立三维坐标系xyz,对三元流道进行合理的区域划分,确定电极的数量和各自加工区域,采用等间隙法,假设电火花加工平均间隙为δ,对各区域三维模型进行网格划分,得到型面上的数值点集Pi,Pi的法矢为npi,则可得到对应的点集Pni=Pi-δnpi,如果已知Pi坐标为xi,yi,zi,npi={api,bpi,cpi},则Pni的坐标值可表达如下式:
以型值点坐标集Pni在数字化建模软件平台上实现该数控电火花加工成型工具电极的三维造型。
所述数控电火花半精加工的平均间隙取值0.10mm-0.25mm;精加工取0.01mm-0.05mm,对于精度高、表面粗糙度低的加工,所取的加工间隙应该相应地较小。
所述数控电解加工的工具阴极通过以下方式建立三维模型:以叶轮中轴、底面、定位销孔建立三维坐标系xyz,用层切法采集叶盆、叶背型面数值点,即在z向上取其型腔的若干个截面zi(i=1,2,……,N,为满足精度要求,N>50),采用有限元方法将下述方程式(1)~(5)离散化为线性方程组,求解即可得到加工间隙中等位面函数φa(x,y)的递推式,从而得到一族阴极边界型值点;然后根据各层zi值得到阴极轮廓空间型值点坐标集P:{xi,yi,zi},在数字化建模软件平台上实现工具阴极的三维造型;
φ=0 在阴极边界 (2)
φ=U 在阳极边界 (3)
式中,φ为电势,U为施加在工件阳极上的电压;υ为阴极进给速度;η为电流效率;
ω为体积电化学当量;k为电解液电导率;θ为工件阳极法向与阴极进给方向的夹角。
所述工具阴极以及工具电极的加工运动轨迹皆满足:
式中,S:{xi,yi,zi,Ri}为理论型腔外廓点域;Δ:{xi,yi,zi,Ri}为预留精加工余量点域;G:{xi,yi,zi,Ri}为工具阴极或工具电极的外廓点域;I:{xi,yi,zi,Ri}为加工间隙的外廓点域;Tf为工具阴极或工具电极运动到第f步时的运动变换。根据满足式(7)要求和使工具阴极或工具电极运动包络面区域最小的原则,对运动轨迹进行修正,并确定出每一步机床各轴的运动量Δxi,Δyi,Δzi,从而编制数控程序。
另外,如图2和图3所示,本发明所述的用于实施上述加工方法的数控电解夹具,包括底板16、垂直于底板16且与底板16中心孔配合的中心定位轴17,还包括平行于底板16设置的第一阴极连杆1及与其输出端连接的第一阴极5、垂直于底板16设置的第二阴极连杆11及与其输出端连接的第二阴极8以及连接于中心定位轴17上的分度盘6,所述分度盘6上同轴设置一待加工三元流闭式叶轮7,且待加工三元流闭式叶轮7与分度盘6之间还连接定位销12,同时沿分度盘6的径向设置有分度销15,所述分度销15定位设置在固定连接于底板16上的分度销定位块14中,而该待加工三元流闭式叶轮7上端同轴连接导电块10,另外,还设置一将导电块10、待加工三元流闭式叶轮以及分度盘6紧压在底板16上的压紧装置,该压紧装置包括将导电块10压紧在待加工三元流闭式叶轮7上、并穿过中心定位轴17的压紧螺钉9以及通过螺栓将待加工三元流闭式叶轮7、分度盘6紧压在底板16上的压板13,所述压紧螺钉9将导电块10压紧在待加工三元流闭式叶轮7上端面从而导通电解加工电流,所述底板16上还固定连接有背压腔,该背压腔包括固定连接在底板16上的背压腔底座3和与该背压腔底座连接的背压腔上盖4,所述第一阴极5和第一阴极连杆1的连接端位于背压腔内,所述背压腔的一敞口端与第一阴极连杆1配合连接,且该敞口端设置密封圈2,而另一敞口端面则与三元流闭式叶轮7的外缘面配合连接,且第一阴极5与从叶轮外缘面切入加工的流道型腔对应而所述第二阴极8与从叶轮内型面切入加工的流道型腔对应。
如图4和图5所示,本发明所述的用于实施上述加工方法的数控电火花夹具,包括底座8’以及与底座8’垂直连接的支架9’,所述支架9’上横向设置主定位轴10’,主定位轴10’上依次顺序同轴定位连接分度盘3’、待加工三元流闭式叶轮4’和导电压块7’,所述导电压块7’外侧还设置一将导电压块7’向待加工三元流闭式叶轮4’压紧的固紧装置,所述固紧装置为一螺钉6’,且分度盘3’和待加工三元流闭式叶轮4’之间连接定位销5’,所述分度盘3’的外周依据闭式叶轮叶间通道的角向分度要求沿径向设计制造有可插入分度销1’的分度槽,所述分度销1’定位设置在固定连接于支架9’上的分度销定位块2’中,使用时,将设置在固定于支架9’上的分度销定位块2’中的分度销1’插入分度盘3’外周上的分度槽以进行逐个叶间通道的加工,所述工具电极12’定位安装在电极座11’上,所述电极座11’定位安装于数控电火花加工机床主轴的电极夹头。
Claims (4)
1.一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法,其特征在于,包括以下加工步骤:
(1)锻造毛坯;
(2)粗车叶轮中心定位孔以及内、外型面;
(3)数控车加工叶轮中心定位孔及内外型面、上下端面;
(4)以叶轮中心孔中心定位并进行分度,依照叶轮需要加工的三元流道角向位置要求,逐个钻削直径逐段增大的台阶形预孔;
(5)对第(4)步骤所得的台阶形预孔再进行数控电解加工,且所述的数控电解加工运用一个以上的工具阴极,在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流道的预加工;
(6)采用数控电火花加工已完成第(5)步骤预加工的三元流道,且所述数控电火花加工采用一个以上的工具电极,在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流闭式叶轮的叶间通道,同时达到相应的设计精度要求。
2.根据权利要求1所述加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法,其特征在于,所述数控电解加工采用两个以上的工具阴极对台阶形预孔进行预加工,其分别从流道出口和从流道进口逐渐切入,直到切入加工的三元流道连通后才完成整个流道的预加工。
3.根据权利要求1所述加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法,其特征在于,所述数控电火花加工采用两个以上的工具电极进行三元流道的加工,以分别从流道出口和从流道进口逐渐切入,直到切入加工的三元流道连通并达到流道形状、尺寸和精度要求后才完成整个流道的加工。
4.一种用于实施权利要求1所述的加工三元流闭式叶轮叶间通道方法的电解加工夹具,包括底板、垂直于底板且与底板中心孔配合的中心定位轴,其特征在于,还包括平行于底板设置的第一阴极连杆及与其输出端连接的第一阴极、垂直于底板设置的第二阴极连杆及与其输出端连接的第二阴极以及连接于中心定位轴上的分度盘,所述分度盘上同轴设置一待加工三元流闭式叶轮,且待加工三元流闭式叶轮与分度盘之间还连接定位销,同时沿分度盘径向设置有分度销,所述分度销定位设置在固定连接于底板上的分度销定位块中,而该待加工三元流闭式叶轮上则同轴连接导电块,另外,还设置一将导电块、待加工三元流叶轮以及分度盘压紧在底板上的压紧装置,所述底板上还固定连接有背压腔,所述第一阴极和第一阴极连杆的连接端位于背压腔内,所述背压腔的一敞口端与第一阴极连杆配合连接,而另一敞口端面则与三元流叶轮的外缘面配合连接,且第一阴极与从叶轮外缘面切入加工的流道型腔对应而所述第二阴极与从叶轮内型面切入加工的流道型腔对应。
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