CN112620844A - 一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，属于特种加工技术领域。解决了带叶冠的闭式整体叶盘在常规电火花加工工艺中效率低下、设备占用时间长以及该类结构电弧加工电极设计难度大的问题。它包括电极基座和电极头，所述电极基座与电极头为一体化结构，所述电极头数量为多个，多个电极头沿电极基座长度方向布置，每个电极头内部均开设有冲液孔，所述电极基座上部开设有第一供液孔，所述第一供液孔通过电极基座内部开设的供液通道与冲液孔相连，所述电极头插入闭式整体叶盘的通道内，所述加工电极与放电加工机床相连，通过电极头产生电弧脉冲放电对闭式整体叶盘通道进行粗加工。它主要用于闭式整体叶盘的粗加工。

Description

一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，特别是涉及一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极。

背景技术

整体叶盘常见于高性能航空、航天发动机及其涡轮泵内，将涡轮叶片、轮盘合为一体，减少了连接榫头、榫槽结构。该类叶盘不仅在结构上更加紧凑从而减轻重量，还能够消除叶片根部榫接缝隙的气体逸流，同时避免榫接处的磨损与失效，非常利于提升发动机整体效率与可靠性。

根据是否包含叶冠结构，整体叶盘又可细分为闭式整体叶盘与开式整体叶盘两类。在整体叶盘的叶片顶部增设叶冠，能够进一步消除涡轮叶尖间隙造成的泄露流损失，同时提高叶盘零件结构刚性。但是，此类叶盘的通道由相邻叶片表面、叶盘轮毂和叶冠表面围成，在加工阶段为刀具或电极的伸入与进给运动带来了诸多限制。闭式整体叶盘通常难以采用数控铣削加工方法，需要通过电解加工或电火花加工方法进行制造。

电解加工和电火花加工都可用于闭式整体叶盘制造。相比之下，这两种加工方式存在各自的优势与不足。电解加工利用阳极氧化溶解原理，可以实现加工工具阴极的无损耗加工，即阴极设计定形后，工具阴极能够提供相对更长的工作寿命。但是，电解加工过程会受到阳极与阴极形成的间隙流场和电场的综合作用，工具阴极的设计往往需要结合仿真计算与实验测试进行迭代优化。考虑到电解设备的能耗与工作液消耗、处理回收等因素，电解加工的成本较为高昂。电火花加工方法则相对灵活，利用电极与工件间的不断重复放电熔蚀过程去除材料，将电极的几何轮廓逐步复制到工件表面。通过调节放电脉冲能量，可以实现表面精加工。电火花加工与电解加工的共同问题在于加工效率较低，通常一件完整的叶盘加工耗时长达数十至上百小时。设法提升加工效率，对整体闭式叶盘的生产应用具有非常重要的意义。

在兆帕级别的强力冲液条件下，通过增加电火花放电脉冲宽度、提高放电电流幅值，可以显著提高电火花加工的材料去除效率。此时放电脉冲宽度可达数个毫秒，因此该方法也被成为脉冲电弧加工或短电弧加工方法，亦可统称为高效放电加工方法。这种方法利用强力冲液提供的高速流体冲刷，能够避免极间的高能量放电通道在同一位置的长时间驻留，因此能够保护工件免受烧蚀风险。在加工结构去除余量允许的前提下，采用高效放电加工方法能够显著提高钛合金、高温合金等难切削材料的加工效率，对该类材料制作的叶盘零件而言具有良好的应用潜力。

根据检索可知，现有技术中一种提高带叶冠涡轮盘电火花加工效率的组合电极加工方法(CN103990875A)，该方法在带叶冠涡轮盘单通道电火花加工的电极实体基础上增加连接块，将3～4个单通道电极实体组合形成多通道并行加工的组合电极，用于涡轮盘粗加工工艺。使用这种组合电极可以增加粗加工过程的放电面积，从而适应相对更高的放电峰值电流，使加工过程的整体效率提升约30％。根据该专利内容与实施例的具体描述，最大放电电流均低于80A，可知该方法仍然属于电火花加工范畴。此外，该电极的结构设计直接采用涡轮盘电火花加工电极实体组合而成，其电极实体的设计方法继承自涡轮盘电火花加工电极，并不适合用于具有大能量放电、强冲液辅助的高速电弧成形加工模式。

一种用于高速放电加工的叠片式内冲液成型电极(CN102773572A)，其主要特点是使用多个电极叠片叠加形成具有内部冲液孔、外部具有复杂几何轮廓的整体成形电极。该方案主要用于克服电弧放电加工中使用中空圆管、圆盘等简单电极或由这些简单电极组合而成的集束电极时难以提高轮廓成形精度的问题。技术特点在于将原本难以制作的中空成形电极拆分为一系列电极叠片，将复杂的三维几何轮廓转化为一系列相对简单的二维几何，最终为短电弧放电加工提供强冲液，同时为复杂型腔的单轴沉入式加工提供较高的成形轮廓精度。

基于电弧放电和铣削组合的叶盘类零件加工系统与方法(CN109746534A)，该方法在同一台机床中，首先使用中空圆管电极，以类似与数控铣削的方式进行电弧放电铣削，完成叶盘毛坯的高效粗加工。然后更换刀具，通过铣削加工完成叶盘的表面精加工。根据该专利的内容描述与给出的实施案例，该方法主要面向不含叶冠的开式整体叶盘加工，通过多轴数控轨迹完成开式叶盘的轮廓加工，对带有叶冠的闭式整体叶盘而言并不适用。

上述技术方案分别从不同的工艺问题角度出发，对涡轮盘加工的电极设计以及电弧加工方法应用于叶盘加工提供了一些思路。然而这些方案还存在缺乏对闭式整体叶盘结构特点和电弧加工电极设计方法的充分考虑，仍然存在工艺性能和实用性问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，所述加工电极包括电极基座和电极头，所述电极基座与电极头为一体化结构，所述电极头数量为多个，多个电极头沿电极基座长度方向布置在电极基座同侧为一组，每个电极头内部均开设有冲液孔，所述电极基座上部开设有第一供液孔，所述第一供液孔通过电极基座内部开设的供液通道与冲液孔相连，所述加工电极由导电材料制成，所述电极头插入闭式整体叶盘的通道内，所述加工电极与放电加工机床相连，通过电极头产生电弧脉冲放电对闭式整体叶盘通道进行粗加工。

更进一步的，所述电极头的形状通过闭式整体叶盘的通道入口侧和出口侧截面轮廓沿通道深度方向的拉伸或扫描实体与通道实体的布尔交集得到。

更进一步的，所述电极头使用脉冲宽度200us～10ms，峰值电流100～2000A的长脉宽电弧脉冲放电。

更进一步的，所述电极基座上开设有固定螺栓孔，所述固定螺栓孔用于固定上电电缆。

更进一步的，设置一组或两组所述电极头，两组电极头沿电极基座宽度方向对称布置，所述第一供液孔数量与电极头组数相同，且与电极头的冲液孔相连。

更进一步的，所述电极基座上部为平面结构，下部为圆弧形结构，所述电极头的数量为3-5个。

更进一步的，所述电极基座为圆环形结构，所述电极头的数量与待加工闭式整体叶盘的通道数量相同。

更进一步的，所述第一供液孔中通入液体工作介质，所述液体工作介质为水、烃油、水溶性多元醇、醚、酯类成分中的一种或多种混溶形成的混合工作液。

更进一步的，所述加工电极通过电极夹具与放电加工机床相连。

更进一步的，所述电极夹具包括夹具臂、弯头和立装臂，所述夹具臂和立装臂均与电极基座上表面固定相连，所述弯头与夹具臂和立装臂固定相连，所述弯头上开设有第二供液孔，所述第二供液孔的数量与第一供液孔的数量相同，所述第二供液孔与放电加工机床中的液管接头相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了带叶冠的闭式整体叶盘在常规电火花加工工艺中效率低下、设备占用时间长以及该类结构电弧加工电极设计难度大的问题，可用于带叶冠的闭式整体叶盘多通道并行电弧粗加工。

本发明为带叶冠的闭式整体叶盘高效率电弧粗加工提供了可能。加工电极吸收了带叶冠的闭式整体叶盘电火花多通道加工电极的技术优势，与单通道加工的电极相比，增加了加工中工件与电极间形成的放电面积，可以提升加工中放电脉冲利用效率。同时，配合内部冲液孔提供大流量冲液，使峰值电流达数百至上千安培的多通道电弧成形加工成为可能，大大提升了带叶冠的闭式整体叶盘粗加工去余量过程的工艺效率。此外，本发明在电极基座部分提供了安装、找正的基准面，可以将电极通道的入口、出口段成形电极组合在同一加工电极实体中，在加工过程中仅需一次装夹、定位，即可完成多组叶片通道的完整粗加工工序，显著减少了加工中安装、定位等准备操作占用的工时比例，同时减轻了操作者的工作负担，有利于提高实际生产中加工设备的有效利用率。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极结构示意图；

图2为本发明所述的加工电极与电极夹具连接示意图；

图3为本发明所述的闭式整体叶盘结构示意图；

图4为采用本发明所述电极加工闭式整体叶盘的相对位置示意图；

图5为本发明所述的供液结构示意图；

图6为本发明所述的分体式加工电极结构示意图；

图7为本发明所述的通过加工电极对闭式轴流叶盘进行加工的示意图。

1-电极基座，2-电极头，3-第一供液孔，4-冲液孔，5-固定螺栓孔，6-夹具臂，7-弯头，8-立装臂，9-叶冠，10-叶片，11-轮毂，12-第二供液孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1-7说明本实施方式，一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，所述加工电极包括电极基座1和电极头2，所述电极基座1与电极头2为一体化结构，所述电极头2数量为多个，多个电极头2沿电极基座1长度方向布置在电极基座1同侧为一组，每个电极头2内部均开设有冲液孔4，所述电极基座1上部开设有第一供液孔3，所述第一供液孔3通过电极基座1内部开设的供液通道与冲液孔4相连，所述加工电极由导电材料制成，所述电极头2在加工状态下插入闭式整体叶盘的通道内，所述加工电极与放电加工机床相连，通过电极头2产生电弧脉冲放电对闭式整体叶盘通道进行粗加工。

本实施例闭式整体叶盘包括叶冠9、叶片10和轮毂11，多个叶片10等间距的布置在叶冠9和轮毂11之间，叶片10之间形成的通道结构包括入口区域、通道后部区域和出口区域，采用电弧成形加工带叶冠的闭式整体叶盘叶片通道结构。闭式整体叶盘可以是带有叶冠结构的轴流式压气盘、轴流式导向叶环、轴流式涡轮叶盘等，对于带叶冠的径流式叶盘零件结构，本实施例可用于入口段粗加工使用的多通道并行加工。

电极基座1上开设有固定螺栓孔5，固定螺栓孔5用于固定上电电缆，多个电极头2沿电极基座1长度方向布置在电极基座1同侧为一组，设置一组或两组电极头2，两组电极头2沿电极基座1宽度方向对称布置，第一供液孔3数量与电极头2组数相同，且与电极头2的冲液孔4相连。如图6所示，为便于加工，加工电极可拆分为若干部分，在使用时再拼接、紧固合为一个整体。使用该电极进行闭式整体叶盘多通道并行粗加工时，将完整的叶盘通道分为入口侧、出口侧分别进行加工，去除通道内的主要材料。

加工电极中，电极头2的几何轮廓依据待加工的闭式叶盘通道实体进行设计，优选的，电极头2的形状通过闭式整体叶盘的通道入口侧和出口侧截面轮廓沿通道深度方向的拉伸或扫描实体与通道实体的布尔交集得到。电极头2进行电弧成形加工使用脉冲宽度200us～10ms，峰值电流100～2000A的长脉宽电弧脉冲放电。第一供液孔3中通入液体工作介质，液体工作介质为水、烃油、水溶性多元醇、醚、酯类成分中的一种或多种混溶形成的混合工作液，在加工电极不自转的条件下进行成形加工。

根据实际情况可将电极基座1上部设计为平面结构，下部为圆弧形结构，电极头2的数量为3-5个，经过多次的回转运动完成叶盘的单侧粗加工。也可将电极基座1设计为圆环形结构，电极头2的数量与待加工闭式整体叶盘的通道数量相同，一次进给即可完成叶盘的单侧粗加工。加工电极在实际叶盘结构、尺寸存在特殊限制时，例如整体闭式双级叶盘的两级盘体间距较小，无法容纳入口侧、出口侧两组电极头在同一实体上共存时，也可分别设计两件单侧多通道加工电极。

加工电极通过电极夹具与放电加工机床相连，更进一步的，电极夹具包括夹具臂6、弯头7和立装臂8，夹具臂6和立装臂8均与电极基座1上表面固定相连，弯头7与夹具臂6和立装臂8固定相连，弯头7上开设有第二供液孔12，第二供液孔12的数量与第一供液孔3的数量相同，第二供液孔12与放电加工机床中的液管接头相连。通过加工电极与专用电极夹具的配合使用保证安装牢固和装夹便利。

如图3所示，为一款带有叶冠结构的闭式整体轴流涡轮叶盘，周向分布25个叶片10，叶片10通道进出口截面轮廓面心相对于叶盘轴心存在约4度夹角，通道去除余量较大。采用现有技术方法一般需要使用钻削、电火花穿孔加工等方式首先在通道实体内部预制通孔，改善电火花加工的放电间隙循环条件，然后再通过电火花成形加工进行通道精加工完成叶片10成形。但由于材质为高温合金，且预制孔轴线与盘体端面呈一定夹角，预制通孔操作难度较高，过程耗时较长，整体加工效率受到限制。

本实施例通过以下步骤对带有叶冠结构的闭式整体轴流涡轮盘进行粗加工：

步骤一：根据带有叶冠结构的闭式整体轴流涡轮叶盘结构，以叶盘厚度方向将通道几何划分为入口侧、出口侧两组，设计多通道成形加工电极几何。依据该案例情况，每组多通道并行加工电极的电极头数量选择为5个，实际加工中通过5次回转运动即可完成全部25个通道的粗加工任务。

步骤二：根据加工电极几何与加工叶盘的结构、位置，设计电极夹具，确定加工电极内部供液通道、第一供液孔3和加工电缆的固定位置，得到如图4所示的多通道并行加工电极方案。

步骤三：在加工电极实体内部分别为两组电极头2设计一进多出内部冲液孔4。本案例电极含有左、右两组成形电极头2，因此设计两组相互独立的内部冲液孔4，得到图5所示方案。

步骤四：依据内部冲液孔4和加工电极外形，设计拆分面将前面设计的加工电极拆分为上下两部分，在拆分得到的电极实体中设计用于拼接紧固的螺栓孔系，得到图6所示结果。

步骤五：安装在具有脉冲电弧加工功能的高效放电加工机床中，接入高压工作液管，在500-800A模式下，对叶盘毛坯进行粗加工，图6所示为实际加工中加工电极的安装示意。

以上对本发明所提供的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述加工电极包括电极基座(1)和电极头(2)，所述电极基座(1)与电极头(2)为一体化结构，所述电极头(2)数量为多个，多个电极头(2)沿电极基座(1)长度方向布置在电极基座(1)同侧为一组，每个电极头(2)内部均开设有冲液孔(4)，所述电极基座(1)上部开设有第一供液孔(3)，所述第一供液孔(3)通过电极基座(1)内部开设的供液通道与冲液孔(4)相连，所述加工电极由导电材料制成，所述电极头(2)插入闭式整体叶盘的通道内，所述加工电极与放电加工机床相连，通过电极头(2)产生电弧脉冲放电对闭式整体叶盘通道进行粗加工。

2.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述电极头(2)的形状通过闭式整体叶盘的通道入口侧和出口侧截面轮廓沿通道深度方向的拉伸或扫描实体与通道实体的布尔交集得到。

3.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述电极头(2)使用脉冲宽度200us～10ms，峰值电流100～2000A的长脉宽电弧脉冲放电。

4.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述电极基座(1)上开设有固定螺栓孔(5)，所述固定螺栓孔(5)用于固定上电电缆。

5.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：设置一组或两组所述电极头(2)，两组电极头(2)沿电极基座(1)宽度方向对称布置，所述第一供液孔(3)数量与电极头(2)组数相同，且与电极头(2)的冲液孔(4)相连。

6.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述电极基座(1)上部为平面结构，下部为圆弧形结构，所述电极头(2)的数量为3-5个。

7.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述电极基座(1)为圆环形结构，所述电极头(2)的数量与待加工闭式整体叶盘的通道数量相同。

8.根据权利要求1所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述第一供液孔(3)中通入液体工作介质，所述液体工作介质为水、烃油、水溶性多元醇、醚、酯类成分中的一种或多种混溶形成的混合工作液。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述加工电极通过电极夹具与放电加工机床相连。

10.根据权利要求7所述的一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极，其特征在于：所述电极夹具包括夹具臂(6)、弯头(7)和立装臂(8)，所述夹具臂(6)和立装臂(8)均与电极基座(1)上表面固定相连，所述弯头(7)与夹具臂(6)和立装臂(8)固定相连，所述弯头(7)上开设有第二供液孔(12)，所述第二供液孔(12)的数量与第一供液孔(3)的数量相同，所述第二供液孔(12)与放电加工机床中的液管接头相连。

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