CN103212760B - 一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法及装置，该方法运用了数控电火花技术，首先设计流道入口加工区域和出口加工区域的近成形电极，用数量等于叶轮叶间流道个数的一组入口加工区域电极和一组出口加工区域电极分别从流道的入口和出口切入完成所有流道的粗加工；运用数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工，对有特殊表面要求的流道可采用磨料流等其他光整加工工艺达到相应的表面质量要求；加工装置包括基准座，基准元件，电极座，电极与底座。比较现有等截面叶型带冠整体叶轮的加工方法，具有高效率、高精度的技术经济特点。

Description

一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法

技术领域

本发明属于带冠整体叶轮叶间流道的加工技术领域，尤其涉及一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法及装置。

背景技术

带冠整体叶轮是指在叶轮的外围增加了一环状冠，即将所有叶尖连在同一冠上构成整体叶轮，是为了更好地满足现代航空航天事业的发展对发动机不断提出的高性能要求而出现的一种新型叶轮结构，具有传动效率高、零件数目少、重量轻、结构紧凑、结构强度大等突出优点，能够更好地满足增加发动机寿命，提高发动机工作效率、推重比和安全可靠性的要求，代表了未来发动机叶轮结构设计的发展方向。在新型火箭发动机中，采用带冠整体叶轮还可以大大减少传统叶轮结构部件中叶间与叶轮外环之间的逸流损失，叶轮效率可由传统结构的50%提高到70%。

目前，普通整体叶轮常见的制造方法主要有精密模锻、熔模铸造、数控铣削、电解加工和电火花加工，其中，

精密模锻：精密模锻单个叶片可以相当接近最终形状，且由于锻造强化，叶片性能和寿命均有所提高。但模锻工艺只能制得粗略成形的叶轮，而整体叶轮的几何复杂性是固有的，尤其是带冠整体叶轮的冠部和叶片型面的形状及位置精度要求很高，使得锻造很难成为最终加工工艺。

熔模铸造：熔模铸造普通整体叶轮时，叶片型面一般不需再加工；采用定向结晶等先进技术措施后，还可以提高铸件的塑性、强度、热稳定性和抗疲劳性能，适合大批量生产。但是由于带冠整体叶轮的零件几何形状很复杂，轮轴和轮盘多是一体化结构，长度较长，蜡模的刚度势必受到影响，铸件强度也往往难以达到叶轮的设计要求。

数控铣削：可以通过数控高速铣削与功能强大的运动轨迹控制功能的结合加工出一般叶片的精确轮廓和光滑表面，并获得较高的材料去除率。但是由于带冠整体叶轮的叶片很薄且型面复杂，材料的高硬度和受刀具加工可达性的限制，使数控铣削对带冠整体叶轮的加工变得更加困难。

电解加工：电解加工的优点主要是不受金属材料硬度和强度的限制，生产效率高，阴极在理论上不会损耗，可以长期反复使用。但是，由于电解加工难以保持较高的加工精度和加工稳定性。对于带冠整体叶轮这种形状复杂、精度要求又很高的几何体来讲，电解工艺目前还很难实现最终的精加工。

电火花成形加工。电火花成形加工由于靠放电去除材料，材料的可加工性与其力学性能无关，因而适合于加工多种难切削材料；加工时由于电极与工件不接触，故没有机械切削力，适宜加工低刚度工件及特殊复杂形状的零件。因为这些独特的优点，电火花成形加工成为目前国外加工带冠整体叶轮叶片型面的主要工艺技术。

目前，世界各国采用电火花加工作为带冠整体叶轮叶片型面加工的主选工艺，如美国采用精密电火花加工工艺，俄罗斯采用机械仿型电火花与电解加工抛光的组合工艺。

我国采用的数控电火花技术针对等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道进行加工时，通常一次只加工一个流道，对于多叶片的等截面叶型带冠整体叶轮加工耗费的时间较长，效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法及装置，实现对等截面叶型带冠整体叶轮的高效、高精度加工。

一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法，包括以下加工步骤：

1）首先结合电极运动轨迹和流道各型面的弯扭变化，将叶间流道划分为入口区域和出口区域，并分别设计制造入口加工区域和出口加工区域的近成形电极，

2）用数量等于叶轮流道个数的一组入口加工区域近成形电极同时对所有叶间流道的入口加工区域进行数控电火花加工，再用同样数量出口加工区域近成形电极同时加工出所有流道的出口加工区域，在此过程中先使用能允许的最大电规准，按设计的数控运动轨迹，使电极从初始位置运动至终了位置从而完成流道的粗加工；

3）采用逐次减小的电规准进行补偿量逐次增加的数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工。

作为补充，该方法还包括步骤4），对有特殊表面要求的流道可采用磨料流等其他光整加工工艺达到相应的表面质量要求，从而完成叶间流道的最终加工。

所述一组电极的个数，是在考虑电源容量与总体加工效率的情况下确立的，对于加工一些尺寸小的叶轮，一组电极的个数可以等于叶轮叶间流道的数量，而对于加工一些叶片数量多且尺寸大的叶轮，一组电极的个数可以小于叶轮叶间流道的数量。

所述电极的近成形面，是结合使用的数控补偿运动，将流道待加工表面离散为足够多的网格节点，形成点集P_i，将每一个点按照其内法矢n_pi在叶轮底平面即数控补偿运动平面上的投影方向m_pi偏置δ₁，得到对应点集Q_i，再将点集Q_i中每个点按对应法矢n_pi等间隙法向偏置δ₂，得到对应点集R_i

设P_i=（x_i，y_i，z_i）m_pi=（a_pi，b_pi，c_pi）n_pi=（d_pi，e_pi，f_pi）

Q_i=（u_i，v_i，w_i）=(x_i-δ₁a_pi,y_i-δ₁b_pi,z_i-δ₁c_pi)

R_i=(u_i-δ₂d_pi,v_i-δ₂e_pi,w_i-δ₂f_pi)

由点集R_i可在CAD软件平台上得到电极的最终近成形面。

所述点集P_i两次不同方向的偏置δ₁与δ₂，其中偏置δ₁为数控补偿运动的最大补偿量，而δ₂为对应最大补偿量的放电间隙。

所述数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工，是指在电极运动至终了位置完成流道粗加工后，采用数控补偿运动，逐次减小电规准的同时不断增加数控补偿量，依次完成流道的半精加工与精加工。设数控补偿量的增量为z_i，此次电规准对应的放电间隙为△_i，上一次电规准对应的再铸层厚度为q_i-1，上一次电规准对应的放电间隙为△_i-1，则z_i=△_i-1+q_i-1-△_i（q_i-1=0.01mm～0.1mm）。

所述数控电火花半精加工平均间隙取值0.10mm～0.25mm；精加工取0.01mm-0.05mm；光整加工表面粗糙度取值Ra0.2μm～Ra0.8μm。

所述步骤2）中的数控运动轨迹，是指在留有相应余量的情况下，电极从流道中无干涉撤出的轨迹的反向路径。

为了实现上述方法，本发明还提供了一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道入口加工区域数控电火花加工装置：包括基准座，基准元件，电极座，电极与底座，其中将一组入口加工区域近成形电极分别对应配合在电极座的每一个环槽中，用螺钉夹紧固定，将电极座用定位销与基准元件连接，基准元件与基准座连接；将毛坯定位在底座上用螺钉夹紧固定。

以及，一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道出口加工区域数控电火花加工装置：包括基准座，基准元件，电极座，电极与底座，将一组出口加工区域近成形电极分别对应配合在电极座的每一个环槽中，用螺钉夹紧固定，将电极座用定位销与基准元件连接，基准元件与基准座连接；将毛坯定位在底座上用螺钉夹紧固定。

所述电极分别对应配合在电极座的每一个环槽中，是指在电极座上开有叶轮流道数量的环槽，用来定位一组电极，并用螺钉夹紧，从而实现对所有流道的同时加工。

有益效果：

（1）将叶间流道划分为入口和出口加工区域，从而增加了叶间流道的加工可达性，降低了近成形电极的设计制造难度，也简化了电极加工运动轨迹的分析；

（2）一组电极同时完成所有叶间流道某一区域的粗加工，再进行数控补偿运动采用各级电规准完成其半精加工和精加工，提高了加工效率；

（3）电极形面是由流道待加工表面上的型值点集进行两次不同方向的偏置得到，可以提高数控补偿运动的加工精度；每个加工区域用同一个电极完成粗中精加工，避免了频繁更换电极，从而确保了加工精度。

附图说明

图1是数控电火花加工等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道入口的结构示意图，

图2是数控电火花加工等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道出口的结构示意图，

图3为本发明的加工流程图，

图4是利用本发明加工出的产品示意图，

图5是等截面叶型带冠叶轮结构示意图，

图1中的标号名称：基准座1，基准元件2，定位销3，电极座4，螺钉5，电极6，毛坯7，底座8，螺钉9。

图2中的标号名称：基准座10，基准元件11，定位销12，电极座13，螺钉14，电极15，毛坯16，底座17，螺钉18。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的技术方案。

如图5所示等截面叶型带冠叶轮是指叶片在径向（图上该剖视叶片的径向对应为Z轴方向）上截面的形状一致为等截面。

如图3所示，一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道数控电火花加工方法，包括以下加工步骤：首先分别设计流道入口加工区域和出口加工区域的近成形电极，先用19个入口加工区域近成形电极同时对所有叶间流道的入口加工区域进行数控电火花加工，再用同样数量出口加工区域近成形电极同时加工出所有流道的出口加工区域，在此过程中先使用能允许的最大电规准，按设计的数控运动轨迹，使电极从初始位置运动至终了位置从而完成流道的粗加工，再采用逐次减小的电规准进行补偿量逐次增加的数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工。对有特殊表面要求的流道可采用磨料流等其他光整加工工艺达到相应的表面质量要求，从而完成叶间流道的最终加工。

所述一组电极的个数，是在考虑电源容量与总体加工效率的情况下确立的，对于加工一些尺寸小的叶轮，一组电极的个数可以等于叶轮叶间流道的数量，而对于加工一些叶片数量多且尺寸大的叶轮，一组电极的个数可以小于叶轮叶间流道的数量。

所述两种不同近成形电极，是结合电极运动轨迹和流道各型面的弯扭变化，将叶间流道划分为入口区域和出口区域，由此设计得到两种不同电极，分别从流道入口与出口切入可完成整个流道的加工；且所述电极的近成形面，是结合使用的数控补偿运动，将流道待加工表面离散为足够多的网格节点，形成点集P_i，将每一个点按照其内法矢n_pi在叶轮底平面即数控补偿运动平面上的投影方向m_pi偏置δ₁，得到对应点集Q_i，再将点集Q_i中每个点按对应法矢n_pi等间隙法向偏置δ₂，得到对应点集R_i

设P_i=（x_i，y_i，z_i）m_pi=（a_pi，b_pi，c_pi）n_pi=（d_pi，e_pi，f_pi）

Q_i=（u_i，v_i，w_i）=(x_i-δ₁a_pi,y_i-δ₁b_pi,z_i-δ₁c_pi)

R_i=(u_i-δ₂d_pi,v_i-δ₂e_pi,w_i-δ₂f_pi)

由点集R_i可在CAD软件平台上得到电极的最终近成形面。

所述点集P_i两次不同方向的偏置δ₁与δ₂，其中偏置δ₁为数控补偿运动的最大补偿量，而δ₂为电极作最大补偿量进行加工时的放电间隙。

所述两种不同电极，是采用慢走丝线切割技术同时加工多个同种电极，依次加工出所有电极。所述慢走丝线切割加工多个同种电极，是在夹具板上安装多个同种电极毛坯，在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成多块电极的同时加工。

所述数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工，是指在电极运动至终了位置完成流道粗加工后，采用数控补偿运动，逐次减小电规准的同时不断增加数控补偿量，依次完成流道的半精加工与精加工。设数控补偿量的增量为z_i，此次电规准对应的放电间隙为△_i，上一次电规准对应的再铸层厚度为q_i-1，上一次电规准对应的放电间隙为△_i-1，则z_i=△_i-1+q_i-1-△_i（q_i-1=0.01mm～0.1mm）。

所述数控电火花半精加工平均间隙取值0.10mm～0.25mm；精加工取0.01mm～0.05mm；光整加工表面粗糙度取值Ra0.2μm～Ra0.8μm。

所述加工轨迹，是导入工具电极及叶轮流道到CAD平台的静态装配环节，在无干涉与过切的前提下将电极从终了位置移出，此轨迹的反向路径即为电极加工轨迹。

如图1所示，所述的一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道入口加工区域数控电火花加工装置：包括第一基准座1，第一基准元件2，第一电极座4，第一近成形电极6与第一底座8，其中将19个入口加工区域的第一近成形电极6分别对应配合在第一电极座4的每一个环槽中，用螺钉5夹紧固定，将第一电极座4用定位销3与第一基准元件2连接，第一基准元件2与第一基准座1连接；将毛坯7定位在第一底座8上用螺钉9夹紧固定。

如图2所示，所述的一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道出口加工区域数控电火花加工装置：包括第二基准座10，第二基准元件11，第二近成形电极座13，第二电极15与第二底座17)，将19个出口加工区域第二近成形电极15分别对应配合在第二电极座13的每一个环槽中，用螺钉14)夹紧固定，将第二电极座13用定位销12)与第二基准元件11连接，第二基准元件11与第二基准座10连接；将毛坯16定位在第二底座17上用螺钉18夹紧固定。

所述基准元件和基准座，是用于将电极座夹紧于机床的零位线上。

所述电极分别对应配合在电极座的每一个环槽中，是指在电极座上开有19个环槽，用来定位19个电极，并用螺钉夹紧，从而实现对所有叶间流道的同时加工。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法，其特征在于，包括以下加工步骤：

1）首先结合电极运动轨迹和流道各型面的弯扭变化，将叶间流道划分为入口区域和出口区域，并分别设计制造入口加工区域和出口加工区域的近成形电极；所述近成形电极的近成形面，是结合使用的数控补偿运动，将流道待加工表面离散为足够多的网格节点，形成点集P _i ，将每一个点按照其内法矢n _pi 在叶轮底平面即数控补偿运动平面上的投影方向m _pi 偏置 ₁，得到对应点集Q _i ，再将点集Q _i 中每个点按对应法矢n _pi 等间隙法向偏置 ₂，得到对应点集R _i ；

设P _i =（x _i ，y _i ，z _i ）m _pi =（a _pi ，b _pi ，c _pi ）n _pi =（d _pi ，e _pi ，f _pi ）

Q _i =（u _i ，v _i ，w _i ）=

R _i =

由点集R _i 可在CAD软件平台上得到电极的最终近成形面；

2）用数量等于叶轮流道个数的一组入口加工区域近成形电极同时对所有叶间流道的入口加工区域进行数控电火花加工，再用同样数量出口加工区域近成形电极同时加工出所有流道的出口加工区域，在此过程中先使用能允许的最大电规准，按设计的数控运动轨迹，使电极从初始位置运动至终了位置从而完成流道的粗加工；

3）采用逐次减小的电规准进行补偿量逐次增加的数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工。

2.根据权利要求1所述的等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法，其特征在于，它还包括步骤4），对有特殊表面要求的流道可采用磨料流等其他光整加工工艺达到相应的表面质量要求，从而完成叶间流道的最终加工。

3.根据权利要求1或2所述的等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法，其特征在于，步骤3）所述数控补偿运动依次完成所有流道的半精加工和精加工的具体过程为：在完成流道粗加工后，采用数控补偿运动，逐次减小电规准的同时不断增加数控补偿量，依次完成流道的半精加工与精加工；其中设数控补偿量的增量为，此次电规准对应的放电间隙为，上一次电规准对应的再铸层厚度为，上一次电规准对应的放电间隙为，则=+-，其中=0.01mm~0.1mm。

4.根据权利要求1或2所述的等截面叶型带冠整体叶轮叶间流道加工方法，其特征在于，步骤2）中所述数控运动轨迹，是指在留有相应余量的情况下，电极从流道中无干涉撤出的轨迹的反向路径。