1 帶冠整體葉輪（lún）的優點

      帶冠整體葉輪是（shì）一種在葉片外圍增加了環形冠, 即將所有葉尖連在冠上的整體葉輪, 是為了更（gèng）好地滿足現代航空（kōng）航天事業的發展對發動機不斷提出的高性能要求而出現的一種新型（xíng）葉輪結構。與不帶冠的（de）整體葉（yè）輪相比, 帶冠整體葉輪具有傳動效率很高、重量輕、結構緊湊和結構強度大等顯著優點, 能夠更好地滿足增加發動機壽命, 提高發動機效率、工作節速和使用可靠性的要求, 代表了未來飛行器、航天（tiān）器發動機葉輪結構設計的發展（zhǎn）方向。

      2 組合電抓工工藝方案的提（tí）出

      正是由於帶冠整體葉輪（lún）結構上“冠” 的存在, 使整體（tǐ）葉輪的葉片間流體通道由徑向敞開變為封閉, 加上葉阿通道狹窄（zhǎi）、葉片型麵複雜、加工精度要求（qiú）很高, 帶冠（guàn）整體葉輪又工作在高溫、高壓、高轉速條件下, 多采用不鏽鋼、高溫耐熱合金或欽合金等難切（qiē）削材料製作等特點, 使得帶冠整體葉輪的製造特別是葉片型麵成形非常困難, 葉片型麵（miàn）既無法用電解套料成形, 也不能采用數控銑（xǐ）削加工: 目前世界（jiè）各國采用電火花加工作為主選工藝, 但由於其加工效率很低且又存在電極損耗、因此不得不（bú）依靠投人大量設備、批量製造電極, 通過頻（pín）繁更換電極來（lái）補償（cháng）因電極損耗所帶來的精度問題（tí）, 加工成本（běn）高。這使得帶冠整（zhěng）體（tǐ）葉輪的加工成（chéng）為航（háng）空航天製造技禾領域（yù）函待解決的關鍵難題之一。

      突破此項（xiàng）關（guān）鍵技術, 對於（yú）我國未來新型號大推（tuī）重比、高性能（néng）發動機的（de）研製, 進（jìn）一步提升製造能力以及為更（gèng）多（duō）民（mín）用設施提供（gòng）先進的燃機, 都具有十分重大的意（yì）義（yì）。南京航空航天大學特種加工研究所在（zài）試（shì）驗研究的基（jī）礎上, 充分利用電解加工效率（lǜ）高和電火花成形適於加工複雜形狀零件的優點, 提出了采用電（diàn）解加工和電（diàn）火花加（jiā）工組合工藝的方案難隊先由電解加（jiā）工去除葉間大部分（fèn）材料, 並留下二定的餘量（liàng）: 加工出預通（tōng）道, 然後在輔似抽液的情況下進行葉（yè）片型麵（miàn）電火花成形加工。這樣, 既提高了加工效率、大大減少了電極拘耗、降低了生產費用, 又有利於保證葉（yè）片型麵的最終加工精度。似圖（tú）1所示等截麵葉片帶（dài）冠（guàn）整體葉輪葉片型（xíng）麵的加工為例, 結合（hé）試驗, 對組合電加工的關鍵工藝進行了研究。

      3 組合電加工關鍵工藝的研（yán）究

      帶冠整體葉輪葉間預通道采用數控展成電解加工技術、在南京航空航天大（dà）學自主研製的五坐標數控電解加工機床上進行; 葉（yè）片型麵的最終成形在瑞士（shì）夏（xià）米爾公司生產（chǎn）的四軸聯動（dòng）電火花機床上完成。

      3. 1 電解加工關鍵（jiàn）工藝

      數（shù）控展成電解加工帶冠整體葉（yè）輪葉間預通道時, 在計算機數控指令的控製下（xià）, 陰極按預定（dìng）運動軌跡相對工件作沿x 、y 方向的平動（dòng）和繞（rào）z 軸的（de）轉動, 展成加工出葉間通道。葉間通道（dào）形狀（zhuàng）取決於陰極運動產生間隙（xì）形成的包絡麵（miàn）, 因此陰極設計及其運動軌跡的確定是電解加工的關鍵。

      3. 1. 1 陰極設計

      陰極設計主要包括（kuò）陰極形狀、結構設計、陰（yīn）極主體尺寸設計及其材（cái）料選擇等。陰極設計的基本（běn）出發點是: 確保設（shè）計出的陰極（jí）按（àn）預定運動（dòng）軌跡（jì）相對（duì）工件由加工初始位置運動到終止（zhǐ）位置的過程（chéng）中, 在保證與葉片最終型麵不發生（shēng）幹涉和腐蝕過切的前提（tí）下, 去除盡量多的材料, 並使留下的（de）通道兩（liǎng）側餘量盡可能（néng）均勻— 以便於後續電火花加工的進行, 同時使陰極製造簡單方便。

      由於陰極是在葉（yè）間通道內（nèi）沿預定運動軌跡做展成運動, 因此陰極外形主要取決於葉間通道的幾何特征, 應與通（tōng）道的最終(理論)形狀大體相似, 如（rú）圖2 所示, Za 為在垂直（zhí）葉輪徑向的截麵上, 陰極的側麵形狀近似於通道的形狀; 2b為在垂直葉輪軸向的截麵上, 陰極的端麵形狀（zhuàng）相似於通道的形狀, 為梯形。帶冠（guàn）整體葉輪的葉間（jiān）通道特征決定了陰極結構采（cǎi）用內噴式（shì）電解液供給方式設計; 為避免發生運動幹涉現象, 葉間預通道（dào）的加工需從葉輪兩側分別（bié）進給, 實（shí）現對接, 如圖2a 所示; 同時為方便陰極的製（zhì）作, 應（yīng）使加工葉輪兩側的陰極形狀盡可能相同, 即采用（yòng）形狀近似的陰極（jí）分（fèn）別按不同的軌跡進給加（jiā）工兩側。

      陰極的主體尺寸主要由（yóu）葉間（jiān）通道的形狀尺（chǐ）寸決定, 而葉間通道的尺寸則根據葉輪的型麵原始數據求（qiú）得。葉輪型麵原始數據（jù）是在圖1 所示的（de）R 一風展開麵上分別給出的同一葉片的葉盆（pén）線和葉背線的（de）型值點數據, 因此需通過坐（zuò）標旋轉變換, 轉換成同一通道兩側型線的數據。根據預設的電解加工側麵間隙（xì）△E 及（jí）電火（huǒ）花加工間隙△D , 確定預通道加工中陰極運動的（de）允許範圍, 初步設計出陰極的（de）側（cè）麵輪廓尺寸, 如圖Za 所示, 刀為葉片理論型線, 兒為電火花加工前、的理論輪廓線, 夕（xī）二為陰極運動允許的邊界線。以通道中心作為初始運動軌跡, 對陰極運動形成的（de）包絡麵（miàn）與其允許範（fàn）圍進行仿真校（xiào）核, 並根據結（jié）果對加工運動軌跡（jì）及（jí）陰極尺寸做（zuò）適當的修改, 使陰極運動（dòng）形成的（de）包絡麵在其允許範圍內並最靠近邊界線（xiàn）兒, 同時（shí）考慮使陰極形狀簡單(為此（cǐ）, 應盡（jìn）可能以修改陰極運動軌跡為主) , 從而確定出陰極的側麵（miàn）輪廓尺寸。陰極梯（tī）形（xíng）端麵尺寸的（de）確定按通道（dào）最窄部位進行（háng）相應計算。圖（tú）3 為所設（shè）計（jì）的陰極結構示意圖。

      陰極主體材料的選擇主要從材（cái）料的導（dǎo）電性、剛性、耐腐蝕（shí）性、抗火花能力以（yǐ）及可加工性等方麵考慮, 采用不鏽鋼或銅鎢合金為（wéi）宜。

      3. 1. 2 陰極運動軌跡的確定

      陰極運（yùn）動軌跡的確定是一個（gè）不斷修改（gǎi）、優化的（de）過程, 首先以（yǐ）通道中心作為（wéi）陰極運動軌跡, 然後根據陰極運動的仿真結果進行修（xiū）改。考慮（lǜ）到（dào）電（diàn）解加工預通道的整（zhěng）個過程, 電場和流場均處於非穩定狀態, 在加工過程的各（gè）時刻（kè）側麵間隙均在變化（huà）, 因（yīn）此陰極運動（dòng）軌跡的最終確定（dìng）還應通過工（gōng）藝試驗來進一步修改（gǎi）優化（huà）。

      3 . 2 電火花加工關鍵工藝

      電火花加工作為帶冠整體（tǐ）葉輪葉片型麵的最（zuì）終加工工序, 除了要求實現葉片型麵的最終成形外, 還要保證加工的精度要求, 其實（shí）現方法要麽采用複雜電極（jí）沿簡單運動軌跡來加工（gōng）, 要麽（me）采用簡單電極沿較複（fù）雜的運動軌跡來加工, 因而（ér）電極及其運動軌跡的設計是電火花加工的關（guān）鍵（jiàn）。根據帶冠整（zhěng）體葉輪（lún）的結構特征, 並結合現有試驗設（shè）備條件, 采用等截（jié）麵電極從葉輪兩（liǎng）側分（fèn）別進給加工左右通道的方法。加工時, 工件安裝在工作台上（shàng）固定不動, 被加工葉片部位母線（xiàn）處於與工作台麵（miàn）垂直的豎直位置。對於等截（jié）麵葉片,可以用一個兩側分別與葉背、葉盆（pén）型麵“ 平行” 的電極, 通過平動“ 拷貝”來實現葉片型麵（miàn）的成形, 即: 工具（jù）電極按一定軌跡相對工件沿城y 方（fāng）向平動及繞z 軸轉動, 運動到電極成形麵（miàn）與工件理論（lùn）型（xíng）麵“平行”的對應位置時, 再向葉盆方向平動, “拷貝”完（wán）成葉盆型麵的加工; 然後按原軌跡退回到加（jiā）工初始位（wèi）置, 向葉背一側平動（dòng）相當於兩葉（yè）片的間距, 再以同前的（de）軌跡進給, 平動 “ 拷貝（bèi）’, 加工出同一（yī）葉片的葉背部分。完成（chéng）一個葉片型（xíng）麵的成形後, 電極按原運動（dòng）軌跡退回, 工件分度定位, 再加工下一個葉片, 如（rú）此進行直至全部葉片加工（gōng）完畢。由於（yú）通道軸向截麵呈梯（tī）形, 葉根部分的加工狀況最惡劣, 因此設計時（shí）以葉根部截麵作為軸（zhóu）向截麵中成形電極設計及其運動軌跡設計的基（jī）準麵。

      3. 2. 1 成形電極（jí）的設計

      電極設計與其運動軌跡設計必須相輔相成, 電極的形狀決定著電極運動軌跡, 而運動軌跡又影響電極的形（xíng）狀設計。因此（cǐ）, 設計電極時要兼顧運（yùn）動（dòng）軌（guǐ）跡, 以簡化（huà）運動軌跡為原則。由於采用“ 拷貝”成形, 電極成形（xíng）麵的形狀及尺寸應與葉片最終型麵對應（yīng）, 加工（gōng）左、右通道的電極應分別設（shè）計。考慮到（dào）電解加工的實際結果, 留下的餘量分布不均, 為保證葉片型麵的最終精（jīng）度要求, 將左右電（diàn）極再分別設計為粗加工電極和精加工電極。

      以右側通道的粗加工電極設計為例來討論（lùn）。粗加工的目的是采用粗規準較快速地去（qù）除大部分餘量（liàng）, 以便於葉片型麵的最終精加工成形。粗加工如果完全采用“拷貝”加（jiā）工,則電極兩側麵大致肉相（xiàng）鄰兩葉片的葉背曲麵和葉盆曲麵平移形成, 如圖4 所示, 以通道最窄部位材八不作為（wéi）左右（yòu）通（tōng）道的分界線, 根據預先設定的電火花粗加工間隙吞及精加工間（jiān）隙街, 將右側通道內的葉盆線和葉背線上各點分別向（xiàng）通道內側沿y 軸平移一個間隙量△ (△ =△r +△f ) , 得到曲線（xiàn）βr, 作為電極運動的允許（xǔ）範圍; 再將曲線βr向通道內側沿y軸適（shì）當平移, 即得到用（yòng）於“ 拷貝”的粗加工電極主體部分（fèn）的兩側形狀。由於葉背部分斜率變化較大（dà）, 受（shòu）電極運動空（kōng）間限製, 電極後端易與葉輪右側發生幹涉, 而為避免幹涉將使電極（jí）運動軌跡設計（jì）過於繁瑣。因（yīn）此, 葉片型麵粗加工不（bú）完全采用‘拷貝”成形（xíng）的方法。在電火花加工中, 不存在（zài）電解加工中必須避免阻、陽極短路的情況, 電（diàn）極運動隻要不破壞葉片型麵即可。於是, 對葉片理論（lùn）型麵上曲線c 刀段不采（cǎi）用“拷貝, 式加工, 而是通過電極前端靠軌跡（jì）展成運動蝕除（chú）餘量, 因此設計鋤口（kǒu）工電極時, 可用比較平緩的曲線來替代弧線段。這種方法可能會造成電極局部損耗而加大“拷貝” 誤差, 故需適當地加長電極前端尺寸以補償電極損耗,如圖（tú）4 中所示。

      電極非加工部分的設計主要考慮電極（jí）裝夾、與（yǔ）工件定（dìng）位找正的需要以及外部運動空間對（duì）電極（jí）尺寸（cùn）的（de）限製等（děng）, 電（diàn）極高度等於葉片高度（dù）減去上下兩端放電伺隙△ 即可, 設計出的粗加工右電極如圖5 所示。

      精加工電極的（de）設計思路與（yǔ）粗加工基本一致, 不過精加工放電間隙改為△ =△f; 此外, 由於粗加工去除了大部分餘量, 且剩（shèng）餘餘量分布比（bǐ）較均（jun1）勻, 通道變大, 較有利於電極運動, 因此葉片型麵的精（jīng）加工完全（quán）采用“ 拷貝”成形; 在設計精加工電極時, 應使電極兩側麵分別由葉背曲麵（miàn）和葉盆曲麵平移形成, 這樣可以認為電極損耗是“ 麵”損（sǔn）耗,  在加工（gōng）中適（shì）當增加進給量就能夠補償電極損耗所引起的誤差。

      3 . 2. 會電極運動軌跡的設計（jì）

      電極運（yùn）動軌跡設（shè）計按粗、精加工及（jí）左右通道分別考慮。電極運動軌跡的設計, 應能確保成形電極沿所設計的（de）軌跡準確運動到“拷貝（bèi）”前的位置（zhì）。由於“拷貝”前的位置在x 軸方向是唯一的, 為確定電極定位的初始角度(即電極（jí）加工前的初始位置（zhì）相對於, 軸的夾角) , 因此（cǐ）軌跡設計（jì）應以電極 “拷貝”前在通道內的位置作為電（diàn）極運動軌跡設計的初（chū）始位置, 采取由內向外“ 移出（chū）”電極進（jìn）行設計（jì）的方法(編（biān）製電（diàn）極的（de）實際運動軌跡時, 按此逆過程進行).一設計應使運動軌跡盡量簡化, 可（kě）以根據組成葉背的一曲線段情況、將相應曲線（xiàn）段分別偏移適當距離所得到的曲線作（zuò）為初始運動軌跡. 然後通過在“移出” 電極（jí）的過程（chéng）中可能產生的（de）幹（gàn）涉情況來進一步修正、優化相應軌跡。

      由於被加工葉片處（chù）於與工作台（tái）垂直的豎直位置, 設計基準為（wéi）葉（yè）根部, 因此在電極（jí）沿（yán）一定軌跡進給、平動“ 拷貝”加工出葉盆型麵並（bìng）沿原軌跡退回後, 隻需沿少軸（zhóu）負方向平移葉間距離△y 後, 按原軌跡進給即可加工出（chū）葉背型麵。

      式中（zhōng）: R , 為葉（yè）輪根圓直徑, m m ; n 為葉片個數。

      4 結束語

      帶冠整體葉輪是現代航空航天技術的發展（zhǎn）對葉（yè）輪設計和製造提（tí）出的新要求, 帶冠整體（tǐ）葉輪葉片型麵的（de）加工是一個巫待解決的課（kè）題。經試驗加工（gōng）驗證, 采用組（zǔ）合電加工工（gōng）藝方案, 開（kāi）展關鍵工藝問題的研究（jiū）, 能夠較好地解決帶冠整體葉輪的（de）葉（yè）片型（xíng）麵加（jiā）工問題, 有望成為一種有效的加工手段。