大栅距等锥形带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计

张 昆，白 淳，吕 琳，马海鹏，沈 岩

（1.首都航天机械公司，北京100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京100076）

大栅距等锥形带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计

张 昆1，白 淳1，吕 琳2，马海鹏1，沈 岩1

（1.首都航天机械公司，北京100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京100076）

以某型号大栅距等锥形带叶冠涡轮盘电火花加工电极设计为例，分析了原电极设计的不足并进行了改进，给出了简化的加工轨迹搜索方法，实现了电极优化设计与加工轨迹快速搜索，大大缩短了电极设计的时间。

大栅距；带叶冠涡轮盘；电火花加工；电极；轨迹搜索

整体式带叶冠涡轮盘加工技术是航空航天发动机的核心制造技术之一。我国新一代运载火箭发动机涡轮泵的喷嘴叶栅环采用了带叶冠结构，目前主要采用多轴联动精密数控电火花加工技术进行叶片加工[1-2]。普通结构的叶栅环进出口等径，电极设计和程序搜索相对简单，而本文讨论的叶栅环不仅电极跨度大，而且进出口各有一个10°的倾角，顶底径呈锥形（图1），这不但增加了电极设计难度，而且电火花加工轨迹搜索相对于普通结构也变得更复杂。

1 电极设计方案

图1 大栅距等锥形喷嘴叶栅环结构示意图

一般，电极设计主要分为减厚（图2）、减高（图3）二种方法。前者对于直纹叶片、弯扭叶片均推荐优先采用，而后者一般用于直纹叶片的电极设计[3]。对于叶片跨距大、叶片通道细而狭长的带叶冠涡轮盘，为了完成整个叶片通道的加工，一般需设计成左、右2个电极[4]。对于进出口等径的喷嘴叶栅环，电极设计单独采用减厚或减高方法均可，而对于图1所示的等锥结构，如果仅采用减厚设计法，则搜索轨迹时左电极会与叶冠发生干涉，右电极会与轮毂发生干涉；如果仅采用减高设计法，为了保证电极前后的搜索空间，需将左电极整体减高，即不但顶径需减小，且底径相应要增大，这样设计的电极就会变得较薄。图4是用减高法、按顶径减小3 mm、底径增大3 mm设计的左电极。图5是对应的CAD/ CAM软件自动搜索的代码结果。

图2 电极设计减厚处理原理图

图3 电极设计减高处理原理图

图4 用减高法设计的左电极

图5 减高法设计左电极的轨迹搜索结果

由上述分析可知，为了在保证电极厚度尽量大的前提下给电极留出足够的运动空间，采用减厚+减高的设计方式较合适。虽然用组合设计方法会使电极的工艺设计及加工轨迹搜索变得复杂[5]，但优点是能保证设计出来的电极厚度最大。

2 电极优化设计与加工轨迹搜索

图6是采用旋转轴旋转1°减厚、同时顶底径减高0.3 mm设计的左电极。可看出，电极厚度明显比图4所示单独用减高法设计的电极大。

图6 用减高+减厚方法设计的左电极

利用涡轮盘CAD/CAM软件进行左电极加工轨迹搜索，直线轴步长默认设置为0.1 mm，旋转轴步长设置为0.1°，搜索结果见图7。可看出，搜索电极加工轨迹时只有X、Z、V轴参与运动。分析图1所示结构可知，实际电极运动时，X、Z轴应存在固定的等比关系，即Z=X·tan10。因此，在CAD/CAM软件中增加了参数方程搜索方式 （图8），3个直线轴可通过设置不同的参数方程来增加限定搜索条件。

图7 减高+减厚方法设计左电极的轨迹搜索结果

图8 参数方程搜索方式设置界面

重新利用涡轮盘CAD/CAM软件进行加工轨迹搜索，直线轴步长默认设置为0.1 mm，旋转轴步长设置为0.1°，搜索方式选择参数方程法，参数设置见图8，搜索成功后的代码见图9。

Electrode Optimal Design for EDM Large Lattice Spacing Shrouded Blisk with Same Direction Cone

Zhang Kun1，Bai Chun1，Lyu Lin2，Ma Haipeng1，Shen Yan1
（1.Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China；2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

By electro-discharge machining (EDM)electrode design of the large lattice spacing shrouded blisk with same direction cone in a certain model as an example，the design deficiency of former electrode is analyzed and improved.Through giving the searching method of simplified process path，the electrode design optimization and fast searching of process path are realized，which enormously reduced the time of electrode design.

large lattice spacing；turbine blisk with shrouded；EDM；electrode；path searching

TG661

A

1009－279X（2016）06－0023-02

2016-06-25

国家科技重大专项资助项目（2014ZX04001-111）

张昆，男，1976年生，研究员。