隨著國防工業的發展（zhǎn）, 航空發動機性（xìng）能不斷（duàn）提升, 預計在2015 ) 2020 年, 未來航空發動機推重比將會從目前的8~ 10 提高到15~ 20, 在風（fēng）扇、壓氣機和（hé）渦輪上采用（yòng）整體結構（gòu）是航空發動（dòng）機發展的一個趨勢。葉輪（lún）是（shì）航空發動機（jī）壓氣機部件的主要零件之一（yī）, 隨著發（fā）動（dòng）機（jī）性能（néng）的（de）提高和設計手段的改進, 其葉片通常是在氣動及傳熱分（fèn）析（xī）、靜強度分析、振動分析和壽命分析基礎上進行多學科的優化設計出的, 形狀越來越複（fù）雜, 多為自由曲麵, 因此加（jiā）工也變得十分困難。航空發動機因用途不同其葉輪直徑範（fàn）圍變化較大, 從加工角度來分通常把直徑大於（yú）500 mm 的葉輪稱為大直徑葉輪（lún）。過（guò）去我國航空發動機研製主要（yào）在中小型發動機上, 如/ 昆侖0、/ 太行0發動機型（xíng）號, 因此對整體葉輪的加工（gōng）研究也集中在中小直徑整體葉輪上, 隨著中（zhōng）國大飛（fēi）機項目的實施, 質（zhì）量範圍在10 000 ~20 000 kg的大發動機（jī）正在研製（zhì）當中, 因此研究大直徑整體葉輪的（de）加工技術對中國大發動機、大飛機的研製具有重要意義。國內外研究人員在過去20 多年的研究過程中, 在整體葉（yè）輪電解加工（gōng）的陰極設計[ 1-3] 、工藝參數選擇[ 4-5] 、加工編程[ 6] 以及技術手段[ 7-11] 運用等方麵積累（lèi）了一定的經驗。目前, 葉片電解加工方法主要有成形電極加工法、數控（kòng）展成法, 在展成法中又有單（dān）步加工法[ 12] 、陰極擺動（dòng）法[ 13] 和葉背修正法[ 14] 等工藝方法。本文在過去研究（jiū）的基礎上提出了一種新（xīn）的葉片電解加工工藝方法, 即（jí）分步數控電解加工法（fǎ）, 論述了其加工（gōng）工藝、加工軌跡計（jì）算以及陰極設計等問題。

      1 整體葉輪葉片型麵電解（jiě）加工工藝分析

      1.1 加工方案改進

      航空（kōng）發動機整體葉輪由葉片、輪轂組成, 其特點是葉片（piàn）與輪轂結合在一起, 大直徑整體葉輪外（wài）徑大, 通常在500 mm~ 2 500 mm 之間, 如圖1 所示。已經試驗（yàn）過用葉背修正法加工大直徑整體葉輪, 它首先以葉盆為基準加工出葉間通道, 再精（jīng）加工葉背（bèi）。從加工原理上來說, 該加工方案可行, 但（dàn）從試驗（yàn）結果來看, 存在（zài）的問題（tí）主要有: ¹ 葉背（bèi）精加工中一次走刀加工的餘量（liàng）小, 走刀次（cì）數多, 加工效率低（dī）; º 以葉盆為基（jī）準進行加工仍然會造成葉（yè）根過切, 加工精度低。在原先的加工工藝基礎上結合大直徑整體葉（yè）輪特點, 提出分步（bù）加工整體葉輪葉片的工藝方案。

為加（jiā）工葉（yè）盆、葉背和葉（yè）根3 道（dào）工序, 其優點在於（yú）:

      ( 1) 由於葉盆、葉（yè）背單獨加（jiā）工, 就可以通過修正運動軌（guǐ）跡、誤差補償措施提（tí）高葉盆（pén）、葉背（bèi）的型麵（miàn）加工精度。

      ( 2) 能夠在葉盆、葉背加工中對葉根加工餘量的分布進行（háng）規劃, 使之滿足葉根加工（gōng）條件, 提高葉根加工精度。

      1. 2 葉盆、葉背（bèi）加工方案

      在分（fèn）步法（fǎ）加工中, 葉盆、葉背和葉根的加工順序關（guān）係到該工藝能否順利進行, 因此先要分析（xī）每（měi）道工序中存在什麽樣的加工（gōng）條件, 以此確（què）定加（jiā）工順（shùn）序。在葉盆、葉（yè）背加工中可（kě）選（xuǎn）的加工順序有（yǒu）先（xiān）葉盆後葉背與（yǔ）先葉背後葉盆兩種, 加工過程如圖2 所示。

      方案1: 先（xiān）加工葉背（bèi）後加工葉盆, 如圖2( a) 所示。在（zài）該方案中, 葉背（bèi）加工時陰極兩側出口為半敞開狀態, 電解（jiě）液（yè）從陰極底板中部噴出向兩側流出, 由於兩側條件對稱, 因此兩側出口處的壓（yā）力基本相（xiàng）等（děng）, 加工平麵內的電解液供液充分, 加（jiā）工條件好。加（jiā）工葉盆時陰極（jí）左側為半敞開狀態, 右側為敞開狀態, 兩側出口處條件不同, 導致兩（liǎng）側壓力有所不同。

      方案2: 先加（jiā）工（gōng）葉盆後加工葉背, 如圖2( b) 所（suǒ）示。該方（fāng）案中, 葉盆的（de）加工條件與方案1 中的葉（yè）背加工條件基（jī）本相同。葉背加工（gōng）時陰極左（zuǒ）側為敞開狀態（tài）, 右側為半敞開狀態, 由於葉（yè）背處的最小傾角（jiǎo）約為30b, 它（tā）影響了陰極出口處的（de）壓力, 從而影響流速。

      方案1 加工葉背時, 陰極底板兩側的出口壓力基本相等, 加工條件好。加工葉盆時兩側出口壓力（lì）雖（suī）然有一定的差別, 通（tōng）過試驗發現隻（zhī）要把底板上的（de）出（chū）液口向左側偏移（yí）, 減少兩邊的流速差, 也可以加工。方案2 加工葉背（bèi）時, 陰（yīn）極底板兩側出口處（chù）的壓力相差較大, 無法通過偏移（yí）出液口位（wèi）置調整, 電解液大部分從敞開的一側流走, 在靠近葉背一側容易加（jiā）工短路。所以優先選用方案1 作（zuò）為葉（yè）盆、葉背的加工（gōng）方案。

      1. 3 葉根加工方案

      葉根形（xíng）狀為圓柱麵, 采用分步法加工葉背、葉盆後實際留下的葉（yè）根形狀與葉盆（pén）、葉背的加工軌跡、陰極形狀有關。根據葉盆（pén）、葉（yè）背（bèi）加工後葉根的加工餘量分布特點, 葉根加工可選的方（fāng）案有成形陰極加工與數控（kòng）展（zhǎn）成加工兩種。

      方（fāng）案1: 成形陰極加工, 加工過程如圖3( a) 所示。利用（yòng）成形陰（yīn）極加工葉根, 主要考慮的問題（tí）有葉背、葉盆加工後的餘量分布（bù）、成形陰極設計、陰（yīn）極送給方式。成形陰（yīn）極加工雖（suī）然運動（dòng）簡單, 但工裝設計較複雜。

      方案（àn）2: 數控展成加工, 加工過程如圖3( b) 所示。它采用平板陰極沿葉間通道從上（shàng）到下（xià）作展成運動去除葉根餘量。在展成加工中, 必須考慮加工餘量的分布、陰極的運動軌跡, 實際加工中還需要通過合（hé）理（lǐ）的加工區（qū）域劃（huá）分和葉盆、葉背陰極/ 刀（dāo）刃0角度修正, 使葉（yè）根的加工餘量呈倒三（sān）角形分布, 中間餘量大、兩邊少, 這樣才能使展成加工葉根的工序容易實現。

      在葉根加（jiā）工的可選方（fāng）案中, 成形陰極（jí）加工的陰極型麵加工困難, 需要（yào）一套密封的夾具, 陰極需要旋轉才能進入葉（yè）間通道, 而數控展成法陰極簡單, 但運動軌跡計算相對複雜, 綜合考慮以上因素, 優先選用數控展成加工方案, 即方（fāng）案2。

      2 葉背與葉盆加工（gōng）

      2. 1 運動軌跡計算

      采用分（fèn）步法加工葉盆與葉背, 其加工的運動軌跡計算分別以葉（yè）盆、葉背麵（miàn）為基準。運動軌跡（jì）的計算過程為: 首先采用從幾（jǐ）何模（mó）型中提取的葉背、葉盆輪廓數據作（zuò）為（wéi）計算的基本數據, 對數據點進行擬合, 然後再對曲線（xiàn）進行離散。由於葉盆、葉背的形狀具有（yǒu）相似性, 其加工運（yùn）動軌（guǐ）跡計算方法相同, 下麵以葉盆為例說明運動軌跡的計算過程, 如（rú）圖4 所示。

      2. 2 陰極（jí）設計

      陰極設（shè）計是電解加工的關鍵。在加工區域劃分（fèn）中, 已經對葉背、葉（yè）盆（pén）的形狀進行（háng）了初步設計, 但由於葉盆（pén）、葉背分開加工（gōng）, 陰極底麵尺寸比葉盆、葉背同時加工（gōng）的陰極底麵大約減小了（le）一半, 因此流場設計比較困難, 需要借（jiè）助於CAD、電解加（jiā）工過程模擬、運動仿真和流（liú）場模擬（nǐ）軟件完成, 設計的葉盆、葉背加工陰極如圖5 所（suǒ）示。

      葉盆、葉背陰極由（yóu）蓋板、底板構成, 和葉盆、葉背同時加工（gōng）的（de）陰極相比, 陰極作了如下改進（jìn）。

      ( 1) 主刃與底板安裝邊夾角改為90b, 方便於加工對刀、加工誤差的（de）補償; 通過修正前刃與主刃的角度改變了葉根餘量（liàng）分布; 前刃長度（dù）、副刃與前刃的夾角根據加工區域劃分（fèn）大小確定（dìng）。

      ( 2) 陰極底板上的補液口做（zuò）了向前延伸（shēn）, 加（jiā）強了補液; 底麵上的出液（yè）口采用了非對稱設計, 以滿足葉盆、葉（yè）背的壓力條件（jiàn）。

      ( 3) 葉背加工產生的過切不再通過修正蓋板的傾角改進, 而（ér）是通（tōng）過運動補償方法解決, 為小截（jié）麵尺（chǐ）寸的葉背加工陰極流場設計創（chuàng）造（zào）了條件。

      3 葉根加工

      3. 1 運動軌跡計算

      在葉背、葉盆加工軌跡計算中已經提取了葉

      3. 2 陰極設計

      葉根加工通過（guò）陰極沿葉根（gēn）圓（yuán）掃掠成（chéng）形, 陰（yīn）極刀刃從（cóng）上到下運動（dòng）過程中始終與葉根圓平行。由於葉片（piàn）扭曲, 陰極運動空間狹窄, 為了不使陰極杆與葉盆、葉（yè）背左右、上下（xià）發生幹涉, 則陰極杆所允許的截麵尺寸較小, 設計中需要通過模擬工具檢驗運動幹涉。在加工區域劃分（fèn）過程中使葉根最大加工餘量分布在中部, 並且在葉盆、葉背加工中使葉背、葉盆陰極加工到葉根理論位置, 兩側過渡（dù）處（chù）不（bú）需要另外（wài）加工, 這樣陰極可（kě）按葉間通道的最（zuì）小尺寸設計, 加工中主要去除葉根中間餘量, 兩側去除餘量較少, 使加工滿足要求。設計的葉根加工陰極如圖7 所示。

      4 整體葉輪電解加工試（shì）驗

      4. 1 數（shù）控編程計算

      本試驗中利用四坐標聯動機床（chuáng）加工葉片, 其加工機床運動配置形式如圖8 所示。

      機床運動（dòng）軸包括X 、Y、Z 和C w 軸。由（yóu）於機床的工作行程有限, 試（shì）驗中采用偏心法裝（zhuāng）夾試（shì）件[ 15] , 縮短旋轉（zhuǎn）中心與葉片之間的距離以減少機床坐（zuò）標軸的位移量, 滿足機床（chuáng）行程（chéng）要求。

      采用展成法加（jiā）工葉背、葉盆和葉根（gēn）, 其編程方法基本相同。前麵討論了葉盆、葉背、葉根的（de）控製路徑與運動軌跡計算方法, 為了編程, 下一步還需要計算機床各坐標軸的位（wèi）移量。如圖9 所示（shì）, 離散（sàn）得到的陰極運動（dòng）軌跡為L 0 , ,, Li , ,, L n。

      4. 2 加工試驗

      在研（yán）究過程中, 以（yǐ）某型航空發（fā）動機動力渦輪中的一個大直徑整（zhěng）體葉輪為加工對象進行數控電解加工試驗。該（gāi）大直徑整體葉輪材料為GH4169, 外圓直徑為（wéi）Á 600 mm, 葉片的數目為79 個。電解加工的去除速度由實際體積電化學當量（liàng）GX與電（diàn）流密度決定, 當采用10% 硝酸（suān）鈉（nà）電解液時, 試驗測定的GH4169 材（cái）料的實際電化學體積當量GX為11 48 mm3 / ( A # min) , 而2Cr13實際體積（jī）電化學當量（liàng）GX 為11 27 mm3 / ( A #min) [ 16] 。通過以往試驗與加工實踐可知, 電解加（jiā）工GH4169 與2Cr13 兩種材料時材料去除速率有一定差異（yì）, 但采用10% 硝酸鈉電解液加工GH4169 材料與采用20% 的硝酸鈉電解液加工2Cr13 材料的過程具（jù）有一定的相似性, 故電解加工試驗常采用2Cr13 作為（wéi）試驗材料來驗證加工（gōng）工藝方法。本試驗也采用2Cr13 來檢驗分步（bù）法加工工藝可行性（xìng）及加工（gōng）精度。試驗葉片的電解加工試驗過程如圖10 所示。

      加工（gōng）參數先根據以往經驗進行初選, 再利用加工模擬軟件（jiàn）進行加工模（mó）擬, 獲取試驗加工參數。本試驗選用的加工參數（shù）為: 電壓（yā）為12 V, 電解液為20% NaN O3 , 加工（gōng）進口壓力為01 7 MPa, 電解液溫（wēn）度為25 e 。在葉（yè）背（bèi）、葉盆加工過程電（diàn）流沒有（yǒu）突變, 加工（gōng）過程穩定。葉根加工過程中電流變（biàn）化緩慢, 加工也比較穩定, 全部（bù）加工（gōng）過程沒有發生火花短路（lù）。

      4. 3 試驗結果分析

      采（cǎi）用分（fèn）步法數控電解加工的葉片試件如圖11 所示（shì）, 加工表麵質量好。利用三坐（zuò）標測量機對加工的整體葉輪試件葉片進行測量, 測量（liàng）結果表明, 葉（yè）盆加工誤差小, 葉背加工誤差略大, 其主要原因是葉盆、葉背和葉根數控電解（jiě）成形條件不同,它與電場（chǎng）、流場以及運動（dòng）軌跡等因素有關。

      整體葉輪不同電解加工方法加工精度如表1 所示。分步（bù）法與單步（bù）法等方法（fǎ）比較, 其優勢在於葉片加（jiā）工精度明（míng）顯提高, 加工表（biǎo）麵質量好, 留有的葉片手工去除餘量小, 最後通過手工去（qù）除、拋光等工序（xù）可達到（dào）01 06~ 01 07 mm 的加工精度要求。

      5 結 論

      ( 1) 分步法采用葉盆、葉背、葉（yè）根（gēn）分（fèn）開加工（gōng）的方案, 葉（yè）盆、葉背各自按自己的型麵計算運動軌跡與加工編程, 提（tí）高（gāo）了葉盆（pén）、葉（yè）背的（de）加工精度; 對葉根采取了單獨加工, 解決了葉根加工過切或欠切問題, 提高了葉根加工精度。

      ( 2) 所開發的（de）仿真軟件可以對加工區域進行合理劃（huá）分, 為各道工序創造最佳加（jiā）工條件, 可實現各工序間的（de）協調設計, 通過試驗證明了該工藝方法的可行性。

      ( 3) 采用分步法數控電解加工大直徑整體葉輪試件, 加工精度有明顯提高, 證明了（le）該方法具有進一步發展和工程應用的前景。