CN109434227B - 一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，包括如下步骤：(1)确定粗加工和半粗加工阶段管状电极尺寸；(2)确定电弧粗加工路径到三维模型边界的粗加工最小距离，得到粗加工产品；(3)确定电弧半粗加工路径到三维模型边界的半粗加工最小距离，得到半粗加工产品；(4)确定电火花半精加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离，得到半精加工产品；(5)构建仿形电极并进行电火花精加工，得到精加工产品。本发明通过对带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法进行设计，实现了涡轮盘叶片表面粗糙度优于Ra3.2μm，涡轮盘叶片叶形精度±0.08mm，涡轮盘叶片整体加工效率提高65％以上。

Description

一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法
技术领域
本发明涉及一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，属于特种加工领域。
背景技术
电火花加工技术无切削力，对材料的强度、硬度无要求，加工精度高，表面质量好，是目前带叶冠整体式涡轮盘工程化生产中最常用的加工技术。但该技术加工效率低下，直接制约着我国国防科技工业新一代运载火箭、新型号武器的研制周期和批量生产。寻求一种带叶冠涡轮盘的高效加工技术是当务之急。
电火花电弧复合铣削加工技术是新近提出的一种难加工材料非接触高效加工技术。该技术是电火花加工和电弧加工的复合加工方法，首先通过脉冲电源击穿放电介质，再利用大功率直流电源来产生电弧放电，由电弧产生瞬时高温、高压来熔化工件材料，通过电源控制、机械回退、流体冲液等方式来切断电弧从而快速去除工件材料，具有加工效率高、损耗低、重熔层薄、绿色环保等优点。电火花电弧复合铣削存在的主要问题是加工精度低、表面加工质量差。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，以提高加工精度及效率。
本发明的技术解决方案：
一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，具体步骤为：
(1)根据带冠涡轮盘三维模型叶片流道尺寸，确定粗加工和半粗加工阶段管状电极尺寸；
(2)确定电弧粗加工路径到三维模型边界的粗加工最小距离，粗加工过程中峰值电流范围为600A-1000A，冲液压力为0.4-0.7MPa，电极旋转速度为1500-3000r/min，得到粗加工产品；
(3)确定电弧半粗加工路径到三维模型边界的半粗加工最小距离，半粗加工过程中峰值电流范围为100A-300A，冲液压力为0.1-0.3MPa，电极旋转速度为500-1000r/min，得到半粗加工产品；
(4)根据三维模型形状，构建仿形电极并进行电火花半精加工，确定电火花半精加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离，半精加工过程中峰值电流范围为10A-60A，击穿电压为150-300V，脉冲宽度为50-200μs，得到半精加工产品；
(5)根据三维模型形状，构建仿形电极并进行电火花精加工，精加工过程中峰值电流范围为0.2A-3A，浸液深度不低于50mm，得到精加工产品。
确定加工路径到三维模型边界的粗加工和半粗加工最小距离的方法为：在带冠涡轮盘相同材料试验件上，通过峰值电流、冲液压力、电极旋转速度不同参数组合进行正交实验，加工相同长度、宽度、深度的槽，记录加工时间和试验件加工前后质量，计算各组参数下加工效率，对获得最大加工效率参数组合形成的槽进行径向剖切，确定影响层厚度，最小距离不小于影响层厚度。
确定加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离的方法为：
在带冠涡轮盘叶片相同材料试验件上，通过峰值电流、击穿电压、脉冲宽度不同参数组合进行正交实验，加工相同尺寸的叶片，记录加工时间和试验件加工前后质量，计算各组参数下加工效率，对获得最大加工效率参数组合形成的叶片进行径向剖切，确定影响层厚度，最小距离不小于影响层厚度。
粗加工路径到三维模型边界的最小距离为0.5-0.8mm。
粗加工过程、半粗加工过程使用管状石墨电极对带冠涡轮盘进行电弧铣削加工，半精加工和精加工过程使用仿形紫铜电极对带冠涡轮盘进行电火花成型加工。
粗加工过程中击穿电压220-300V，脉冲宽度5-10ms，脉冲间隔1-2ms，得到粗加工产品。
半粗加工路径到三维模型边界的最小距离0.2-0.4mm，半粗加工过程中击穿电压100-220V，脉冲宽度1-3ms，脉冲间隔0.5-1ms，得到半粗加工产品。
半精加工路径到三维模型边界的最小距离0.1-0.2mm，半精加工过程中脉冲间隔50-200μs，得到半精加工产品。
精加工过程中击穿电压50-150V，脉冲宽度6-8μs，脉冲间隔6-8μs，得到精加工产品。
精加工过程中，仿形电极每次进给量不大于0.02mm，精加工产品与三维模型深度尺寸差距不大于0.08mm时，测量其表面粗糙度，如不大于Ra3.2则加工结束，如大于Ra3.2，则调低步骤5峰值电流进行加工，直至表面粗糙度不大于Ra3.2为止。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明通过对带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法进行设计，实现了涡轮盘叶片表面粗糙度优于Ra3.2μm，涡轮盘叶片叶形精度±0.08mm，涡轮盘叶片整体加工效率提高65％以上。
附图说明
图1为本发明加工过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)根据带冠涡轮盘三维模型叶片流道尺寸，确定粗加工和半粗加工阶段管状电极尺寸；
(2)确定电弧粗加工路径到三维模型边界的粗加工最小距离，在带冠涡轮盘相同材料试验件上，通过峰值电流、冲液压力、电极旋转速度不同参数组合进行正交实验，加工相同长度、宽度、深度的槽，记录加工时间和试验件加工前后质量，计算各组参数下加工效率，对获得最大加工效率参数组合形成的槽进行径向剖切，确定影响层厚度，最小距离不小于影响层厚度；
粗加工过程中峰值电流范围为600A-1000A，冲液压力为0.4-0.7MPa，电极旋转速度为1500-3000r/min，粗加工过程中击穿电压220-300V，脉冲宽度5-10ms，脉冲间隔1-2ms，得到粗加工产品。
(3)确定电弧半粗加工路径到三维模型边界的半粗加工最小距离，半粗加工路径到三维模型边界的最小距离0.2-0.4mm，半粗加工过程中击穿电压100-220V，脉冲宽度1-3ms，脉冲间隔0.5-1ms，半粗加工过程中峰值电流范围为100A-300A，冲液压力为0.1-0.3MPa，电极旋转速度为500-1000r/min，得到半粗加工产品；
(4)根据三维模型形状，构建仿形电极并进行电火花半精加工，确定电火花半精加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离，在带冠涡轮盘叶片相同材料试验件上，通过峰值电流、击穿电压、脉冲宽度不同参数组合进行正交实验，加工相同尺寸的叶片，记录加工时间和试验件加工前后质量，计算各组参数下加工效率，对获得最大加工效率参数组合形成的叶片进行径向剖切，确定影响层厚度，最小距离不小于影响层厚度；
半精加工路径到三维模型边界的最小距离0.1-0.2mm，半精加工过程中峰值电流范围为10A-60A，击穿电压为150-300V，脉冲宽度为50-200μs，半精加工过程中脉冲间隔50-200μs，得到半精加工产品；
(5)根据三维模型形状，构建仿形电极并进行电火花精加工，精加工过程中峰值电流范围为0.2A-3A，浸液深度不低于50mm，精加工过程中击穿电压50-150V，脉冲宽度6-8μs，脉冲间隔6-8μs，得到精加工产品。
粗加工阶段刀具尺寸为Φ16-Φ20mm，半粗加工阶段刀具尺寸Φ8-Φ12mm。
粗加工路径到三维模型边界的最小距离0.5-0.8mm；粗加工过程、半粗加工过程使用管状石墨电极对带冠涡轮盘进行电弧铣削加工，半精加工和精加工过程使用仿形紫铜电极对带冠涡轮盘进行电火花成型加工。
得到精加工产品。
精加工过程中，仿形电极每次进给量不大于0.02mm，精加工产品与三维模型深度尺寸差距不大于0.08mm时，测量其表面粗糙度，如不大于Ra3.2则加工结束，如大于Ra3.2，则调低步骤(5)峰值电流进行加工，直至表面粗糙度不大于Ra3.2为止。
实施例
(1)根据XX-XX型号航天发动机带冠涡轮盘三维模型叶片流道最窄尺寸为22mm，确定粗加工阶段刀具直径为Φ20mm和半粗加工阶段刀具直径为Φ12mm；
(2)在带冠涡轮盘相同材料试验件上，通过峰值电流、冲液压力、电极旋转速度不同参数组合进行粗加工正交实验，分别加工长度100mm、宽度20mm、深度2mm的槽(粗加工正交试验参数设置及结果如表1所示)，可得最大加工效率参数组合为峰值电流1000A，冲液压力0.7MPa，电极旋转速度2500r/min。该组参数组合的影响层厚度为0.65mm，确定电弧粗加工路径到三维模型边界的粗加工最小距离为0.7mm，使用管状石墨电极在该组参数下进行粗加工，加工中击穿电压选择300V，脉冲宽度选择10ms，脉冲间隔选择1ms，得到粗加工产品；
(3)在带冠涡轮盘相同材料试验件上，通过峰值电流、冲液压力、电极旋转速度不同参数组合进行半粗加工正交实验，分别加工长度100mm、宽度12mm、深度0.1mm的槽(半粗加工正交试验参数设置及结果如表2所示)，可得最大加工效率参数组合为峰值电流300A，冲液压力0.2MPa，电极旋转速度500r/min。该组参数组合的影响层厚度为0.35mm，确定电弧半粗加工路径到三维模型边界的粗加工最小距离为0.4mm，使用管状石墨电极在该组参数下进行半粗加工，加工中击穿电压选择220V，脉冲宽度选择2ms，脉冲间隔选择1ms，得到半粗加工产品；
(4)在带冠涡轮盘相同材料试验件上，使用仿形紫铜电极，通过峰值电流、击穿电压、脉冲宽度不同参数组合进行半精加工正交实验，分别加工该型号带冠涡轮盘的单个叶片(半精加工正交试验参数设置及结果如表3所示)，可得最大加工效率参数组合为峰值电流60A，击穿电压为250V，脉冲宽度50μs。该组参数组合的影响层厚度为0.10mm，确定半精加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离为0.15mm，使用仿形紫铜电极在该组参数下进行半精加工，加工中脉冲间隔选择50μs，得到半精加工产品；
(5)根据三维模型形状，构建仿形电极进行电火花精加工，加工中峰值电流选择1A，浸液深度选择53mm，击穿电压选择120V，脉冲宽度选择8μs，脉冲间隔选择8μs，仿形电极每次进给量0.015mm，精加工产品与三维模型尺寸差距为0.07mm为止，测量其表面粗糙度为Ra2.8，得到精加工产品。
(6)使用传统电火花加工方法加工该型号带冠涡轮盘单个叶片流道，加工时间为10小时，材料去除余量为240g。表4为单个叶片流道两种方法加工结果对比，该复合加工方法的加工效率提高65％。
表1 试验件粗加工正交试验参数设置及结果
Figure BDA0001888422300000061
Figure BDA0001888422300000071
表2 试验件半粗加工正交试验参数设置及结果
Figure BDA0001888422300000072
表3 试验件半精加工正交试验参数设置及结果
Figure BDA0001888422300000073
表4 单个叶片流道两种方法加工结果对比
Figure BDA0001888422300000081
最后应当说明，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而不受上述实施例的限制，其其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)根据带冠涡轮盘三维模型叶片流道尺寸，确定粗加工和半粗加工阶段管状电极尺寸；
(2)确定电弧粗加工路径到三维模型边界的粗加工最小距离，粗加工过程中峰值电流范围为600A-1000A，冲液压力为0.4-0.7MPa，电极旋转速度为1500-3000r/min，得到粗加工产品；
(3)确定电弧半粗加工路径到三维模型边界的半粗加工最小距离，半粗加工过程中峰值电流范围为100A-300A，冲液压力为0.1-0.3MPa，电极旋转速度为500-1000r/min，得到半粗加工产品；
确定步骤(2)、(3)中加工路径到三维模型边界的粗加工和半粗加工最小距离的方法为：在带冠涡轮盘相同材料试验件上，通过峰值电流、冲液压力、电极旋转速度不同参数组合进行正交实验，加工相同长度、宽度、深度的槽，记录加工时间和试验件加工前后质量，计算各组参数下加工效率，对获得最大加工效率参数组合形成的槽进行径向剖切，确定影响层厚度，最小距离不小于影响层厚度；
(4)根据三维模型形状，构建仿形电极并进行电火花半精加工，确定电火花半精加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离，半精加工过程中峰值电流范围为10A-60A，击穿电压为150-300V，脉冲宽度为50-200μs，得到半精加工产品；
(5)根据三维模型形状，构建仿形电极并进行电火花精加工，精加工过程中峰值电流范围为0.2A-3A，浸液深度不低于50mm，得到精加工产品。
2.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，确定加工路径到三维模型边界的半精加工最小距离的方法为：
在带冠涡轮盘叶片相同材料试验件上，通过峰值电流、击穿电压、脉冲宽度不同参数组合进行正交实验，加工相同尺寸的叶片，记录加工时间和试验件加工前后质量，计算各组参数下加工效率，对获得最大加工效率参数组合形成的叶片进行径向剖切，确定影响层厚度，最小距离不小于影响层厚度。
3.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，粗加工路径到三维模型边界的最小距离为0.5-0.8mm。
4.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，粗加工过程、半粗加工过程使用管状石墨电极对带冠涡轮盘进行电弧铣削加工，半精加工和精加工过程使用仿形紫铜电极对带冠涡轮盘进行电火花成型加工。
5.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，粗加工过程中击穿电压220-300V，脉冲宽度5-10ms，脉冲间隔1-2ms，得到粗加工产品。
6.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，半粗加工路径到三维模型边界的最小距离0.2-0.4mm，半粗加工过程中击穿电压100-220V，脉冲宽度1-3ms，脉冲间隔0.5-1ms，得到半粗加工产品。
7.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，半精加工路径到三维模型边界的最小距离0.1-0.2mm，半精加工过程中脉冲间隔50-200μs，得到半精加工产品。
8.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，精加工过程中击穿电压50-150V，脉冲宽度6-8μs，脉冲间隔6-8μs，得到精加工产品。
9.如权利要求1所述的一种带冠涡轮盘的电火花电弧复合铣削加工方法，其特征在于，精加工过程中，仿形电极每次进给量不大于0.02mm，精加工产品与三维模型深度尺寸差距不大于0.08mm时，测量其表面粗糙度，如不大于Ra3.2则加工结束，如大于Ra3.2，则调低步骤5峰值电流进行加工，直至表面粗糙度不大于Ra3.2为止。
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