二元窄流道闭式叶轮电火花加工研究

2022-12-08孙维泽赵腾蛟

装备制造技术 2022年9期

孙维泽，刘鹤，赵腾蛟

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110027）

0 引言

随着CO2、低温氮等压缩机市场的发展，对高精度二元窄流道叶轮的需求逐步提升，这类叶轮出口宽度最小值为4 mm左右，受其几何尺寸限制，无法进行铣削预加工，需全部利用电火花加工出流道形状。由于该类叶轮流道属于深窄型腔，电火花加工时放电面积小，并且流道曲率较大，加工过程中产生的熔渣很难排出，导致加工效率非常低。例如加工一个ϕ400 mm，出口宽度为4.6 mm的叶轮，总体加工周期在40天左右，其开粗时间一般需要20～25天，占总加工周期的50%以上，这远远不能满足生产需求。因此，我们有必要对二元窄流道闭式叶轮的电火花加工工艺进行深入研究，解决该类叶轮加工效率低的问题[1]。

为此，提出了一种新型粗加工电极——3D打印中空管配合石墨头的电极，3D管的中空结构有利于实现流道内部的冲油，排出熔渣，提高粗加工效率。最终将该电极应用于实际加工中，完成叶轮的电火花加工。

1 二元窄流道闭式叶轮的结构

图1为一典型二元窄流道叶轮三维模型图，该叶轮主要结构如下：叶轮直径为350 mm，流道出口宽度为4.6 mm，高度为40 mm，叶片厚度3 mm，叶根圆角为R1 mm，共13个叶片，叶轮材料为低温钢1Ni9。针对其结构特点，无法采用铣制的办法进行预加工，只能完全采用电火花加工。

图1 二元窄流道闭式叶轮模型（出口宽度4.6mm）

但是加工过程中流道属于深窄型腔，叶片曲率较大，流道内部的冲油十分困难，熔渣很难排除，导致加工一小段距离后，加工效率迅速下降。因此，将重点研究二元窄流道闭式叶轮加工过程中流道内部的排渣方式，从而提高加工效率。

2 二元窄流道闭式叶轮电极规划

电极设计分为：开粗短电极、开粗长电极、精加工电极[2]。由于的叶轮为整体加工，必须要拆分出多个电极进行，拆分电极数的量尽可能减少，以提高加工效率[3]。

2.1 二元窄流道叶轮粗加工短电极设计

在加工初期，加工深度浅，容易冲油排渣，电极进出也比较自由，因此开粗短电极设计为流道形状向内偏置的实体电极。

开粗短电极的设计简单，体积大。为提高面积，尽可能多的快速去除材料，设计时开粗短电极的长度约为流道长度的四分之一，厚度为出口宽度向内偏置0.3 mm，叶片方向为叶片面偏置1 mm。为提高电极加工的速度，此电极不设计圆角。由于其放电量大，加工时间长，因此损耗较大，一般需要至少准备3个粗加工电极。

2.2 粗加工长电极

之前的加工中，粗加工长电极均为短电极的延长版，但是随着加工的深入，排渣非常困难，加工效率极低，峰值电流只有2～5 A左右，为了改善排渣条件，设计了一种新型粗加工长电极，并实现流道内部的冲油。

设计的3D中空管配合石墨头的粗加工电极，如图2所示。首先按照流道形状设计一3D打印管，内部为空心结构，能够实现冲油，管道前端预留斜向出油孔。管的最前端设计一梯形槽，进而与石墨头相配合。该3D中空管完全由3D打印方式加工。石墨头为原粗加工长电极最前端部分，减寸量0.3 mm，后面设计一梯形凸起，与3D管相配合，石墨头采用石墨高速铣机床进行加工。

图2 3D中空管配合石墨头的粗加工电极

加工完成后，首先对3D中空管进行找正，以保证尺寸的准确性，防止电火花加工过程中造成过切。并且由于3D打印后存在一定的热变形，而3D中空管刚性较差，无法进行铣制加工，需要采用电火花的方式将3D中空管的上下表面打平，并保证尺寸小于叶轮出口宽度。保证3D中空管尺寸后，连接石墨头，并用石墨胶加以固定。

石墨胶需要进行如下工艺操作：

（1）待粘接表面去污，干燥处理；

（2）将冲油管置于凹槽内，将搅拌均匀的石墨胶涂于凹槽内；

（3）将此电极在温度25℃～30℃环境下放置12～24 h，再加温至80℃～100℃恒温保持2 h，接着升温至150℃恒温保持2 h，然后缓慢冷却。

新型粗加工电极制作完成后，在平面试件上进行加工试验，该电极能够顺利进入流道完成加工，可以用于实际生产中。

2.3 精加工电极

精加工电极分为入口电极和出口电极，设计时首先要确定二者的拆分位置，本叶轮的入口处较窄，首先要考虑入口电极的顺利进出，因此入口电极设计较短，拆分位置靠近叶片前端，同时入口电极和出口电极相交处需要向前延长0.3 mm，用以补偿加工过程中的电极磨损量。

电极加工时，需要左右各加工一次，加工时需要一定的旋转角度，这个角度需要在设计时加以考虑，以保证加工过程中不发生轴盘或盖盘上没有加工残留。电极的旋转角度设计时，首先建立叶轮模型，在叶根处按照要求进行倒角，之后围绕Z轴旋转叶轮，直到旋转后的叶片圆角与原叶轮圆角边缘接近重合，此时旋转角度为A，则设计电极的旋转角度为A/2，之后的设计中再加以微调。

电极的左右表面根据叶片型线设计，上下表面根据流道宽度设计，尽可能的增大电极厚度以增加放电面积，轴盘电极在圆角以下水平切割，出口的盖盘电极为斜向切割，电极加工在石墨高速铣机床上进行。

3 电极加工

对于二元窄流道叶轮的细长薄电极，采用一般的加工方式很容易造成电极的断裂，需要提出新的加工方式。

3.1 支撑加工

加工时最大的问题在于电极的振动，因此在电极的前段加以支撑，人为增加电极的刚性，通过将一带螺纹的座固定在托盘上，在座中间拧上一根螺丝，通过旋转螺丝调节支撑的高度，支撑时轻微接触即可，此种加工方式可以实现水平加工，不产生振动，但是无法实现反转，因此无法加工到电极的上表面，此种方案需要进一步改善。

3.2 二次加工

为了解决电极上表面无法加工的问题，采用二次加工的方式来对电极进行加工。首先还是按照图3所示的支撑加工的方式，对电极进行加工，但对于电极下方的区域也不进行加工。

图3 支撑加工电极

之后在多余的部分加工出找正坐标系，由于的电极很长，因此对于X方向上加工出很长的平面，Y方向上也加工出尽可能长的平面，在二次找正时作为找正面使用。

然后将电极反转压在平台之上，为了防止工作台有误差，以及防止加工时刀具与工作台发生碰撞，先铣制一个石墨的平面，作为工作台使用。首先将一大块石墨固定在工作台上，再铣制一基准面，将电极压在石墨平台之上，通过探头不断测量X找正平面的数值，调整平台角度，直至X轴找平面的平面误差在0.02 mm以内，此时将X轴找正面设为X轴0点，Y轴的找正面作为Y轴0点，建立新的加工坐标系。最后在此坐标系下，完成电极的加工。