1 帶冠整體葉輪的優點

      帶冠整體葉輪是（shì）一種在葉片外圍增加了（le）環形冠, 即將所有葉尖連在冠上的整體葉輪, 是為了（le）更好地滿足現代航空航天事業的發展對發動機不斷提出的（de）高性能要求而出現（xiàn）的一種（zhǒng）新型葉輪結構。與（yǔ）不帶冠的整體葉輪相比（bǐ）, 帶冠整體葉輪具有傳動效率很高、重量輕、結構緊（jǐn）湊和結構強度大等顯著優點, 能夠更好地滿足（zú）增加發動機壽命, 提高發動（dòng）機效率、工作節速和使用可靠性的要（yào）求（qiú）, 代表了未來飛行器、航天器發動機葉輪結構（gòu）設計的發展方向。

      2 組（zǔ）合電抓（zhuā）工工藝方案的提出（chū）

      正是由（yóu）於（yú）帶冠整體（tǐ）葉（yè）輪結構上“冠” 的存在, 使整體葉輪的葉片間流體通（tōng）道由徑向敞開變為封閉, 加上葉阿通道（dào）狹窄、葉片型麵複雜、加工精度要求很高, 帶（dài）冠整體葉（yè）輪又工作在高溫、高壓、高轉速條（tiáo）件下, 多采用不（bú）鏽鋼、高溫耐熱合（hé）金或欽合金等難切削材料製作等特點（diǎn）, 使得帶冠整體葉輪的製造特別是葉片型麵成（chéng）形非常困難, 葉片型（xíng）麵既無法用電解套料成形, 也不能采（cǎi）用數控銑削加工: 目前世界各國采用電（diàn）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（jí）損耗、因此（cǐ）不得不依靠投（tóu）人大量設備、批量製造電（diàn）極, 通過頻繁更換電（diàn）極來補償（cháng）因電極損耗所帶（dài）來的精度問題, 加工成本高。這使得帶冠整體（tǐ）葉輪的加工成為航空航天（tiān）製造技禾領（lǐng）域函待解決的關鍵難題之一。

      突破此項關鍵技術, 對（duì）於我國未來（lái）新型號大推重（chóng）比（bǐ）、高性能發動機的（de）研製, 進一步提升製造能力以及為更多民用設（shè）施提供先進的燃機（jī）, 都具有十分重大（dà）的意義。南京航（háng）空航天大學特種（zhǒng）加工研究所在試驗研究的基礎上, 充分利（lì）用電解加工效率高和電火花成形適於加工複雜形狀零件的優點, 提（tí）出了采用電解加工和電火花加工組合工（gōng）藝（yì）的（de）方案（àn）難隊先由電解加工（gōng）去除葉間大部分材（cái）料, 並留（liú）下二定的餘量: 加工（gōng）出預通道, 然後在輔（fǔ）似（sì）抽液的情況下進（jìn）行葉（yè）片型麵電火花成形加工。這（zhè）樣, 既提高了加工（gōng）效（xiào）率（lǜ）、大大減少了（le）電極拘耗（hào）、降低了生產費用, 又有利於保證葉片型麵的（de）最終加工精度（dù）。似圖1所（suǒ）示等截麵葉片（piàn）帶冠整體葉輪葉片型麵的加工為例, 結合試驗（yàn）, 對組合電加（jiā）工的關鍵工藝進行了研（yán）究。

      3 組合電加工關鍵工藝的研究

      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（háng）天大學自主研製（zhì）的五坐標數控電解加工機床（chuáng）上進（jìn）行（háng）; 葉片型麵的最終成（chéng）形在瑞士夏米爾公司生產的四軸聯動電火花機床上完（wán）成。

      3. 1 電解加工關鍵工藝

      數控展成電解加工帶冠整體葉輪葉間預（yù）通道時, 在計算機數控指令的（de）控製下, 陰極按預定運動軌跡相對工（gōng）件作沿x 、y 方向的平動和繞（rào）z 軸（zhóu）的（de）轉動, 展成加工出葉間通道。葉間通道形狀取決於陰極運動產生間隙形成的包絡麵, 因此陰極設計及其運動軌跡的確定是電解加工的關（guān）鍵。

      3. 1. 1 陰極設計

      陰極設（shè）計主要包括陰極形狀、結構設計、陰極（jí）主體尺寸設計及其材料選擇等。陰極設計的基本出發點是: 確保設計出的（de）陰極按預定運動軌跡（jì）相（xiàng）對工件由加工初始（shǐ）位置運動到終止位置的過程中, 在保證與葉片最（zuì）終型（xíng）麵不發生幹涉和（hé）腐蝕過切的前提下, 去除盡量多（duō）的材料（liào）, 並使留下的通道兩側餘量（liàng）盡可（kě）能均勻— 以便於後續（xù）電火花加工的進行, 同時使陰極製造簡單（dān）方便。

      由於陰極是在葉間通道內沿預定運動軌跡（jì）做展成運動, 因此陰極外形（xíng）主（zhǔ）要取決於葉間通道的幾何特征, 應與通道（dào）的最終（zhōng）(理論)形（xíng）狀大（dà）體相似, 如圖2 所示, Za 為在垂直葉輪徑向的截麵上, 陰極的側（cè）麵形狀近似於通（tōng）道的形狀; 2b為在垂直葉輪軸向的截麵上, 陰極的端麵形狀相（xiàng）似（sì）於通道的形狀, 為梯形。帶冠整體葉輪的葉（yè）間通道特征決定了陰極結構（gòu）采用內噴式電解液供給方式設計; 為避免發生運動幹涉現象, 葉間預通道的加工需從葉（yè）輪兩側分別進給, 實現對接, 如圖2a 所示（shì）; 同時為（wéi）方便陰極的製作, 應使加工葉（yè）輪兩側的陰極形狀盡可能相同, 即采用形（xíng）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（cùn）決定, 而葉間通道的（de）尺寸則（zé）根據葉輪的型麵原（yuán）始數據（jù）求得。葉（yè）輪型麵原始數據是在圖1 所示的R 一風展開麵上分別給出的（de）同一葉片的葉盆（pén）線和（hé）葉背線的型值點數據, 因此需通過坐標旋轉變換, 轉換成同（tóng）一（yī）通（tōng）道兩側型線的（de）數據。根據預設的電解加工側麵間（jiān）隙△E 及電火花加工間隙△D , 確定預通道加工中陰極運動的允許範圍, 初步設計出陰極的（de）側麵輪廓尺寸（cùn）, 如圖Za 所示, 刀為葉片理論型線, 兒為（wéi）電（diàn）火花加工前、的理論輪廓線, 夕二為陰極運動允許的邊界線。以通道（dào）中心作為初始運動軌跡, 對陰極運動形成的（de）包絡麵與其允許範圍進行仿真校核, 並根據結果對加工運動軌跡及（jí）陰極（jí）尺寸做適當的修改, 使陰（yīn）極運動形成的包絡麵在其允許範圍內並最靠近邊界線兒, 同時考慮（lǜ）使陰（yīn）極形（xíng）狀簡單(為此, 應盡可能以修改陰極運動（dòng）軌跡為主) , 從而確定出陰極的側麵輪廓尺寸。陰極（jí）梯形端麵尺寸（cùn）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從材料的（de）導電性、剛性、耐（nài）腐蝕性、抗火（huǒ）花能力以及可（kě）加工性等方麵考慮, 采用（yòng）不鏽鋼或銅（tóng）鎢合金（jīn）為宜。

      3. 1. 2 陰極運動軌跡的確定

      陰極運動（dòng）軌跡的確定是一個不（bú）斷修改、優化的過（guò）程, 首先以通道中（zhōng）心作為陰極運動（dòng）軌跡, 然後根據陰極運動的仿真結果進行修改。考慮到電（diàn）解加工預（yù）通道的整個過程, 電場和流場均處於非穩（wěn）定（dìng）狀態, 在加（jiā）工過程的各時刻側麵間隙均在變化, 因此陰極運動軌跡的最終確定還應通過工藝（yì）試驗來進一（yī）步修改優化。

      3 . 2 電火花加工關鍵工藝

      電火花加工作為帶冠整體葉輪葉片型麵的最終（zhōng）加工工序, 除了要求實現葉片（piàn）型（xíng）麵的最終成形外, 還要保證加工的精度要求, 其實現方法要麽采用複雜電極沿簡單運動（dòng）軌跡來（lái）加工, 要麽采用簡單（dān）電極沿較複雜的（de）運動軌跡來加工, 因而電極及其運動軌跡的設計（jì）是電火花加工的關鍵。根據帶冠整體葉輪的結構特征, 並結合（hé）現（xiàn）有試驗設備條件, 采用等截麵電極從葉輪兩側分別進給加工左（zuǒ）右通道的方法。加工時, 工件安裝在工作台上固定不動, 被加工葉（yè）片部位母線處於與工作台麵垂直的豎直位置。對於等截麵葉片,可以用一個（gè）兩側分（fèn）別與葉背、葉盆型麵“ 平行” 的（de）電（diàn）極, 通過平（píng）動“ 拷貝”來實現葉片型麵的成形, 即: 工具電極（jí）按一定軌跡相對工件沿城（chéng）y 方向平動及繞z 軸（zhóu）轉動, 運動到電極成形麵與工件（jiàn）理論型麵（miàn）“平行”的對應位置時, 再向葉盆方向平動, “拷貝”完成（chéng）葉盆型麵的加工; 然（rán）後按原軌跡（jì）退回到加工初始位置, 向葉背一（yī）側平動相當於兩葉片的間距, 再以同前的軌跡進給, 平動 “ 拷貝’, 加工出同一葉片的葉背部分。完成一個葉片型麵（miàn）的成形後, 電極按原運動軌（guǐ）跡退回, 工（gōng）件分度定位, 再加工下一個葉片, 如此進行直至全部葉片加工完（wán）畢。由於通道（dào）軸向截麵呈（chéng）梯形, 葉根部分的加工狀況最惡劣, 因（yīn）此設計時以葉根（gēn）部截麵作為軸向截麵中成形電極設計及（jí）其運動軌跡設計的基準麵。

      3. 2. 1 成（chéng）形電極的設計

      電極設計與其運動（dòng）軌跡設（shè）計必須相（xiàng）輔相成, 電極（jí）的（de）形狀決（jué）定著電極運動軌跡, 而運動軌跡又影響電極的（de）形狀設計。因此, 設計電極時要兼顧運動軌跡, 以簡（jiǎn）化運動軌跡為原則。由於（yú）采用（yòng）“ 拷貝”成形, 電極成形麵的形狀及尺寸應與葉片最終（zhōng）型麵對應, 加工左、右通道的電極應分別設計。考慮到電解加工（gōng）的實際結果, 留下的餘量（liàng）分布不均（jun1）, 為保證葉片型麵的最終精度要求, 將左右（yòu）電極再分別設計為粗加工電極和精加工電極（jí）。

      以右側通（tōng）道（dào）的粗加工（gōng）電極設計為（wéi）例（lì）來討論。粗加（jiā）工的目的是采用粗規準較快速地去除大部分餘量, 以便於葉片型麵的最終精加（jiā）工成形。粗加工如果完全采用（yòng）“拷（kǎo）貝”加工,則電極兩側麵大致肉相鄰（lín）兩葉片的葉背曲麵（miàn）和葉盆曲（qǔ）麵平（píng）移形成, 如（rú）圖4 所示, 以通道最窄部位材八不作（zuò）為左（zuǒ）右通道的（de）分界線, 根（gēn）據預先設定的電火花粗（cū）加（jiā）工間隙吞及精加工間隙街（jiē）, 將右側通道內的葉盆線和葉背線上各點分別（bié）向（xiàng）通道內側沿y 軸平移一個間隙（xì）量△ (△ =△r +△f ) , 得到曲線βr, 作為電極運動的允許（xǔ）範圍; 再（zài）將曲線βr向通道內側沿y軸適當（dāng）平移, 即得到用於“ 拷貝”的（de）粗加工電極主體部分的兩側形狀。由於葉背部（bù）分斜率變化較大（dà）, 受電極運動空間限製, 電極後端易（yì）與葉輪右側發生幹涉, 而為避（bì）免幹涉將（jiāng）使電極運動（dòng）軌跡設計過於繁瑣。因此, 葉片型麵粗加（jiā）工不完全采用‘拷貝”成形的方法。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, 對葉片理論型麵上曲線c 刀（dāo）段不采用“拷（kǎo）貝（bèi）, 式加（jiā）工, 而是通過（guò）電極前端靠軌跡展成運動蝕除餘量, 因此（cǐ）設計鋤口工電（diàn）極時（shí）, 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（shì）當地加長電極前端尺寸以補償電極損耗,如（rú）圖4 中所示。

      電極非加工部分的設計主要考慮電極（jí）裝夾、與工件定位找正的（de）需要（yào）以及外部運動空間對電極尺寸的限製（zhì）等, 電極（jí）高（gāo）度等於葉（yè）片高度減去上下（xià）兩端放電伺隙△ 即可, 設計出的粗加工右電極如圖5 所示（shì）。

      精加工電極（jí）的設計思路與粗加工基本一致, 不過精加工放電間隙改（gǎi）為△ =△f; 此外, 由於粗加（jiā）工去除了大（dà）部分餘量, 且（qiě）剩餘餘量分布比較均勻, 通（tōng）道變大, 較有利於電極運動, 因此葉片型麵的精加工完全（quán）采用“ 拷貝”成形; 在設計精加工電極時, 應使電極（jí）兩側麵分（fèn）別由葉背曲麵和葉盆曲麵平移形成, 這樣可以認為電極損耗是“ 麵”損耗（hào）,  在加工（gōng）中適當增加進給量就（jiù）能夠補償電極損耗所引起的（de）誤差。

      3 . 2. 會電極運動軌跡的設（shè）計

      電極運動軌跡設計按粗、精加工及左右通道（dào）分別考慮。電極運動軌（guǐ）跡的設計, 應能確保（bǎo）成形電極沿所設計的軌跡準確（què）運（yùn）動（dòng）到“拷貝”前的位置。由於“拷貝”前的位置在x 軸方向是唯一（yī）的, 為確定電極定位的初（chū）始角度(即電極加工前的初始位置相對（duì）於, 軸的夾角) , 因此軌跡設計應（yīng）以（yǐ）電極 “拷（kǎo）貝”前在通道（dào）內的位置作為（wéi）電極運動軌跡設計的初始（shǐ）位置, 采取（qǔ）由內向外“ 移出”電極進（jìn）行設計的方法(編製電極的實際運動軌跡時, 按（àn）此（cǐ）逆過程進行).一設計應使運動軌（guǐ）跡（jì）盡量簡化, 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（lí）所得到的曲線（xiàn）作（zuò）為初始運動軌跡. 然後通過在“移出” 電（diàn）極的過程中可（kě）能產生的（de）幹涉情況來進一步修正、優（yōu）化相（xiàng）應軌（guǐ）跡。

      由於被加工葉片處於與工作台垂（chuí）直的（de）豎直位置, 設計基準為葉根部, 因此在電極沿一定軌跡進給、平（píng）動“ 拷貝”加工出（chū）葉盆型麵並沿原（yuán）軌跡退回後, 隻需沿少軸負（fù）方向平移葉間距離△y 後, 按原軌跡進給即（jí）可加工出葉背型麵。

      式中: R , 為葉輪根圓直徑（jìng）, m m ; n 為葉（yè）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對葉輪設計（jì）和製造提出的新要（yào）求, 帶（dài）冠（guàn）整體葉輪葉片型麵的加工是一個（gè）巫（wū）待解決的（de）課題。經試驗加工驗證, 采用組合電加工（gōng）工藝方案, 開（kāi）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問題, 有望成為一種有效的加工手段。