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排屑对闭式整体叶盘电火花加工的影响

排屑对闭式整体叶盘电火花加工的影响

  • 分类:新闻中心
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  • 发布时间:2020-08-18 15:44
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【概要描述】

排屑对闭式整体叶盘电火花加工的影响

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    闭式整体叶盘是航空航天发动机的核心零件之一,其性能好坏直接影响发动机的性能与可靠性。目前公认的闭式整体叶盘最佳加工方法是多轴联动数控电火花加工,但加工效率较低仍是该方法的主要问题。在诸多造成闭式整体叶盘电火花加工效率低下的因素中,加工屑的排出状况无疑是最重要的因素之一。在电火花加工中会形成金属碎屑、炭黑等蚀除产物,如不能及时地将蚀除产物排出,会大幅度降低放电稳定性,导致加工效率降低。排屑主要有电极抬刀排屑、冲(抽)液排屑等方式。

 

    抬刀排屑是通过电极抬起使工件与电极间形成负压并吸入新鲜工作液与放电区域高颗粒浓度的工作液混合,再通过电极下降将混合后的工作液排出而实现排屑。相关研究表明,增大抬刀高度及高速抬刀能改善排屑效果。对于闭式整体叶盘电火花加工,由于加工条件限制,无法实现较大高度抬刀或高速抬刀,抬刀对排屑的改善效果有限。

    冲液排屑分为外冲液和内冲液两种方式。其中,外冲液方式通过冲液喷嘴对准放电加工区域进行冲液,使工作液由喷嘴流出并沿着放电间隙流入电极与工件之间,将放电区域带有高浓度蚀除产物的工作液排出,使新鲜的工作液流入放电区域,保证放电状态稳定。由于放电间隙极小,当加工深度较大、放电面积较大时,该种冲液排屑方式的效果有限。内冲液方式通过在工具电极上设计冲液孔,通过冲液孔从电极内部将新鲜的高压工作液冲入加工区域,将蚀除产物通过放电间隙排出。相比于普通的外冲液,内冲液方法具有更好的排屑效果,但需在电极上预先加工冲液孔才能实现高压内冲液。然而对于叶盘电火花加工,成形电极在大多数情况无法加工冲液孔。因此,内冲液方式对于大多数叶盘电火花加工并不适用。

 

    本文在成形电极无法加工冲液孔的条件下,提出在工件上加工预孔,并通过抽液方式直接将蚀除产物通过预孔排出的方法,可改善排屑效果以提高闭式叶盘的加工效率。

 

01

预孔抽液方法及装置

    预孔抽液排屑方法是先通过高速电火花小孔机预先在工件毛坯上加工小孔,再依靠抽液系统在工件加工区域与电极进给路径不同侧的位置进行抽液,将带有放电蚀除颗粒的工作液从预孔中抽出。如图1所示,预孔的入口与出口分别与电极和抽液口对应。

1   预孔抽液排屑原理图

 

    通过抽液系统在抽液口处形成负压,预孔两侧产生压力差,压力差使得放电区域的工作液沿预孔被抽液系统抽离,混合在工作液中的蚀除颗粒也随工作液一起从放电区域排出。虽然电极与工件之间仅有很小的放电间隙,但是电极侧工件外部的新鲜工作液仍能及时补充到放电加工区域,实现蚀除颗粒的连续排出,保证放电加工区域蚀除颗粒浓度维持在较低水平,使电火花加工维持良好的放电状态。由于预孔抽液排屑方法能持续保持良好的排屑效果,不需要抬刀进行辅助排屑,通过该方法可实现持续高效的电火花加工。

    抽液系统主要功能是使电极加工区域预孔的另一侧形成负压区,使工作液通过预孔从加工区域排出。抽液系统如图2所示,通过具有自吸功能的抽液泵产生加工所需负压条件。抽液泵将工作液通过进液口将加工区域工作液抽出,再通过出液口将工作液排出到电火花机床工作箱内。为便于调节抽液压力,在抽液管路上安装负压表和球阀。为防止球阀关闭时抽液泵工作故障,通过三通将进液口管路一分支始终接入机床工作箱,保证抽液泵流量平衡。为保证孔内负压条件,增强抽液效果,通过喷嘴紧贴工件背面小孔进行抽液。

2   抽液系统示意图

 

02

预孔抽液排屑工艺实验

    采用上述抽液系统,在六轴联动电火花成形机床进行预孔抽液排屑工艺实验。电极采用ISO-63型石墨电极,根据实际涡轮叶盘加工情况,通过截面为20 mm×12 mm的方形电极进行深度10 mm的电火花加工。工件材料为45钢,通过加工时间反映预孔数量、预孔直径和预孔角度等抽液参数的排屑效果。实验采用的电加工参数见表1

1   预孔抽液排屑实验加工参数

 

1预孔数量对加工效率的影响

    在工件上通过高速电火花小孔机加工直径为1.8 mm的预孔,预孔数量分别为1234个。实验得出电火花加工时间与预孔数量的关系如图3所示。需要说明的是,图中总加工时间包含高速电火花小孔加工的时间和模拟流道的加工时间。

3   加工时间与预孔数量的关系

 

    由图3可见,加工时间均随着预孔数量的增大而减少,但预孔数量增大到一定程度后,其对加工时间减少的效果影响减弱,有时反而因为多加工预孔需要的时间不及叶盘加工缩短的时间,造成总加工时间增加。由图3可见,预孔的数量以3个为宜。

 

2预孔直径对加工效率的影响

    在工件上加工直径分别为0.60.91.8 mm的预孔。实验得出的电火花加工时间与预孔直径的关系见图4。可见,孔径越大,抽液效果越好。实际加工中,孔径尺寸受叶盘几何结构限制,不可能太大。

4   加工时间与预孔直径的关系

 

3预孔角度对加工效率影响

    在工件上通过高速电火花小孔机分别加工直径为1.8 mm、预孔角度为15°30°的预孔,预孔按如图5所示位置布置。电火花加工时间与预孔角度的关系如图6所示,随着预孔角度的增加,加工时间缩短。但需注意的是,预孔角度较大时,随着加工深度的增加,实际参与抽液的预孔数量会减少,加工效率会由于预孔数量减少而降低。

5   不同预孔角度孔与工件的相对位置

 

6   加工时间与预孔角度的关系

 

03

闭式叶盘预孔抽液排屑工艺实验

    图7是一种典型的涡轮类闭式整体叶盘。其叶片具有一定的弯扭程度且叶片顶部具有叶冠结构,因此可用来加工预孔的流道区域十分有限。为保证预孔抽液排屑方法达到较好效果,需根据前述预孔参数对加工效率的影响规律,在几何条件限制下进行预孔参数选择。首先将涡轮盘绕Z轴旋转,并将流道投影到YZ平面(图8)。叶冠、叶底及左、右叶片投影在YZ平面的包络区域为流道区域,即预孔可分布位置。

7   典型涡轮盘模型

 

8   预孔参数设计原理

 

    所选预孔参数见表2。采用自行开发的闭式整体叶盘六轴联动电火花加工专用CAD/CAM软件进行工具电极设计和电极进给轨迹规划,并在六轴联动数控电火花成形机床上进行加工。叶盘毛坯、成形电极及加工过程见图9

2   预孔参数

 

9   预孔抽液排屑电火花加工实验

 

    采用表1所示参数进行电火花加工。加工分为4个阶段,按照正向进给、正向拷贝、负向进给和负向拷贝的顺序完成加工。加工采用了常规的外冲液、预孔冲液和预孔抽液三种排屑方案。其中,预孔冲液和预孔抽液时的预孔分布完全相同,二者的区别仅在于,预孔冲液是从电极同一侧进行冲液,而预孔抽液是从电极流道上电极另外一侧进行抽液。由图10可看出,冲液排屑方式加工闭式整体叶盘电火花加工总时间357 min,预孔冲液排屑加工总时间289 min,预孔抽液排屑加工总时间277 min。常规冲液排屑方法相比,预孔抽液排屑方法的加工效率提高了22.4%

10   闭式叶盘加工时间

 

04

结束语

    本文提出了闭式整体叶盘电火花加工预孔抽液排屑方法,得出预孔参数对排屑效果的影响规律:一是,预孔数量越多排屑效果越好,但超过一定数量后,增加的预孔数量虽能改善排屑效果,但同时增加的预孔加工时间会使总体加工效率降低;二是,预孔直径增大会改善排屑效果,应在流道不过切条件下尽可能增大预孔直径;三是,预孔角度对排屑效果影响不大,但需保证加工深度较大时仍有足够预孔数量。最后,本文结合实际叶盘模型给出预孔设计方法,在六轴联动电火花机床上进行叶盘加工的结果表明,预孔抽液排屑方法的加工效率提高了22.4%

   者:徐海华,阮虢凯,康小明,赵万生

   源:《电加工与模具》2020年增刊 

   文:《排屑对闭式整体叶盘电火花加工的影响》

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