汽輪機(jī)靜葉片裝配內(nèi)背弧型面線切割工藝研究

毛鵬梟，李雙躍，諶永祥，劉勇，曾岳飛

(1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010; 2.綿陽市瑞豐機(jī)電有限公司，四川綿陽621000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電火花加工技術(shù)在不斷地完善。隨著機(jī)械零件的形狀和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生著變化，數(shù)控線切割加工解決了很多傳統(tǒng)加工難以解決的難題，尤其是在銳角、小R及錐度切割的產(chǎn)品加工過程中更具優(yōu)勢。如果不重視加工工藝與操作技巧，沒有做到工藝合理，也不能高效率地加工出高質(zhì)量的工件。汽輪機(jī)靜葉片內(nèi)背弧的線切割至關(guān)重要，因此在實際操作過程中，必須重視靜葉片內(nèi)背弧面線切割有關(guān)加工工藝，若線切割工藝技術(shù)選取不當(dāng)，會給產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的影響，影響整個汽輪機(jī)葉輪的裝配。

1 汽輪機(jī)靜葉片加工工藝分析

1.1 汽輪機(jī)靜葉片結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)高中壓第5級靜葉片結(jié)構(gòu) (如圖1所示)包括了裝配內(nèi)背弧型面、靜葉片內(nèi)背弧面、靜葉片的進(jìn)出汽邊、銑削過渡面。其中圖1為兩個靜葉片的裝配，形成了喉口的結(jié)構(gòu)。

圖1 汽輪機(jī)高中壓第5級靜葉片結(jié)構(gòu)示意

1.2 汽輪機(jī)靜葉片加工工藝過程

汽輪機(jī)靜葉片加工工藝的主要過程包括:(1)鍛造環(huán)形毛坯;(2)車內(nèi)外環(huán);(3)線切割裝配內(nèi)背弧型面;(4)銑背弧型面余量;(5)精銑銑背弧型面;(6)拋光汽道內(nèi)背弧型面;(7)完工檢查，入庫。

汽輪機(jī)靜葉片主要就是起到導(dǎo)流蒸汽的作用。在一個汽缸中，有很多組葉片，一個靜葉和一個動葉組成一小組，過熱蒸汽從汽門進(jìn)入靜葉片中，靜葉片導(dǎo)流蒸汽通過喉口進(jìn)入動葉片，推動轉(zhuǎn)子，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。所以說，靜葉片的加工工藝至關(guān)重要，而靜葉片裝配內(nèi)背弧型面線切割這一工序又直接影響了靜葉片整體裝配的密閉性及能量的轉(zhuǎn)化效率。

2 線切割裝配內(nèi)背弧型面工藝內(nèi)容

2.1 裝配內(nèi)背弧型面線切割工藝

裝配內(nèi)背弧型面線切割工藝包括:

(1)將車削加工后的內(nèi)外環(huán)毛坯分割為1/3或1/4環(huán)形鍛件;

(2)工藝基準(zhǔn)的確定 (工藝基準(zhǔn)面及加工基準(zhǔn));

(3)用特定的夾具對鍛件進(jìn)行定位和裝夾;

(4)用工作臺的相對位置對加工位置進(jìn)行找正(線電極垂直找正、夾具端面找正);

(5)加工準(zhǔn)備 (程序的編制及輸入、工作液選擇、電參量確定);

(6)一個工序線切割加工 (①去除廢料;②當(dāng)前零件外弧面的切割;③下個零件內(nèi)弧面的切割);

(7)用加工精度、表面粗糙度、兩個加工完靜葉片裝配密封性、透光度去檢查加工狀況;

(8)加工完畢后，調(diào)節(jié)工件夾具使工件位于下一個加工起始位置。

2.2 一個線切割工序及電極絲的相對運動軌跡

當(dāng)鍛件定位夾緊后，首先調(diào)整機(jī)床坐標(biāo)，然后將電極絲穿絲對準(zhǔn)加工的鍛件起始坐標(biāo)，準(zhǔn)備加工。

(1)線切割的一個工序

①由于將車削加工后的內(nèi)外環(huán)毛坯分割為1/3或1/4環(huán)形鍛件時，端面粗糙，所以第一次切割去除端面毛坯，形成了毛坯1的外弧曲面，如圖2(a)所示;

②移動鍛件，用夾具將形成的外弧面定位夾緊，第二次線切割時，電極絲的相對運動軌跡將形成靜葉片毛坯1的內(nèi)弧曲面，如圖2(b)所示;

③移除切割掉的靜葉片1，保持鍛件不動，電極絲的起點位置向后移動6 mm，進(jìn)行第三次切割，除去毛坯1與毛坯2中間的廢料，同時形成2的外弧曲面，如圖2(c)所示。

(2)電極絲的相對運動軌跡

如圖2所示，線切割靜葉片內(nèi)背弧型面一個工序的每一次線切割，電極絲的相對運動軌跡形成了靜葉片的內(nèi)外弧面。當(dāng)走絲結(jié)束后回工作原點之前電極絲要與夾具體接觸，所以如圖3所示的夾具設(shè)計中，為電極絲預(yù)留了一個小凹槽。

圖2 鍛件線切割工序及電極絲的相對運動

高速走絲線切割機(jī)不具備軌跡偏置功能，只能按電極絲中心軌跡編程，在生成內(nèi)背弧型面即考慮電極絲中心的偏置，有效保證了軌跡的正確性與連貫性。電極絲的運動軌跡其實是由機(jī)床工作臺的相對運動形成的，數(shù)控線切割機(jī)床在加工中，由于編程軌跡處理不當(dāng)、工藝過程處理不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е虑邢鬟^量現(xiàn)象，稱為“過切”(欠量現(xiàn)象稱為“欠切”)。

過切的不利影響。直接影響工件的表面質(zhì)量，甚至導(dǎo)致加工產(chǎn)品報廢。

欠切的不利影響。也直接影響工件的表面質(zhì)量，只是會加大后邊由于兩靜葉片不合格而導(dǎo)致的后續(xù)銑削的工作量。

所以為了保證電極絲的軌跡，通過對靜葉片內(nèi)背弧型面的曲線擬合，可得到哪種曲線最匹配電極絲的軌跡，基于數(shù)控加工工藝、插補(bǔ)算法來擬合靜葉片內(nèi)背弧型面，這樣便可以有效地減小線切割電極絲軌跡誤差，使之達(dá)到加工精度要求。

3 線切割夾具的結(jié)構(gòu)及夾緊工作原理

電火花線切割加工中經(jīng)常會遇到裝夾不同類型的工件，對于不同類型的工件，必須采用不同的裝夾方法，否則可能導(dǎo)致工件裝夾不牢，定位不準(zhǔn)，使工件移位或者傾斜，加工出來的工件不符合精度要求，有的甚至把工件夾變形，令加工工件報廢。一般在電火花線切割加工中，在通用夾具上采用壓板、螺釘裝夾工件，但為了適應(yīng)各種形狀工件加工的需要，還可以使用磁力夾具、旋轉(zhuǎn)夾具、專用夾具或功能數(shù)控回轉(zhuǎn)臺。

3.1 夾具的結(jié)構(gòu)

在線切割汽輪機(jī)高中壓第5級靜葉片的內(nèi)背弧型面時，由于鍛件為1/3～1/4圓環(huán)，故鍛件的體積較大，所以不易用普通工藝的夾具對其進(jìn)行裝夾。如圖3所示，設(shè)計了一種靜葉片夾具，采用六點定位原則限制鍛件的自由度并且巧妙地將夾具固定在機(jī)床工作臺上及將加工的環(huán)型鍛件牢固地固定在夾具上。

圖3 靜葉片夾具結(jié)構(gòu)圖

3.2 夾緊原理

在固定夾具時，利用元件6(深為80 mm的凹槽)可用幾顆連通的緊定螺釘固定，同時用固定圓通銷3可將此夾具牢牢地固定在機(jī)床工作臺上。

當(dāng)完成定位后，利用可轉(zhuǎn)動的圓通銷7的端面對鍛件進(jìn)行頂緊，用上定位銷2下壓對鍛件進(jìn)行進(jìn)一步定位固定，用固定圓通銷10和固定銷9將夾具固定板1和主夾具部分4牢牢夾緊，可有效地防止加工過程中鍛件的松動。

靜葉片夾具設(shè)計保證了工件切割部位位于機(jī)床工作臺縱向/橫向進(jìn)給的允許范圍之內(nèi)，同時也考慮切割時電極絲運動空間而且裝夾位置有利于鍛件的工件坐標(biāo)原點找正，再者對固定鍛件的作用力應(yīng)均勻，不影響加工精度。

3.3 線切割工件定位原理分析

在線切割加工過程中，工序工件的定位直接影響所加工工件的質(zhì)量，直接決定著加工精度及工件是否能達(dá)到尺寸要求，所以每一個鍛件的定位方法十分重要。如圖4，要使工件在夾具上處于穩(wěn)定不變的位置，使用六點定位原則，巧妙用多個支承點限制鍛件在夾具中的位置來限制工件的六個自由度。

圖4 工件的定位示意圖

如圖4所示，在xOz平面內(nèi)，由主夾具板進(jìn)行大平面定位，由此限制了鍛件的z、軸x軸的轉(zhuǎn)動和y軸的移動，限制了3個自由度;由元件6(1～5個開槽圓柱端面定位銷)組成了等距離弧形和定位銷8共同限制了y軸的轉(zhuǎn)動和z軸的移動;由開槽錐端緊定定位螺釘7將鍛件的端面頂住，限制了x軸方向的移動。由此，鍛件的6個自由度都被限制，完成了鍛件的初步定位。

4 線切割工藝參數(shù)調(diào)整

4.1 線切割機(jī)床電參數(shù)的調(diào)整

對加工質(zhì)量具有明顯影響的電參數(shù)主要包括脈沖電流、脈沖寬度、脈沖間隔、運絲速度等，通常需要在保證表面質(zhì)量、尺寸精度的前提下，盡量提高加工效率。然而脈沖電源是線切割加工設(shè)備電參數(shù)的重要組成部分，是影響線切割加工工藝指標(biāo)的最關(guān)鍵的設(shè)備之一。

脈沖電流的性能好壞將直接影響切割速度、工件的表面粗糙度、加工精度以及電極絲的損耗等。脈沖電源的調(diào)整，視工件的厚度而定，必須滿足:(1)加工放電峰值電流變化范圍不能太大;(2)要調(diào)整控制好單個脈沖能量;(3)脈沖頻率要盡可能提高; (4)有利于減少電極絲的損耗;(5)要輸出單向脈沖，參數(shù)應(yīng)在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)。

所以，在切割靜葉片內(nèi)背弧曲面時，厚度為65.5 mm較大，電參數(shù)應(yīng)取大些，但是脈沖波形前沿不能太陡，否則會使加工不穩(wěn)定，表面粗糙度為1.6 μm，所以可這樣選取電參數(shù):脈沖寬度:2～16 μs;加工電壓:80～100 V;脈沖間隙:5～9;功率管數(shù): 2～6個。

4.2 線切割加工過程中電極絲調(diào)節(jié)

(1)電極絲張力(松緊程度)的調(diào)節(jié)

電極絲的上絲、緊絲是線切割操作中的一個重要環(huán)節(jié)，其張力大小對線切割加工零件的精度和切割速度等都有重要的直接影響。若電極絲上絲過松，即張力過小，電極絲抖動厲害，會造成頻繁短路，以致加工不穩(wěn)定，工件精度不高，同時電極絲在加工過程中，由于放電壓力作用而產(chǎn)生過度彎曲變形，將導(dǎo)致電極絲切割速度落后并偏離工件輪廓，即出現(xiàn)加工滯后現(xiàn)象，從而造成形狀與尺寸誤差，影響了工件的加工精度;如果上絲過緊，電極絲將超過彈性變形的范圍，由于加工時頻繁地往復(fù)、彎曲、摩擦和放電時的急冷、急熱變化的影響，極易造成疲勞斷絲。

一般張力的大小在電極絲抗拉強(qiáng)度允許范圍內(nèi)盡可能大。對DK77系列機(jī)床的鉬絲進(jìn)行張力有限元分析，可得線切割內(nèi)背弧型面時張力范圍應(yīng)為5～10 N，在使用初期張力可大些，使用一段時間后，張力宜小一點。

(2)電極絲垂直度的校正

電極絲運動的位置主要由上下導(dǎo)輪決定，如果導(dǎo)輪有徑向圓跳動或軸向竄動，電極絲就會發(fā)生振動，振幅大小取決于導(dǎo)輪的跳動或竄動值。所以在割錐度工件之后或進(jìn)行再次切割內(nèi)背弧型面之前，應(yīng)進(jìn)行電極絲垂直度的校正，有效保證電極絲相對運動軌跡和鍛件的加工工藝性能的要求。

(3)加工過程中斷絲的處理

在汽輪機(jī)靜葉片加工過程中，由于厚度較大(65.5 mm)，機(jī)床易發(fā)生斷絲。首先應(yīng)立即關(guān)閉電源和變頻開關(guān)，再關(guān)閉工作液泵及走絲電動機(jī)，把變頻粗調(diào)置于“手動”一邊，打開變頻開關(guān)，讓機(jī)床工作臺繼續(xù)按原程序走完，最后回到起點位置重新穿絲加工。若加工快結(jié)束時斷絲，考慮從加工的末尾進(jìn)行切割，但需重新編制一部分程序。當(dāng)加工到二次切割的相交處時，要及時關(guān)閉脈沖電源和機(jī)床，以免損壞已加工表面。若斷絲不能再用，必須更換新絲時，應(yīng)測量新絲的直徑。若斷絲直徑和新絲直徑相差較大，就要重新編制程序以保證加工精度。

4.3 工作液的選取使用

在電火花線切割過程中，工作液主要是在脈沖間歇時間內(nèi)及時將已蝕除下來的電蝕產(chǎn)物從加工區(qū)域中排除，以冷卻電極絲和工件，使電極絲與工件間的介質(zhì)迅速恢復(fù)絕緣狀態(tài)，使線切割進(jìn)行下去。所以，工作液的好壞將直接影響加工的順利進(jìn)行，對切割速度、表面粗糙度、加工精度均有不可忽視的影響。

高速走絲線切割DK77系列機(jī)床常用的工作液有水類工作液、煤油工作液、皂化液、乳化型工作液等。然而在加工汽輪機(jī)高中壓第5級靜葉片時，由于切割速度高 (大致達(dá)到39.5 mm2/min)、厚度較大(65.5 mm)、表面粗糙度為1.6 μm，所以采用濃度較小約為5%～9%的混合工作液。而實際加工現(xiàn)場調(diào)研顯示:在使用1～2個工作日后，金屬屑進(jìn)入工作液中形成一定臟度的混合液，這種混合液在切割中具有良好的效果。現(xiàn)場線切割內(nèi)背弧型面的場景見圖5。

圖5 實際現(xiàn)場線切割靜葉片裝配內(nèi)背弧型面

5 結(jié)論

在靜葉片裝配內(nèi)背弧型面線切割時，對工件的定位、裝夾、電參數(shù)選擇、工作液選取以及電極絲常見問題等進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了適合靜葉片裝配內(nèi)背弧型面線切割的工藝參數(shù)，同時也對加工鍛件的最優(yōu)化問題進(jìn)行了預(yù)算分析，在保證加工質(zhì)量的同時實現(xiàn)了最大化鍛件的切割，提高了鍛件的利用率，而在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中也形成了更加完善的工藝方法，具有一定的可行性和指導(dǎo)作用。

【1】劉志東，王振興，張艷.高速走絲電火花線切割高效切割技術(shù)研究［J］.中國機(jī)械工程，2011，22(4):385-388.

【2】羅凌.基于Linux的往復(fù)走絲電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2010.

【3】張振苓.電火花切割旋轉(zhuǎn)曲面加工的研究［D］.青島:青島科技大學(xué)，2009.

【4】程明.DK7745高速走絲電火花線切割機(jī)床整機(jī)設(shè)計［D］.成都:四川大學(xué)，2007.

【5】賴英姿，許齊鵬.電火花線切割加工中不同類型工件的裝夾方法［J］.金屬加工:冷加工，2011(14):53-55.

【6】王勇，郭磊.電火花數(shù)控線切割加工工藝的探討［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(7):262-263.

【7】王勇，郭磊.數(shù)控線切割加工技巧［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2009，7(1):39-43.

【8】戴士杰，侯建英，管嘯天.電火花線切割加工工藝指標(biāo)的影響因素及其改進(jìn)措施的研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008(9):228-230.

【9】沈武群.電極絲對快走速線切割加工工藝性能的影響［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2007(33):159-160.

【10】郭萬川，梅碧舟.六點定位原理及其應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)，2007，34，(3):49，52.

【11】薛承宗，柯紅，林欽平.數(shù)控線切割加工技巧研究［J］.三明學(xué)院學(xué)報，2006，23(2):162-164.