1 帶冠整體葉輪的（de）優點

      帶冠整體葉輪是一（yī）種在葉片外圍（wéi）增加（jiā）了環形冠, 即將所有葉尖連在冠上的整體葉輪, 是為了更好地滿（mǎn）足現代航空航（háng）天事業的發展對（duì）發動（dòng）機不斷提出的高性能要求而（ér）出現（xiàn）的一種新型葉輪結構。與不帶（dài）冠的整體葉輪（lún）相比, 帶冠整體葉輪（lún）具有傳動效率很高、重量輕、結構緊（jǐn）湊和結構強度大等顯（xiǎn）著優點, 能夠更好地滿（mǎn）足增加發（fā）動機壽命, 提高發（fā）動機效率、工作節速和使用可靠性的要求, 代表了未（wèi）來飛（fēi）行器（qì）、航（háng）天器發動機葉輪結構設計的發展方向。

      2 組合電抓工工（gōng）藝方案的提出

      正是由於帶冠整體葉輪結構上“冠” 的存在, 使整體葉輪的葉片間流體（tǐ）通道由徑向敞開變（biàn）為封閉, 加上葉阿通（tōng）道狹窄、葉片型麵複（fù）雜、加工精度要求很高, 帶冠整體葉輪又（yòu）工作在高（gāo）溫（wēn）、高壓、高轉速條件下, 多采用不鏽（xiù）鋼、高溫耐熱合金或欽合金等難切削材（cái）料製（zhì）作（zuò）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, 葉片型麵既無法用電解套料成（chéng）形, 也不能采用數控銑削加工: 目前世界各國（guó）采用電火（huǒ）花加工作為主選工藝, 但由於其加工（gōng）效率很低且又存在電極損耗、因此不得不依靠投人大量設（shè）備、批量製造電極, 通過（guò）頻繁更換電極來補（bǔ）償因（yīn）電極損耗所帶來的精度問題, 加工成本高（gāo）。這使得帶冠整體葉（yè）輪的加工成為航空航天（tiān）製造技禾（hé）領域函待解決的關鍵（jiàn）難題之一。

      突破此項關鍵技術, 對於我國（guó）未來新型號大推重比（bǐ）、高性能發動機的研製, 進一步提升製造能力（lì）以及為更多民用設施（shī）提供先進的燃（rán）機, 都具有十分重大的意義。南京航空航（háng）天（tiān）大學特（tè）種加工（gōng）研究所在試驗研（yán）究的基礎上, 充分利用電解加工效率高和電火花成形適於加工（gōng）複（fù）雜（zá）形狀零件的優點, 提出了采（cǎi）用（yòng）電解加工和（hé）電火花加工組合工藝的（de）方案難隊先由電解加工去除（chú）葉間大部分材料, 並留下二定的餘量: 加工出預通道, 然後在輔似抽液的情況下進行葉片型麵電火花成形加工。這樣, 既提高了加工（gōng）效率（lǜ）、大大減（jiǎn）少了電極拘耗、降低了生產費（fèi）用, 又有（yǒu）利於（yú）保證葉片型麵的最終加工精度（dù）。似圖1所示等截麵葉片帶（dài）冠整（zhěng）體葉輪葉片型麵（miàn）的加工為例, 結合試驗（yàn）, 對組合（hé）電加工的關鍵工藝進（jìn）行了研究。

      3 組合電加工關（guān）鍵工藝的研究

      帶冠整（zhěng）體葉輪葉間預通道采用（yòng）數控展成電解加（jiā）工技術、在南京航空航天大學自主研製的五坐標數控電解加工機床上進行; 葉片型麵的最終成形在瑞士夏米爾公司生產的四軸聯動電火花機（jī）床（chuáng）上完成。

      3. 1 電解加工關鍵工藝

      數控（kòng）展成電解加工帶冠整體葉輪（lún）葉間預通道時, 在計算機數控指令的控（kòng）製下, 陰（yīn）極按預定運（yùn）動軌跡相對工件作沿x 、y 方（fāng）向的平動和繞（rào）z 軸的轉動（dòng）, 展（zhǎn）成加工出葉間通（tōng）道（dào）。葉間通道形狀取決於陰極運動產生間隙（xì）形成的包絡麵, 因此陰極設（shè）計及其運動軌（guǐ）跡的確定是電解加工的關（guān）鍵。

      3. 1. 1 陰極設計

      陰極設計主要包括陰（yīn）極形狀、結構設計、陰極主體（tǐ）尺寸設計及其材（cái）料選擇等。陰（yīn）極設計的基（jī）本出發點是: 確保設計出的陰極按預定運動軌跡相（xiàng）對工件由加（jiā）工初始位置運動到終止位置的過程中, 在保證與葉片最終型麵不發生幹涉和腐蝕過切的前提下, 去除盡量多的材料, 並使留下的通道兩側（cè）餘量（liàng）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。

      由於陰極是在葉間通道（dào）內沿預定運動軌跡做展成運動, 因此陰極外形主（zhǔ）要取決於葉間（jiān）通道的幾何特征（zhēng）, 應與通道的最終(理論)形狀大（dà）體（tǐ）相似（sì）, 如圖2 所示（shì）, Za 為（wéi）在垂直葉（yè）輪徑向的截麵上, 陰極的側麵（miàn）形（xíng）狀近（jìn）似於通道（dào）的形狀; 2b為在垂直葉輪（lún）軸向的截麵上, 陰極的端麵形狀相似於通道的形狀, 為梯形。帶冠整體葉輪的葉間通道特征決定了陰極結構采用（yòng）內噴式電解液供給方式設計; 為避免發（fā）生運動幹涉現（xiàn）象, 葉間預通道的（de）加工需（xū）從葉輪兩側分別（bié）進給, 實現對（duì）接, 如圖2a 所示（shì）; 同時為方便陰極的製作, 應使加（jiā）工葉（yè）輪兩（liǎng）側的陰極形狀盡可能（néng）相同, 即采（cǎi）用形狀近似的陰極分別按不同的軌跡進給加工兩側。

      陰極的主體尺寸主要由葉間通道的形狀尺寸決定, 而葉間通道的尺寸則根據葉輪（lún）的型麵原始（shǐ）數據求得。葉輪型麵原始數據是在圖1 所示的R 一風展開麵（miàn）上（shàng）分別給出的同一葉片的葉盆線和葉背線（xiàn）的型（xíng）值點數據, 因此需通過坐標旋轉變換, 轉換成同一通道兩側型線的數據。根據預設（shè）的電（diàn）解加工側麵間隙△E 及電（diàn）火花加工間隙（xì）△D , 確定預通（tōng）道加工中陰極運動（dòng）的允許範圍, 初步設計出陰極的側麵輪廓尺寸, 如圖Za 所示, 刀為葉片理論型線, 兒為電火花加工（gōng）前、的理論輪（lún）廓線, 夕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（jí）運動（dòng）形成的包絡麵與其允許範圍進行仿（fǎng）真校核, 並根據結果對加工運（yùn）動軌跡及陰極尺寸（cùn）做適當的修改, 使陰極（jí）運動形成的包絡麵在其允許範圍內並（bìng）最靠近邊界線（xiàn）兒, 同時考慮使陰極形狀簡單(為此, 應盡可能以修改陰極運動軌跡為主) , 從而確定出陰極的側麵輪廓（kuò）尺寸。陰極梯形端麵尺寸的確定按通道最窄部位進行相應計算（suàn）。圖3 為所設計的陰極結（jié）構示意圖。

      陰極主體材料的選擇主要（yào）從材料的導電性、剛性、耐腐蝕性、抗火花能力以（yǐ）及（jí）可加工性等方麵考慮, 采用（yòng）不鏽鋼或銅鎢合金為宜。

      3. 1. 2 陰極運動軌跡的確定

      陰（yīn）極運（yùn）動軌跡的確定是一個不斷修改、優化的過程, 首（shǒu）先以通道中心（xīn）作為陰極運動軌跡, 然（rán）後根據陰極運動的仿真結果進行修改。考慮（lǜ）到電解加工預通道的（de）整個過程, 電場和流場均（jun1）處於非穩定狀態, 在加工過程的各時刻側麵間隙均在變化, 因此陰極運動軌（guǐ）跡的（de）最終確定還應通過工藝試驗來進一步修改優化（huà）。

      3 . 2 電火花加工關鍵工藝

      電火花加工（gōng）作為帶冠整體葉輪葉（yè）片（piàn）型（xíng）麵的（de）最終加工工序, 除了要求實現葉片型麵的（de）最終成形外, 還（hái）要保證加工的精度要求, 其實現方法（fǎ）要麽采（cǎi）用（yòng）複雜電極沿簡單運動軌跡來加工, 要麽（me）采用簡單電極沿較複雜（zá）的運動軌跡來加工, 因（yīn）而電極及其運動軌跡的設計是電火花加工的關（guān）鍵。根據帶冠（guàn）整體葉輪的結構特征, 並結（jié）合現有試驗設備條件, 采用等截麵電極從葉輪兩（liǎng）側分別進給加工（gōng）左右通道（dào）的方法。加工時, 工件安裝在工作台（tái）上固定不動, 被加工葉片部位母線處於與工作台麵垂直的豎直位置。對於等（děng）截麵（miàn）葉片,可以用一個兩（liǎng）側分別與葉背、葉盆型麵（miàn）“ 平行” 的電極, 通過平動“ 拷貝”來實現葉片型麵的成形, 即: 工具（jù）電極按一定（dìng）軌跡相對工件沿城y 方向平動及繞z 軸（zhóu）轉動, 運動到電極成形麵與工件理論型麵“平（píng）行”的對應位置時, 再向（xiàng）葉盆方向平動, “拷貝”完成葉盆型麵的加工; 然後按原軌跡退回到加工初始（shǐ）位置, 向葉（yè）背一側平動相當於兩（liǎng）葉片的（de）間距, 再以（yǐ）同前的軌（guǐ）跡進給, 平動 “ 拷貝’, 加工出同一葉片的葉背部分。完成（chéng）一個葉片型麵的成形後, 電極按原（yuán）運動軌跡退回, 工件分度定位（wèi）, 再加工下（xià）一個葉片, 如此進行直至全部（bù）葉片加工完（wán）畢。由於通道軸向截麵呈梯（tī）形, 葉根部分的加工狀況最惡劣, 因此設計時以葉根部截（jié）麵作為（wéi）軸向截麵中成形電極設計及其運動軌跡設計的基準麵。

      3. 2. 1 成形電極的設（shè）計

      電極設（shè）計與其運（yùn）動軌跡設計（jì）必須相（xiàng）輔相成（chéng）, 電極的形狀決定著電極運動軌跡, 而運動軌跡又影（yǐng）響電極的形狀設計。因此, 設計電（diàn）極時要兼（jiān）顧運動軌跡, 以簡化運動軌跡為原則。由（yóu）於采用“ 拷貝”成形, 電極成形麵的形狀及尺寸應與葉片最終型（xíng）麵對應, 加工左、右通道的（de）電極應分別設計。考慮到（dào）電（diàn）解（jiě）加工的實際（jì）結（jié）果, 留下的餘量分布不均（jun1）, 為保證葉片型麵的最（zuì）終精度要求, 將左右電極再分別設計為粗加工（gōng）電極和精加工（gōng）電（diàn）極。

      以右（yòu）側通道的粗加工電（diàn）極（jí）設計為例來討論。粗加工（gōng）的目的是采用（yòng）粗規準較快（kuài）速（sù）地去（qù）除大（dà）部分餘量, 以（yǐ）便於葉片型麵的最終精加工成形。粗加工如果完全（quán）采用“拷貝”加工（gōng）,則電（diàn）極兩側麵大致肉相鄰兩葉（yè）片的葉背曲麵和葉盆曲麵平移形成, 如圖（tú）4 所示, 以通道（dào）最窄部位材八不作為左右通道（dào）的分界線（xiàn）, 根據預先（xiān）設定的電火花粗加工間隙吞及精加工間隙街, 將右側通道內的葉盆線（xiàn）和葉（yè）背線上（shàng）各點分別（bié）向通道內側沿y 軸平移一個間隙量△ (△ =△r +△f ) , 得到曲線βr, 作為電極運動的允許範圍; 再將曲線βr向通道內（nèi）側沿y軸適當平移, 即得到用於“ 拷貝”的粗（cū）加工電極主體部分的兩側形狀。由於（yú）葉背部分斜率變化較大, 受電極（jí）運動空間限製, 電極後端易與葉輪右側發生幹涉, 而為避免幹涉將使電極運動軌跡設計過於繁瑣。因（yīn）此（cǐ）, 葉片型麵粗加工不完全采（cǎi）用（yòng）‘拷貝”成形的（de）方法。在電火花加工中, 不（bú）存在電解加工中必須避免阻、陽極短路的情況, 電極運動隻要不破壞葉片型麵即可。於是, 對葉片理（lǐ）論型麵上曲線c 刀段（duàn）不采用（yòng）“拷（kǎo）貝, 式加（jiā）工, 而是通（tōng）過（guò）電極前端靠軌跡展成運動（dòng）蝕除餘量, 因此設計鋤（chú）口工電極時, 可用比（bǐ）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（jí）前端（duān）尺寸以補償電極損耗,如圖4 中所示。

      電極非（fēi）加工部分的設計主要考慮（lǜ）電極裝夾（jiá）、與工（gōng）件定位（wèi）找正的需要以及外部運動空間對（duì）電極尺寸的限製等, 電極高度（dù）等於葉片高度減去上下兩端放電伺隙△ 即可, 設計出的粗加工右電極如（rú）圖5 所示。

      精加工（gōng）電極的設計思路與粗加工基本一致, 不過精加工放（fàng）電間隙改為（wéi）△ =△f; 此外, 由於粗（cū）加工去除了大部分餘量（liàng）, 且剩餘餘量分布比較均勻, 通道變大（dà）, 較有利於電（diàn）極運動, 因（yīn）此葉片型（xíng）麵的精加工完全采用“ 拷貝”成形; 在設計精加工電極時, 應使電極兩側麵分別（bié）由葉背（bèi）曲麵和葉盆曲麵（miàn）平移形成, 這樣可以認（rèn）為電極損耗是“ 麵”損耗,  在加工中適當（dāng）增加進給量（liàng）就能夠補償電極損耗所引起（qǐ）的誤差（chà）。

      3 . 2. 會電極運動軌（guǐ）跡的（de）設計

      電極運動（dòng）軌跡設計按粗、精加工及左右通道分別考慮。電極（jí）運動軌跡的設計, 應能確保（bǎo）成（chéng）形（xíng）電（diàn）極沿所設（shè）計的軌跡準確運動到“拷貝”前的位置。由於“拷貝”前（qián）的位置在（zài）x 軸方向是唯一的, 為確定電極定位的初（chū）始角度(即電（diàn）極加工前的初始位置相對（duì）於, 軸的夾角) , 因此軌跡設計應以電（diàn）極 “拷貝”前在通（tōng）道內的位置作為電極運動軌（guǐ）跡設計的初始位置, 采取由內向（xiàng）外“ 移（yí）出”電極（jí）進行設計的方法(編製電極的實際運動軌跡時, 按（àn）此逆過程進行（háng）).一設計應（yīng）使運動軌跡盡量（liàng）簡（jiǎn）化, 可以根據組成葉背的一曲線段情況、將相應曲線段分別偏移適當距離所得到的曲（qǔ）線作為初始運動軌（guǐ）跡. 然後通（tōng）過在“移出” 電極的過程中可（kě）能產生的幹涉情況來（lái）進一步修正（zhèng）、優化相應軌跡。

      由（yóu）於被加工葉片處於與工作台垂直的豎直位置, 設計基（jī）準為葉根部, 因此在電極沿（yán）一定軌跡進給、平動“ 拷貝”加工出（chū）葉盆型麵（miàn）並沿原軌跡退回（huí）後, 隻（zhī）需沿少軸（zhóu）負方向（xiàng）平移葉間距離△y 後, 按原軌跡進給即可加工出葉背型麵。

      式（shì）中: R , 為葉輪根（gēn）圓直徑, m m ; n 為葉片個數（shù）。

      4 結束（shù）語

      帶冠整體（tǐ）葉輪是現代航空航天技術的發展對葉輪設計和製造提出的新要（yào）求, 帶冠整體葉輪葉片型麵的加工是一個巫待解（jiě）決的課題。經試（shì）驗加工驗證, 采用組合電加工工藝方案, 開展關鍵工藝問題的研究, 能夠較好地解決帶冠整體葉輪的葉片型麵加工（gōng）問題, 有望成為一種有效的加工手段。