整体叶轮的数控电解加工及其在航天制造中的应用前景

整体叶轮的数控电解加工及其在航天制造中的应用前景

徐家文　　朱永伟　　胡平旺　　云乃彰　　严德荣

(南京航空航天大学,南京　210016)

文　摘　综述了整体叶轮的主要加工方法及其比较,(可以综合发

挥数控技术和电解加工两者的技术优点)进行了论述,、精密要意义和广阔的应用前景。

关键词　整体叶轮,数控,CElectrochemicalMachiningoftheIntegrated

ImandItsApplicationinFutureAerospaceManufacturing

XuJiawen　　ZhuYongwei　　HuPingwang　　YunNaizhang　　YanDerong

(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing　210016)

Abstract　Mainmethodstomachinetheintegratedimpellers,andcomparisonamongthosemethodsaresumma2rized.Importantmeritsandapplicationofnumericallycontrolledelectrochemicalmachining(NC2ECM)oftheintegratedimpellersarediscussed,wichsynthesizedadvantagesofboththeNCtechniqueandtheECMtechnology.TheNC2ECMisattractiveinmanufacturingofmodernaerospaceengines,suchastheintegraltedimpellers,especiallyinsolvethosediffi2cultmachiningproblemsthatcouldnotbesolvedbynumericallycontrolledmillingorprecision2coinmethods.

Keywords　Integratedimpeller,Numericallycontrolled,Electrochemicalmachining,Aerospacemanufacturing1　概述

整体叶轮将叶片和轮盘构成一个整体,而不是

通常叶片与轮盘的机械连接,使零件数、构件体积和质量均有减少,同时还可以消除传统叶片、轮盘连接之间的气流逸流损失,避免叶片、轮盘机械连接之间的微动磨损、微观裂纹以及机械连接件的意外损坏等,从而使发动机工作效率、推重比、工作寿命和安全可靠性大大提高。在新型火箭发动机中,采用带冠整体叶轮还可以大大减小传统叶轮部件结构中叶尖与叶轮外环之间的逸流损失,叶轮效率由传统结

收稿日期:2002-11-17

构的50%提高到70%。由于上述突出优点,整体叶轮、带冠整体叶轮在先进、高推重比航空发动机及新型大推力火箭发动机中得到越来越多的应用[1～8]。如美国国防部于1988年开展的高性能叶轮发动机技术(IHPTET)计划中提出:到2020年,战斗机上发动机的叶轮都将采用整体叶轮结构[1～3],俄罗斯在新型、大推力火箭发动机上更特别重视采用带冠整体叶轮结构[3,7,8]。由于整体叶轮的复杂几何结构及材料难切削,使得其加工又成为世界级的技术难题。各国专家们已经研究了近20年以求满意解决,

徐家文,1941年出生,博士生导师,主要从事特种加工新技术的教学科研工作

宇航材料工艺　2003年　第1期—13—

努力寻求优质、高效、低成本的加工方法,其中整体叶轮的数控电解加工技术显示了诱人的前景。本文就整体叶轮数控电解加工的技术特点及应用价值进行综合论述。2　整体叶轮的主要加工方法

整体叶轮上叶片数量多(从十几片到百余片),造型复杂,多为变截面扭曲叶片;有的叶片之间通道狭窄,还有的叶盘外周带冠(如带冠整体叶轮及整体叶环),使得叶片型面加工的可达性很差。整体叶轮作为航空、航天发动机的动力部件,多采用高强材料,如高温耐热合金、钛合金、NiAl、TiAl等合金,其机械切削性能很差。难加工,成为整体叶轮加工中的关键五坐标数控铣削、已经得到较多的应用并继续发挥其作用。此外电子

束焊接“、锻接法”、线性摩擦焊接,也是制造大型整体叶轮(整体叶盘)的高新技术,正在进行研究,仅在部分试验机中得到应用。电解加工方法在等截面叶片整体叶轮的加工中已得到成功应用[3,9,10];而特种加工(如电解加工、电火花加工与数控技术相结合[9～14]),如数控展成电解加工、精密数控电火花加工,为解决数控铣、;,因每种方法都、技术特1。

1　整体叶轮的加工方法及其比较

Themethodstomachineintegratedimpellersandthecomparisonbetweenthem

加工方法

特点

生产效率高、精度可满足要求,采

精密铸造

取某些特殊措施,如定向结晶,

能得到更好的质量

局限性

生产过程复杂,技术难度大,废品率高,只适用于可铸合金

当前应用情况

仅少数发达国家掌握该项技术,我国也开始应用于制造整体叶轮

由于刀具磨损造成加工误差,虽可采

加工柔性好,可加工各种复杂形状,取编程补偿,但难以掌握磨损规律;

数控铣削

生产准备周期短,在可切削材料的

加工中应用满意

对难切削材料、小通道叶轮加工受刀具刚性限制则很难加工;对薄壁件加工容易产生变形

生产率高,表面质量好,阴极无

电解套料

损耗,可加工任何难切削材料;

加工中无机械切削力,可加工薄壁件,无变形

一种叶轮加工对应一种仿型夹具,

机械靠模仿型电解/电解磨削

可加工变截面扭曲叶片整体叶轮,其余特点同电解加工

故设计、制造、调整的工作量大,并且对工人的技术水平要求高,无加工柔性,生产准备工作量大

可加工各种难切削金属材料的复杂构

数控展成电解件、薄壁件;加工柔性好且工具阴极无

/电解磨削

发达国家多采用五坐标数控铣削加工整体叶轮,我国也开始应用。但高精度机床、数控系统、五轴联动编程、刀具等

关键问题还有待进一步研究

只能加工等截面叶片整体叶轮,不能加工变截面扭曲叶片整体叶轮

英、美、俄罗斯等国家都有很好的应用,我国已熟练掌握全套工艺,

已经达到国际先进水平

我国已成功地应用于加工变截面扭曲叶片整体叶轮,加工速度快,加工精度

可满足生产要求“;靠模”硬件急需改变为“数控”软件

需要多轴数控电解加工机床及相应控制系统,数控技术水平要求高,需要掌握数控展成电解加工的成形规律由于电极损耗影响成形精度,故需经常更换电极或采取其他措施,使得加工成本提高、加工速度很慢

英、美、俄等国家用于加工带冠整体叶轮,我国也开始掌握这项技术。该技术与柔性电解结合,可望大大提高加工效率刚开始应用。可望解决以数控铣削、精密铸造难加工或不能加工的难题

损耗,综合发挥数控技术及电解加工两者的技术优点,增强了可加工能力基本特点同数控电解加工,而且加工精度及加工稳定性更高,但加工速度很慢,机床还需要进口

数控电火花成形加工

—14—宇航材料工艺　2003年　第1期

3　整体叶轮的数控电解加工方法3.2.1　美国GE公司的五轴数控电解加工

对于数控铣削、精密铸造方法难加工或者不能加工(如带冠整体叶轮)的难题,特种加工方法则显示其突出的优越性。其中,电解加工与数控技术相结合[1～3,9～15]的数控电解加工,作为数控铣削、精密铸造的必要补充,可以发挥其独特的作用。3.1　数控电解加工整体叶轮的技术特点及应用价

美国GE公司在电解加工先进航空发动机的大直径整体叶轮(整体叶盘)时,采用了以成型或近成型阴极进行多坐标数控送进运动的加工方式。据文献[1,2]介绍,GE公司于20世纪70年代末,采用五坐标数控铣床加工T700航空发动机的整体叶盘;而在1985年,与LehrPrecisionInc解加工方法,用以加工T700叶盘“先进战术战

()YF120发动机的钛,F414发动机的整体(圆盘坯料开出叶间槽)、半精加工和精加工均采用电解加工,加工后不必再进行手工抛光,加工出的叶型厚度公差±0.10mm,型面公差±0.10mm。

3.2.2　英国R.R公司的数控电解加工

值

整体叶轮的数控电解加工,综合了计算机数控与电解加工两者的技术特点。既具有电解加工的优点:工具阴极无损耗,无宏观切削力,难切削材料和长、;工效率高,表面质量好;,工的优点:投产周期短,、小批量、多品种,;这些优点又为一般电解加工所不及。因此,它特别能解决以数控铣、精密铸造难加工或不能加工的难题:如加工小直径、多叶片(几十片、百余片)、小叶间通道(1.5mm～3mm)、难切削材料制成的变截面扭曲叶

英国R.R公司采用数控电解方法加工难切削材料制成的复杂形状的薄壁整体机匣。在数控电解加工机床上,采用若干种成型阴极,分步加工机匣上呈空间分布的型孔、型腔、突台、成形沟槽等,取得显著的技术经济效果,比机械切削提高工效5～10倍,表面质量好,无残余应力及变形。整体机匣数控电解加工同叶片电解加工一起,构成了R.R公司的十大工艺技术秘密之一[5],该项技术对于加工整体叶轮也很有参考价值。

3.2.3　美国、俄罗斯仿型电加工带冠整体叶轮

片整体叶轮,还能加工以数控铣无法加工的带冠整体叶轮,对这两类叶轮的加工特别显示了该新型加工技术的工艺特点。研究及应用表明[1～3,9,15],采用数控电解加工整体叶轮,比五坐标数控铣具有下列优点:(1)工时可减少50%以上;(2)可以加工任何高强、高硬难切削金属材料;(3)不会产生残余应力和变形。该项技术不仅增强了可加工能力,同时还由于其技术的先进性,即具有数控技术的优点,加工过程由计算机控制,消除了人为因素的干扰,能更好地保证加工精度和加工质量,提高加工的稳定性;还可极大地减少生产准备时间,降低劳动强度,提高产品制造的快速响应能力,加快新品研制速度。该项技术是优质、高效、低成本、快速响应地解决整体叶轮加工难题的一条新途径。3.2　国外数控电解加工技术

带冠整体叶轮是新型大推力火箭发动机上重大改进的结构件。美国已经采用精密数控电火花、俄罗斯则采用机械仿型电火花与电解加工的组合加工带冠的整体叶轮[3,7,8],电解加工既可以提高加工速度,又可以去除电火花加工后的表面变质层,提高表面质量。俄罗斯在新型火箭发动机带冠整体叶轮的研制中电火花—电解加工的组合发挥了重要作用。3.3　国内数控电解加工整体叶轮的研究及应用情

况

国内以南京航空航天大学为代表,从20世纪80年代中期就开始研究数控展成电解加工技术,至今已经取得了某些在电解加工领域处于国际领先水平的研究成果[15]。

—15

—

美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究,并已在新型发动机的制造中得到应用,以下就其有代表性的、具有国际先进水平的研究成果作一简介。

宇航材料工艺　2003年　第1期

3.3.1　“直线刃”阴极数控展成电解加工

“直线刃”阴极数控展成电解加工(图1),类似于数控铣,以简单的“直线刃”阴极进行数控展成运动,基于电化学阳极溶解原理而实现整体叶轮叶间槽(图2)以及叶片型面的加工(图3)。已经为改型航空发动机加工了整体导风轮并装机使用[图4(a)],主要型面精度达到0.2mm;还试验加工了小型叶轮样件[图4(b)],主要型面精度达到0.15mm;加工表面粗糙度1.6μm。后续精加工采用手工抛光或数控电解磨削(图3)。目前“,直线刃”阴极数控展成电解加工还只限于加工可展直纹曲面,非可展直纹面的加工

,正在研究中。

(a

)　Φ190mm

(b)　Φ120mm

图4　电解加工的叶轮

Fig.4　ImpellermachinedbyNC2electrochemicalcontour

evolutionmachining

3.3.2　成形或近成形阴极柔性电解加工

图1　数控展成电解加工系统

Fig.1　NC2electrochemical

contour

evolutionmachiningsystem

成形或近成形阴极柔性电解加工,是南京航空

航天大学正在研究的加工非可展直纹面的一种新方法,采用成形或近成形阴极相对零件作数控仿型运动(图5),可以解决诸如带冠整体叶轮(图6)的加工难题,正在与工厂合作进行预加工带冠整体叶轮叶间槽的工艺试验研究[图5(b)],为后续精密数控电火花加工减少工时约20%～30%;进一步改进,采取精密加工措施,可以使余量减少且分布更均匀,预计可减少工时50%,型面加工精度也可以更高。由于带冠整体叶轮使工作效率和可靠性都大大提高,

图2　双直线刃阴极加工叶间槽

Fig.2　Illustrationofmachiningimpellerbaldeusingatool2cathodewith

twoline2edges

已经成为新型大推力火箭发动机的重要改进设计部

件,而柔性电解与数控电火花组合加工也将成为精密、

高效、低成本加工带冠叶轮这类整体构件的优选工艺方法,在航天制造中具有重要应用前景。

图3　电解磨精加工叶片型面

Fig.3　Electrochemicalgrindingblade

surfaceofimpeller

(a)　计算机模拟

—16—宇航材料工艺　2003年　第1期

对整体叶轮的加工我们必须立足于国内技术基础,创新研究完全有自主知识产权的整体叶轮数控电解加工技术、机床及控制系统、编程方法,这对于我国先进航空航天发动机的研制,提高国防实力具有至关重要的意义;同时,也可推广应用于高速列车内燃机上复杂整体叶轮的加工。

参考文献

1　陈光..航空发

(b)　加工实貌

动机,1999;(1)1～6,44

2图5　成形或近成形阴极柔性电解加工情况

Fig.5　ECMprocesswithanearshapedtool2

cathode

.;(3):1～8

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图6　带冠整体叶轮

Fig.6　Anintegratedturbineimpellerwithahoop

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机中的应用前景.航空精密制造技术,1999;35(6):36～38

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数控电解加工整体叶轮,综合发挥了电解加工

和计算机数控技术的优点,克服了其间各自的不足,是优质、高效、低成本、快速响应地解决整体叶轮加工难题的一条重要途径,其技术经济效果显著。

(1)增强了可加工能力,可以解决以数控铣、精密铸造难加工或不能加工的难题。工具阴极无损耗,加工过程无宏观切削力,加工可达性好,可以加工各种难切削材料制成的、薄叶片、窄通道的整体叶轮和带冠整体叶轮,加工效率高,表面质量好;具有计算机数控功能,适用加工范围广,快速响应能力强。

(2)技术的先进性保证了加工精度和加工稳定

版社,2000:193～205,245

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14　赵万生等.国外特种加工技术的最新进展.电加工,1999;(5):12～19

15　朱永伟,徐家文,胡平旺.数控展成电解加工整体叶

性。加工过程由计算机控制,消除人为因素的干扰,

能更好地保证加工精度、表面质量和加工过程稳定可靠。

轮的研究与应用.航空学报,2001;22(4):376～378

(

编辑　李洪泉)

宇航材料工艺　2003年　第1期—17—

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2tyj.html