燃气轮机机匣制造中电火花加工技术的应用

郭学杰，曹天亮，张俊浩，王臻，刘风

燃气轮机机匣制造中电火花加工技术的应用

郭学杰，曹天亮，张俊浩，王臻，刘风

考虑到电火花加工时需根据实际情况留出合理的放电间隙，并且在进给深度上对工具电极的损耗进行补偿，分析几例电火花加工技术在燃气轮机机匣制造上的应用，总结燃气轮机机匣材料与结构的升级改进技术，认为电火花加工技术会更广泛地应用于燃气轮机机匣制造中。

燃气轮机；机匣制造；电火花加工

电火花加工技术由于其独特的优势被广泛应用于生物医疗、航空航天、通信电子等领域，尤其是电火花技术在微小轴、小孔加工及微三维结构制作方面已经显示出了相当大的发展潜力，受到世界各国学者的普遍关注[1]。国外的微细电火花加工技术已步入工业应用阶段，例如，瑞士Sarix公司研制出可以5轴联动的电火花加工机床SX-100-HPM。日本松下生产了一种商品化高精度微细电火花加工机床MG-ED82W，该机床适用于微力传感器、微加速度计、微喷头等微机电系统的研制生产[2]。国内以南京航空航天大学[3]、哈尔滨工业大学[4]与清华大学[5]为代表也在此领域取得了较大进展，开发出各种类型的维细电火花加工装置。

传统机械制造领域中的微小孔加工是由刀具对工件施以机械力达到材料去除的效果，但此种加工方法使用的钻头直径细小，极易折断在工件中。增泽隆久[6]通过在线制作工具电极，成功加工出直径为5 μm的微孔。余祖元等[7]结合电极行星运动与工件施加超声波振动，在不锈钢上加工出平均直径120 μm，深径比达29的微孔,代表这一领域的最新进展。此外，余祖元等[8]采用维小电极通过均匀损耗补偿的方法加工出微小三维汽车模具型腔，并制作出微汽车模型。

燃气轮机机匣类零件较多，按照设计结构可以分成两大类：环形机匣与箱体机匣。随着机匣结构的持续改进与难加工材料的广泛应用，机匣的制造需要采用很多先进制造技术，比如，在加工机匣环形件的异型孔时，采用数控激光切割技术；在蜂窝密封结构的机匣采用蜂窝钎焊与蜂窝表面电火花磨削技术[9]。电火花成形加工包括穿孔与型腔加工两大类[10]，本文提出了电火花加工高精度穿孔与型腔的方法，即对放电间隙与电极轴向损耗进行补偿，同时还列举了几例电火花加工技术在燃机轮机机匣制造上的应用实例。

1 电火花加工小孔

电火花加工小孔，尤其是孔的尺寸精度要求较高时，需考虑电火花加工的放电间隙与工具电极损耗。孔径的计算公式为

D=d+2e

(1)

式中：D为目标孔径；d为电极直径；e为放电间隙。

工具与工件材料，工作液种类，极性，加工参数决定放电间隙孔的进给深度，计算公式如下。

(2)

(3)

式中：H1为进给深度；H为目标孔深；m为工具电极的绝对损耗率，mm3/min；M为工件的加工速度，mm3/min；v为工具电极相对损耗。

产品钻孔之前，需首先进行工艺试验。工艺试验用的工具电极材料与试验件材料、极性、工作液与产品加工时一致；加工参数(放电脉宽、峰值电流)与产品加工时一致。通过工艺试验测算出产品加工状况下的放电间隙e与工具电极的相对损耗v，通过式(1)控制孔径，通过式(3)控制孔深。

2 电火花加工型腔

电火花加工型腔是一种仿形加工，即根据工件被加工部位的形状与尺寸来制作工具电极的形状与尺寸，两者之间留出放电间隙。如图2所示，以燃气轮机机匣中的第一级镶嵌件为例，内侧型面有若干长宽3 mm、深2.5 mm型腔，型腔侧壁厚度0.2～0.4 mm。通过成型电极可一次加工多个型腔，成型电极的多次使用需注意电极的损耗，根据式(3)在进给深度上进行补偿，图3为第一级镶嵌件电火花加工型腔的实物图。

3 电火花加工的其他用途

电火花可以加工任何导电材料，不受材料硬度影响，且加工时“无切削力”，有利于加工小孔、薄壁、窄槽，以及各种复杂型面的零件。针对这一特点，电火花加工有一些特殊用途，比如，机加工中出现刀片断裂且嵌入在窄槽底端，无法取出；丝锥攻丝时断在孔内，取丝器无法取出时，均可采用电火花加工的方法解决上述问题。

以燃气轮机机匣中的承力机匣为例，承力机匣有大量螺纹孔(500个左右)，很多螺纹孔在异型曲面上且螺纹孔较小时，有一定的概率丝锥断在螺纹孔内。承力机匣斜面上M6螺纹孔(深10 mm)攻丝时，丝锥断在孔内，采用取丝器很难取出丝锥或者取出后破坏底孔。而采用电火花在丝锥处打孔后很容易取出丝锥，且底孔不会破坏。

4 结论

电火花加工的特点使其有利于加工小孔、薄壁、窄槽及各种复杂型面的零件。为了获得高精度小孔与型腔，电火花加工时需根据实际情况留出合理的放电间隙，并且在进给深度上对工具电极的损耗进行补偿。因此在产品加工之前，需首先进行工艺试验。工艺试验用的工具电极材料与试验件材料、极性、工作液与产品加工时一致，且加工参数(放电脉宽、峰值电流)与产品加工时一致。通过工艺试验测算出产品加工状况下的放电间隙e与工具电极的相对损耗v。

电火花加工存在“二次放电”现象，即加工屑随加工液向外排的过程中，与产品已加工表面发生非正常的放电。具体反映在所加工的孔与型腔侧壁在加工深度方向产生斜度，如何尽量减小“二次放电”的影响是下一步研究的方向。

[1] 赵万生,韦红雨,狄士春,等.微细电火花加工的新进展[J].仪器仪表学报,1996,17(1):65-69.

[2] 殷国强.电火花加工微孔的深径比理论模型研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[3] 颜国正,赵国光,余承业.微小型任意行程电磁冲击式纳米级步距驱动装置及其控制技术的研究[J].仪器仪表学报,1996,17(4):391-395.

[4] 冯晓光.蠕动式压电微小型电火花加工装置及加工工艺的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1997.

[5] 李勇.蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构的研究进展[J].中国机械工程,1999,10(12):1410-1412.

[6] Masuzawa T. State of the Art of Micromachining[J]. Annals of the CIRP,2000,49(2):473-488.

[7] Yu Z Y,Zhang Y,Li J, et al. High aspect ratio micro-hole drilling aided with ultrasonic vibration and planetary movement of electrode by micro-EDM[J]. Annals of the CIRP,2009,58:213-216.

[8] 余祖元,郭东明,贾振元.微细电火花加工技术[J].中国科技论文在线,2007,2(3):214-220.

[9]《透平机械现代制造技术丛书》编委会.机匣制造技术[M].北京:科学出版社,2002.

[10] 杨叔子.机匣加工工艺师手册[M].北京:机械工业出版社,2006.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Application of the Electrical Discharge Machining Technique in Manufacturing of Gas Turbine Casings

GUO Xue-jie, CAO Tian-liang, ZHANG Jun-hao, WANG Zhen, LIU Feng

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

In the electrical discharge machining process, a reasonable discharge gap needs to be reserved according to practical situations, and compensation on the loss of a tool electrode is performed on the feeding depth. A number of application examples of the electrical discharge machining technique on manufacturing of gas turbine casings were enumerated. It can be concluded that this technique can be more widely applied to manufacturing of gas turbine casings along with up grading and improvement of the materials and structures.

gas turbine; casing manufacturing; electrical discharge machining

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.020

2016-07-14

郭学杰(1987—)，男，硕士，助理工程师研究方向:精密加工，数控加工

U671

A

1671-7953(2017)01-0081-03

修回日期：2016-08-23