沈玉琢 ，李 鵬 ，楊立光 ，蔡延華 ，3

（ 1.沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧沈陽 110021；2.電火花加工技術(shù)北京市重點實驗室，北京100191；3.北京市電加工研究所，北京 100191 ）

透平機械最為核心的工件為葉輪，故透平機械也可被稱為葉輪機械。 葉輪按照數(shù)據(jù)類型可分為二元葉輪和三元葉輪。 就效率而言，三元葉輪的效率遠高于二元葉輪，而閉式整體三元葉輪是在所有的葉輪類型中效率最高的。 因此，閉式整體葉輪在航空航天發(fā)動機、艦艇、核能、采礦、石油化工等領(lǐng)域使用的先進透平機械中得到越來越多的應用[1]。

激冷氣壓縮機主要用于新型煤化工裝置，其工藝復雜、流程長、工作條件惡劣，整個工藝流程涉及十幾種透平壓縮機， 且工作條件及介質(zhì)組分均不同，變工況要求繁多，工作時轉(zhuǎn)速高、功耗大，存在高溫、強腐蝕、重度磨損等需解決的難題。 激冷氣壓縮機的核心部件是閉式整體葉輪，這是所有類型葉輪中結(jié)構(gòu)最復雜的葉輪，其加工可達性差，一直是國內(nèi)外葉輪的加工難題。 本文針對激冷氣壓縮機上的大型閉式整體葉輪的加工難題，分析了制造工藝方法，最終選用電火花成形加工工藝方法，完成國內(nèi)首例直徑為730 mm 的閉式整體葉輪的加工。

1 大型閉式整體葉輪結(jié)構(gòu)特點分析

圖1 是激冷氣壓縮機上的大型閉式整體葉輪三維模型圖。 該葉輪使用工況惡劣，其工作介質(zhì)中含有毒、有害成分的混合氣體和顆粒以及其他多種極強腐蝕性的成分，對葉輪材質(zhì)的耐腐蝕性、耐磨性、致密性等要求較高，因此根據(jù)荷蘭殼牌標準采用了鎳基合金材料， 但該材料的機械加工難度極大，給葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工帶來了難題。

圖1 閉式整體葉輪三維模型圖

1.1 幾何結(jié)構(gòu)特點

為便于觀察葉片和內(nèi)部流道的形狀，將圖1 所示閉式整體葉輪模型的上蓋部分去掉四分之一，得到的新閉式整體葉輪模型見圖2。 新模型幾何結(jié)構(gòu)的主要特點如下：

（1）葉輪幾何尺寸如下：直徑730.5 mm，總高度為（137±0.1） mm，葉片出口長寬尺寸為 149.5 mm×27.1 mm，流道長度為 272 mm、扭轉(zhuǎn)角度為 38°18′，葉片數(shù)量為15 個。

（2）葉片型面為空間不規(guī)則形狀，葉片在周向、徑向、軸向均有較大程度扭曲，葉片上、下緣由輪盤和輪蓋封閉，兩相鄰葉片之間在空間形成上下封閉且狹長的空間流道。

（3）葉片較薄且厚度僅有3.5 mm，葉片與頂徑、底徑之間由R2倒圓和一斜長邊過渡形成連接，具體見圖3 和圖4。

（4）進氣口近似沿軸向和徑向開放，其形狀呈復雜、空間扭曲的“S”狀，且進氣口軸向較寬、周向較窄；出氣口近似沿徑向開放，其形狀相對較規(guī)則，徑向投影近似梯形，且出氣口軸向較窄、周向較寬。

1.2 制造工藝難點

激冷氣壓縮機的工作條件惡劣，其工作介質(zhì)中含有毒、有害成分的混合氣體和顆粒。 該閉式整體葉輪材料選用GH4169 高溫合金， 針對該類難加工材料及其結(jié)構(gòu)特點，在加工葉輪流道時主要考慮存在以下難點[2]：

（1）由于流道型腔是空間三維結(jié)構(gòu)，在設(shè)計工具電極型面及其運動軌跡時， 需考慮干涉過切問題，該狹長結(jié)構(gòu)流道比一般的三維型腔復雜得多。

（2）葉間流道長，只有兩端開口且扭曲程度大，由于受到進、 出口形狀及其尺寸和扭曲變化的限制，刀具的可達性極差，再加上材料為難加工材料，刀具磨損大、機加工特性差，即使采用多軸聯(lián)動電火花成形加工，若想用一個成形工具電極或者兩個成形工具電極對接，都無法完成加工，因此需設(shè)計多個工具電極和對應的多組數(shù)控運動。

圖2 去掉1/4 部分上蓋的閉式整體葉輪模型

圖3 葉片厚度僅有3.5 mm

圖4 葉片與頂徑、底徑的連接形式

（3）在設(shè)計每個工具電極的型面及其運動軌跡時，還必須注意基準的統(tǒng)一以及注意消除因?qū)佣a(chǎn)生的接痕等問題，而且在所有加工工序中，如基準球設(shè)定、工具電極基準面設(shè)定、流道相對葉輪的位置等基準必須互相協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2 閉式整體葉輪加工工藝

目前， 閉式整體葉輪加工方法主要有三種：五坐標加工中心整體加工工藝方法、輪盤和輪蓋組合“三大件焊接”或“兩大件焊接”加工工藝方法、整體電火花成形加工工藝方法。

2.1 五坐標加工中心整體加工工藝方法

如圖5 所示，五坐標加工中心的整體銑制工藝方法適合氣體流道較寬的閉式整體葉輪，加工時刀具能加工到葉輪的所有部位，無加工死角；同時，整體銑制的閉式整體葉輪在材料選擇方面特別敏感，極難加工GH4169 材料， 對此國內(nèi)外也還沒有成熟的加工方案。

圖5 整體銑制加工實物圖

另外， 整體銑制閉式整體葉輪加工的周期較長、工藝復雜且對于葉輪出口寬度較小的閉式整體葉輪還無法實現(xiàn)加工制造。

2.2 “三大件焊接”或“兩大件焊接”加工

制造閉式整體葉輪的另一種加工工藝方法就是“三大件焊接法”或“兩大件焊接法”[3]。 但對于大直徑、出口寬度較小、狹長流道的閉式整體葉輪，這兩種工藝方法都存在焊接可達性極差的問題。

圖6 是采用“兩大件焊接法”制作的閉式整體葉輪實例。 第一步，采用數(shù)控車床加工出符合要求的輪蓋型線（圖7），采用五坐標加工中心五軸聯(lián)動加工出符合要求的輪盤及葉間流道（圖8），且葉片型線需與輪蓋型線配合良好；第二步，將輪盤和輪蓋按加工基準組合在一起焊接，保證葉輪的出口和入口高度；第三步，焊接后消除應力，防止葉輪由于焊接熱量而產(chǎn)生變形；第四步，修磨、光順焊腳，保證閉式整體葉輪的加工圓角和表面質(zhì)量； 第五步，檢查焊縫，不得有開裂、兩流道之間漏氣現(xiàn)象。

圖6 焊接法制作閉式整體葉輪的照片

圖7 閉式葉輪的輪蓋圖

2.3 整體電火花成形加工

圖8 閉式葉輪的輪盤圖

五軸聯(lián)動電火花成形加工工藝方法是目前國際上公認的制作難加工材料、大直徑、出口寬度較小、流道狹長、扭曲度大的閉式整體葉輪最有效的方法。 特別是飛速發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)，很好地解決了數(shù)字化建模、工具電極設(shè)計與加工過程模擬仿真等技術(shù)難題。 在閉式整體葉輪整個設(shè)計和工藝制作流程中，充分利用數(shù)字化技術(shù)，采用統(tǒng)一的工藝基準和數(shù)據(jù)傳遞， 在UG、SolidWorks 軟件平臺上通過二次開發(fā)，大幅度提高了工藝設(shè)計效率、減少了試驗工作量[4]。

3 大型閉式整體葉輪的電火花成形加工

下面以前述直徑為730.5 mm 的大型閉式整體葉輪為例，簡述電火花成形加工實現(xiàn)過程。

3.1 加工條件

采用N1880 型五軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形機床進行加工，分別以紫銅和石墨作為工具電極材料， 以LP-200 數(shù)控電火花加工專用煤油作為工作液，部分電火花加工參數(shù)見表1。

表1 部分電火花加工參數(shù)

3.2 加工實施

（1）三元閉式葉輪流道粗加工。 該工序主要目標盡量減少加工時間，去除閉式整體三元葉輪粗加工余量。 一般情況下，在流道出口和流道進口各采用一個工具電極來完成加工， 工具電極材料為紫銅，可采用往復走絲電火花線切割或機加工制作。

（2）三元閉式葉輪半精加工。 該工序主要目的是使閉式三元葉輪形成葉輪輪廓，為精加工留出加工余量（一般為0.3～0.5 mm），為此在三元葉輪流道進口設(shè)計了左、右兩個工具電極（圖9），在流道出口設(shè)計了一個類似鐮刀狀的工具電極（圖10）。

圖10 半精加工的工具電極

（3）三元閉式葉輪精加工。 該工序的主要目標是完成整體閉式三元葉輪葉片 （葉輪入口圓頭、葉輪出口圓頭、壓力面和吸力面）的加工，以保證整體閉式三元葉輪出口高度等尺寸精度、位置精度及表面粗糙度的要求。。

工具電極材料為石墨時，需采用專用的石墨加工機床進行制作。 其中，圖10 所示鐮刀狀工具電極的制作較難，其長度339.6 mm、寬度169.1 mm、厚度約11.3～23.1 mm， 外形扁長且厚度呈曲線變化，在制作過程中要充分考慮切削力和材料內(nèi)應力引起的變形，以保證工具電極的制作精度。

再者，電火花成形加工需解決三個難題：一是鐮刀狀工具電極的長厚比為339.6/11.3≈30.1，只要電火花加工中的深徑比≥10 就屬于深孔加工，此時蝕除速度與排屑速度之間的矛盾會更加突出；二是由于葉輪直徑大， 只能安裝于機床的X、Y 平面，鐮刀狀工具電極也只能在X、Y 平面安裝，故在加工出口時就需沿X、Y 平面進行側(cè)向伺服加工，而通常Z軸垂直伺服加工優(yōu)于X、Y 軸側(cè)向伺服加工，尤其是在使用這種鐮刀狀扁長工具電極時；三是鐮刀狀工具電極扁長、端頭厚，最易產(chǎn)生低頭變形現(xiàn)象，這就需要通過工具電極的找正和在線檢測功能進行補償，以達到葉間流道的加工精度。

3.3 加工結(jié)果

完成精加工后， 本研究對葉輪流道尺寸精度、位置精度和表面粗糙度進行了檢測。

（1）葉輪流道尺寸精度、位置精度檢測

檢測項目包括：底徑外圓、底徑內(nèi)圓、葉背外圓、葉盆外圓、葉盆內(nèi)圓、頂徑外圓、頂徑內(nèi)圓。 檢測方法是：利用數(shù)控機床在線檢測功能和標準計量球?qū)γ總€流道進行檢測； 為真實反映流道加工精度、減少檢測誤差，針對每一檢測項目選取2～5 個位置進行檢測。 結(jié)果顯示，流道形狀誤差在±0.10 mm 之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

（2）表面粗糙度和表面質(zhì)量檢測

表面粗糙度采用比對法進行檢測，結(jié)果可達到Ra3.2 μm；表面質(zhì)量采用目測法檢測，可見表面有輕微電極接痕，尺寸在0.05 mm 以內(nèi)，效果較理想。

4 結(jié)束語

本文針對閉式整體葉輪制造的技術(shù)難題，分析對比了五坐標加工中心整體加工工藝方法、輪盤和輪蓋組合“三大件焊接”或“兩大件焊接”加工工藝方法、整體電火花成形加工工藝方法，研究并實現(xiàn)了五軸數(shù)控電火花成形加工技術(shù)工藝方法，對其中的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)控電火花加工工具電極設(shè)計與制作、在線檢測等進行了研究和工藝試驗，成功完成國內(nèi)首例直徑大于700 mm 的大型閉式整體葉輪的制造。 此前，該葉輪無法通過數(shù)控銑制整體制作。研究表明，以數(shù)控電火花成形加工為核心的數(shù)字化制造技術(shù)，能優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、快速響應地解決結(jié)構(gòu)復雜、扭曲程度大的二元或三元流道閉式葉輪整體制造技術(shù)難題，對石油、化工、煤化工、采礦、核能及新型航空航天發(fā)動機等工業(yè)用大型動力裝置的研制及生產(chǎn)具有積極促進作用和重要應用前景。