復雜流道構(gòu)件組合放電加工技術研究

宋國新，耿雪松，朱紅敏

（1.西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100；2.蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

復雜流道構(gòu)件組合放電加工技術研究

宋國新1，耿雪松1，朱紅敏2

（1.西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100；2.蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

復雜流道構(gòu)件的高效、高精度加工是液體火箭發(fā)動機的核心制造技術之一，隨著發(fā)動機渦輪泵功率及渦輪效率的不斷提升，渦輪泵復雜流道構(gòu)件的加工去除量大幅增加，同時對加工精度的要求也越來越嚴格。故提出了高速放電銑削粗加工與多軸聯(lián)動電火花成形精密加工復合的加工工藝，通過對復雜流道構(gòu)件的高速放電銑削加工電極損耗補償和多軸聯(lián)動電火花成形加工軌跡規(guī)劃等技術的研究，實現(xiàn)了復雜流道構(gòu)件的高效、高精度放電加工。

復雜流道構(gòu)件；放電銑削加工；電火花成形加工；大加工余量

渦輪泵是泵壓式液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)的 “心臟”，其性能和可靠性直接影響發(fā)動機乃至航天運載器的運載能力和可靠性。隨著發(fā)動機渦輪泵功率及渦輪效率的不斷提升，渦輪泵復雜流道類產(chǎn)品多采用高性能的高溫合金材料，以承受不斷提高的高溫燃氣沖蝕；同時，為了滿足復雜流道類產(chǎn)品的強度、剛性、極限轉(zhuǎn)速和工作可靠性等指標，均采用了整體閉式結(jié)構(gòu)；此外，為了獲得更大的推力，液體火箭發(fā)動機渦輪泵的復雜流道類產(chǎn)品尺寸及加工材料去除量均較大。

目前，渦輪泵復雜流道構(gòu)件的加工方法主要有鑄造成形、粉末冶金及整體坯料鍛造成形后去除加工等技術。由于鑄造成形技術存在鑄造缺陷且精度較低，難以滿足復雜流道構(gòu)件的設計要求；粉末冶金技術雖然能滿足復雜流道構(gòu)件的設計要求，但目前高溫合金材料粉末制備技術尚未成熟；因此，采用整體坯料鍛造成形后進行去除加工是當前渦輪泵復雜流道構(gòu)件常采用的加工技術。表1是針對復雜流道構(gòu)件采用整體坯料鍛造成形后去除加工技術各工藝方法的對比?？煽闯觯咚俜烹娿娤骷庸ぜ夹g是高溫合金復雜流道構(gòu)件大余量去除加工的理想加工手段。采用旋轉(zhuǎn)管狀電極、以類似銑削的方式通過電弧放電蝕除金屬材料；同時，中空管電極內(nèi)部通以高壓工作液，強制電蝕產(chǎn)物從加工區(qū)域排出，提高了放電加工的穩(wěn)定性及加工效率；且該加工方法不受材料強度、硬度等物性參數(shù)限制。因此，將放電銑削加工技術與電火花成形加工技術相結(jié)合，可實現(xiàn)復雜流道構(gòu)件的高效、精密加工。

為了研究復雜流道構(gòu)件高效放電加工技術，以某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵帶冠復雜流道構(gòu)件作為研究對象。圖1是該產(chǎn)品單流道特征示意圖，產(chǎn)品具有以下基本特征：

（1）采用整體坯料鍛造成形，材料去除體積約為3.672×106mm3，去除量約28 kg，去除體積約占產(chǎn)品待加工區(qū)體積的80%以上；

（2）產(chǎn)品材料為機械難加工材料高溫合金；

（3）葉片厚度薄且不均勻，所有葉片均為自由曲面，流道狹長且空間彎扭。

1 復雜流道構(gòu)件高速放電銑削加工技術

1.1 電極損耗補償技術

對于復雜三維型腔的高速放電銑削加工需采用分層放電銑削加工工藝，且隨著型腔縱橫比增大、分層數(shù)量增多、放電加工時電極損耗較嚴重，不僅影響工件的成形精度，還大大降低加工效率，因此，加工中須對電極進行及時補償[1-3]。

目前，電極損耗補償策略主要有等損耗補償和定長補償二種。余祖元首先提出了等損耗補償方法，即在加工前根據(jù)模型計算出電極損耗量，當電極端部平面損耗后對電極進行一次性補償[4]。裴景玉提出了定長補償方法，即電極加工一定軌跡長度后，其損耗長度達到預先設定的某個值時對其進行一次補償，然后繼續(xù)加工[5]。本文針對帶冠復雜流道構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征，提出了一種非線性插補式電極損耗補償策略，即根據(jù)每層圓弧加工軌跡不同插補線段長度對電極進行非線性補償，補償原理見圖2。

由于三維銑削加工不規(guī)則圓弧是由不同長度的線段△i進行插補得到，所以電極損耗補償時，先由實驗數(shù)據(jù)得出電極體積相對損耗比，并根據(jù)圓弧加工軌跡不同插補線段長度△i按比例分配電極補償量zi，然后從分層加工起點開始到該分層結(jié)束進行非線性補償；補償后繼續(xù)下一分層的加工，直到加工完成。這樣，加工每一分層時電極都可得到實時的非線性補償，從而不影響當前分層和下一分層的加工，提高工件的成形精度。補償策略的實施通過后處理實現(xiàn)并輸出NC數(shù)控代碼，加工過程及電極補償只需按數(shù)控代碼執(zhí)行一遍即可，電極軌跡相對傳統(tǒng)電火花加工需要逆向往復加工幾遍來提高工件成形精度時要少；同時，加工過程中不需人工干預及暫停加工，從而可提高加工效率。

1.2 高速放電銑削加工實驗

在大功率脈沖放電加工過程中，加工極性對加工性能的影響尤為顯著，因此利用加工實驗分析了不同峰值電流下加工極性對加工效率和相對電極損耗的影響。加工參數(shù)見表2。實驗中，采用直徑為6 mm的電極沿X軸方向直線銑削30 mm，銑削深度為3 mm，實驗結(jié)果見圖3。可看出，隨著峰值電流的增加，材料去除率和電極損耗也不斷增大；而正極性加工條件下，電極損耗增幅遠小于負極性加工，在復雜三維型面銑削加工中有助于保證型面精度，且加工中電極損耗的補償量也較小。因此，在復雜流道構(gòu)件高速放電銑削加工中應采用正極性加工方式。

圖4是利用修正的五軸數(shù)控放電銑削程序加工的某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵帶冠復雜流道構(gòu)件，加工電流為200 A，加工極性為正極性。由于高速放電銑削加工采用了較高的放電能量，使電蝕產(chǎn)物尺寸較大，且在冷卻液作用下凝固在加工表面，導致在產(chǎn)品流道表面殘留了大量的電蝕產(chǎn)物，因此高速放電銑削粗加工后需對工件進行酸洗、吹砂及鉗工打磨等工序，才能進行電火花成形精加工。此外，由于放電銑削加工表面質(zhì)量較差，無法用三坐標測量機對其進行精確測量，只能通過采集葉片型面若干點的方式初步判斷其是否合格，最終型面精度需通過電火花精加工來實現(xiàn)。

2 復雜流道構(gòu)件電火花加工技術

2.1 電火花加工CAD/CAM技術

對于復雜流道構(gòu)件的電火花成形加工，電極設計是一項核心技術，合理的加工區(qū)域劃分既能減少電極數(shù)量，降低成形電極的制造難度，又能簡化加工運動軌跡，對于提高葉片加工精度、縮短工藝設計和加工周期、降低加工成本均有著重要意義。由于流道彎扭，采用整體電極難以實現(xiàn)流道的全尺寸加工，因此需對流道進行劃分，同時在每個加工電極設計中增加定位基準塊，以便定位找正工藝基準，使采用多個電極組合加工時能保證基準統(tǒng)一。本文采用粗精加工結(jié)合方式，對某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵帶冠復雜流道進行劃分，設計了“4精+4粗”共8個電極的組合加工策略。

此外，多軸數(shù)控電火花加工中，電極進給軌跡的計算和干涉校驗是復雜型面數(shù)控電火花加工的核心，電極的進給軌跡決定了加工中有無干涉、過切或加工不到位。在電加工過程中，電極起始位置在進給軌跡搜索前是未知的，唯一確定的是電極的進給終了位置。電極從某空間位置開始不斷地向流體通道中進給，最終電極的型面與葉片的葉盆或葉背貼合并留足放電間隙和安全附加間隙，完成加工進給。圖5是多軸聯(lián)動電火花電極運動路徑規(guī)劃流程圖。

針對復雜流道構(gòu)件電火花成形加工，與國內(nèi)某高校聯(lián)合搭建了多軸聯(lián)動電火花成形加工功能模塊，可實現(xiàn)加工軌跡的搜索及仿真。圖6是該功能模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。該模塊通過用戶的少量干預，搜索產(chǎn)生無干涉的電極進給運動軌跡，并生成相應的數(shù)控文件，后置處理模塊對數(shù)控文件進行后置處理，獲得電火花成形加工機床可解釋執(zhí)行的加工數(shù)控代碼；同時，加工仿真模塊可采用三維動畫形式對加工數(shù)控代碼進行圖形仿真，輔助分析加工過程的各種細節(jié)。

2.2 電火花成形加工實驗

利用復雜流道構(gòu)件電火花成形加工CAD/CAM系統(tǒng)，對某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵帶冠復雜流道構(gòu)件高速放電銑削粗加工后的產(chǎn)品模型流道進行劃分，并設計了組合電極，在多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)控制下執(zhí)行多軸數(shù)控聯(lián)動程序，完成復雜流道構(gòu)件的精密加工。加工參數(shù)見表3，復雜流道構(gòu)件電火花成形加工局部特征見圖7。加工完成后，用三坐標測量機對加工型面進行測量，與標準模型對比加工精度小于±0.1 mm。

為了驗證高速放電銑削粗加工與多軸聯(lián)動電火花成形精密加工的復合加工工藝在難加工材料復雜流道構(gòu)件大余量去除加工中的優(yōu)越性，進行了單流道全尺寸的電火花成形加工實驗，結(jié)果顯示采用電火花成形加工技術進行單流道的加工，加工周期約為42 h；而采用復合加工工藝進行單流道加工的周期僅為21 h（包括粗加工周期5 h、精加工周期16 h），比單一電火花成形加工的效率明顯提高。

3 結(jié)束語

針對液體火箭發(fā)動機渦輪泵復雜流道構(gòu)件高效、高精度加工，提出了高速放電銑削粗加工與多軸聯(lián)動電火花成形精密加工復合的加工工藝，并對高速放電銑削加工的電極損耗補償技術和多軸聯(lián)動電火花成形加工的軌跡規(guī)劃技術等進行了研究。以某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵帶冠復雜流道構(gòu)件為對象進行加工工藝研究，結(jié)果顯示，該復合加工工藝可提高難加工材料復雜流道構(gòu)件大余量去除加工的加工效率。

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Study on Combined Discharge Machining Technology of Complex Channel Components

SONG Guoxin1，GENG Xuesong1，ZHU Hongmin2
（1.Xi′an Space Engine Factory，Xi′an 710100，China；2.Suzhou Electromachining Machine Tool Research Institute Co.,Ltd.，Suzhou 215011，China）

High efficiency and high precision machining of complex channel components is one of core manufacturing technologies in liquid rocket engines.With improving of the power and efficiency ofenginesturbo pump，the materialremoving rate ofcomplex channelcomponentsincrease substantially，mean while the processing accuracy are becoming more stringent.So the combined processing technology with high current density electrical discharge milling and multi-axis sinking EDM precision machining are proposed.Based on the electrode wear compensation technology of high current density electrical discharge milling and the trajectory planning technology of multi-axis sinking EDM，the high efficiency and high precision machining of complex channel components is implemented.

complex channel components；electrical discharge milling；die sinking EDM；high material removing rate

TG661

A

1009－279X（2017）01－0056-04

2016-09-26

宋國新，男，1969年生，研究員。