高壓水射流技術(shù)在整體葉盤高效加工中的應(yīng)用

楊維學(xué)

（上海特一絲路車輛裝備有限公司技術(shù)部，上海201613）

0 引言

近年來隨著綠色制造概念的推行，高壓水射流技術(shù)的運(yùn)用越來越廣泛。水射流加工是利用添加磨料的高壓細(xì)射流束通過磨蝕的方式來切割目標(biāo)材料的加工方法[1]，按工作介質(zhì)分為純水射流和磨料水射流2種[2]。磨料水射流是在高壓水射流中加入一定數(shù)量、一定質(zhì)量和硬度的磨料顆粒。工業(yè)上常用的磨料水射流切割技術(shù)包括磨料注射切割（前混合磨料切割）和磨料懸浮切割（后混合式磨料切割）。這兩者的本質(zhì)區(qū)別在于磨料加入水中的方式不同[3]。前混合式的磨料能和水充分混合，射流射出時(shí)的能量較后混合式的大，但對管路的磨損也大。因此，工業(yè)上應(yīng)用效果比較好的是后混合切割技術(shù)。目前國外學(xué)者已經(jīng)對磨料水射流技術(shù)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究[4]，主要集中在硬巖、碳纖維復(fù)合材料、難加工和硬脆金屬復(fù)合材料的切割、表面強(qiáng)化和光學(xué)拋光。國內(nèi)的磨料水射流研究和應(yīng)用集中于清洗除銹、拋光、韌性材料加工、復(fù)合材料加工、脆性材料加工、脆性材料加工及半導(dǎo)體材料加工等領(lǐng)域。

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，種類多、數(shù)量大、型面復(fù)雜、幾何精度要求高[5]。目前國外先進(jìn)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪都大量采用了整體葉盤[6]，例如F119-PW-100、F100-PW-229A、F414-GE-400、EJ200 等軍用高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，以及P.A.T 驗(yàn)證核心機(jī)、基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)等民用發(fā)動(dòng)機(jī)。整體葉盤是把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片和輪盤設(shè)計(jì)成1 個(gè)整體[7]，采用整體毛坯去余量加工或焊接的方法制造而成。避免了葉片榫槽結(jié)構(gòu)帶來的氣流損失，減少了結(jié)構(gòu)重量和零件的數(shù)量[8]。與整體葉盤的諸多優(yōu)點(diǎn)相比，其制造工藝技術(shù)面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[9]。葉片型面復(fù)雜，為空間自由曲面，且其材料為鈦合金或高溫合金等高性能金屬材料和鈦基、鈦鋁化合物等先進(jìn)復(fù)合材料，可加工性差。國外整體葉盤制造采用的主要工藝有：精鍛毛坯+精密數(shù)控加工；焊接毛坯+精密數(shù)控加工；高溫合金整體精鑄毛坯+熱等靜壓處理等。運(yùn)用水射流加工葉盤也一直是研究的方向。TI El-Wardany 等[10]提供了1 種磨料水射流加工葉片保持槽的方法。S Berlanger 等[11]提出了用磨料水射流切割單件葉盤的方法。F. Klocke 等[12]對整體葉盤加工的7 種工藝鏈進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)研究，水射流加工顯示出較好的經(jīng)濟(jì)性。

本文以鈦合金整體葉盤近成形加工為研究對象，分析高壓磨料水射流切割加工技術(shù)的原理和整體葉盤的近成形加工工藝。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用高壓磨料水射流設(shè)備進(jìn)行整體葉盤高效去余量加工應(yīng)用。從加工質(zhì)量和效率方面與傳統(tǒng)數(shù)控銑削加工進(jìn)行比較。

1 磨料水射流加工原理

磨料水射流的工作原理是將軟化水增壓至300～400 MPa，再通過直徑為0.1～0.3 mm 的噴嘴形成速度可達(dá)1000 m/s、具有極大動(dòng)能的水線，對工件進(jìn)行切割[13]。水線從寶石噴嘴噴出后增加磨料（常用60～100 目的石榴砂），高壓水與磨料混合后以磨料對工件的沖擊和切削作用為主，磨料顆粒對工件產(chǎn)生高頻沖蝕，從而提高了高壓水射流的加工能力和工作效率。磨料水射流切割原理如圖1 所示。影響磨料水射流加工能力的因素有水流壓力、磨料顆粒大小和供給量、噴嘴直徑組合、切割進(jìn)給速度以及噴嘴與工件之間的距離等。

圖1 水射流切割原理

磨料水射流加工最終通過水切割設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其切割設(shè)備由高壓泵、高壓管路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、磨料供給裝置、刀頭（砂水混合器）及控制系統(tǒng)等組成。整體葉盤加工用磨料水射流切割設(shè)備如圖2 所示。工業(yè)純水經(jīng)過供水系統(tǒng)軟化和過濾后供入高壓泵，由高壓泵將純水增至高壓并通過高壓管路輸送至刀頭，刀頭內(nèi)的噴嘴將水壓勢能轉(zhuǎn)變?yōu)樗鴦?dòng)能，同時(shí)抽吸磨料供給裝置提供的磨料經(jīng)混合管聚集形成磨料水射流。執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀頭相對于工件運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切割路徑。所有的路徑軌跡和過程參數(shù)都通過數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制。針對整體葉盤類零件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用機(jī)械手+帶分度的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的方式，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的空間軌跡。通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度控制，使切割頭在1 個(gè)加工區(qū)域，走相同的軌跡就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)葉槽的加工，提高加工的效率和穩(wěn)定性。

圖2 水射流切割設(shè)備

2 整體葉盤加工工藝分析

2.1 加工區(qū)域規(guī)劃

整體葉盤有開式和閉合式。以某開式整體葉盤的粗加工為研究對象，葉盤直徑為500 mm，毛坯厚度為80 mm，材質(zhì)為鈦合金。開式整體葉盤具有葉片薄、葉展長、扭曲大、受力易變形、葉片間通道深而窄及開敞性差的特點(diǎn)[14]，如圖3 所示。

開式整體葉盤的加工分為近成形粗加工（去余量加工）、2 次粗加工、精加工及拋光等主要工藝過程。近成形加工屬于粗加工，應(yīng)該為后續(xù)加工需要留有余量。應(yīng)根據(jù)通道的幾何特征分析，對復(fù)雜通道空間進(jìn)行合理的計(jì)算和規(guī)劃來確定加工區(qū)域[15]。

將同一通道內(nèi)的2 個(gè)葉片曲面和輪轂曲面偏置并延伸相交后，把葉尖子午線回轉(zhuǎn)后得到4 個(gè)回轉(zhuǎn)面與毛坯軸向的上、下平面充分相交截取，得到葉盆和葉背的臨界曲面，以及通道加工底面和通道上、下表面。這5 個(gè)面共同圍成的1 個(gè)封閉區(qū)域就是規(guī)劃的通道加工區(qū)域，也是整個(gè)葉盤銑削毛坯去除大量材料的通道區(qū)域，如圖4 所示。

圖3 某整體葉盤3 維結(jié)構(gòu)

圖4 加工區(qū)域

由于水射流實(shí)現(xiàn)的是貫穿式加工，所以需要對切割通道區(qū)域進(jìn)行重新處理，規(guī)避過切。對于厚度較大的零件，為了更好地趨近葉片的截面輪廓線，可采用多個(gè)軌跡逼近。磨料水射流去余量加工整體葉盤的軌跡截面如圖5 所示。

圖5 葉片加工截面

2.2 離線編程

由于磨料水射流切割是1 種流態(tài)磨削，隨著對材料切割深度的增加，切割效力減弱，出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和分離。表現(xiàn)為沿切割面彎曲[16]，稱為“掃尾”現(xiàn)象。為減小“掃尾”現(xiàn)象對工件尺寸的影響，在編程時(shí)，需要根據(jù)試切的結(jié)果對走刀路徑和切割角度進(jìn)行偏∑補(bǔ)償。

根據(jù)切割厚度和材料設(shè)置水射流的切割參數(shù)，具體見表1。

表1 去余量時(shí)間對比

按照規(guī)劃好的加工區(qū)域和工藝參數(shù)，運(yùn)用Robot Master 軟件進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)軌跡的編程，最后生成控制系統(tǒng)可識(shí)別的程序語言如下：

PRODUCT=Blisk //產(chǎn)品名稱

TOOL=180.1，0.5，23.4，0.0，0.0，60.0//工具偏∑

TOTALELEMENTS=1 //單個(gè)切削

FRAME=87.0，86.1，96.9，0.0，0.0，210.0//坐標(biāo)系

OFFSET=0，0，0，0，0，0 //坐標(biāo)偏∑

BEGIN= Blisk_1 //開始

CUTTYPE=10 //切割類型

WORKPLACE=0，0，0，0，0，0//工件位置坐標(biāo)

MOVEJ=0.0，0.0，90.0，0.0，0.0，0.0/50，25//軌跡

MOVEL=8.2，8.4，8.1，4.1，3.7，16.1/30，80//軌跡

DELAYON=0 //供水打開，磨料打開，打孔延遲

…

MOVEL=61.9，16.6，32.3，19.5，20.3，22.9/30，80//軌跡

DELAYOFF=0//供水關(guān)閉，磨料關(guān)閉

MOVEJ=52.5，56.8，73.8，25.9，88.6，37.1/50，250//軌跡

END=YEPIANRM_1 //結(jié)束

3 加工過程與驗(yàn)證

將軌跡程序?qū)肽チ纤淞骷庸ぴO(shè)備的控制系統(tǒng)，按照規(guī)劃的工藝路線，進(jìn)行葉盤的去余量粗加工。粗加工后的葉盤如圖6 所示。加工表面在出水端出現(xiàn)了輕微掃尾現(xiàn)象。

水射流粗加工后的表面粗糙度和尺寸公差與數(shù)控銑削加工的對比見表2。

圖6 水射流加工后的整體葉盤

表2 粗糙度和尺寸誤差對比

以加工單個(gè)葉槽加工區(qū)域的時(shí)間與傳統(tǒng)數(shù)控銑削加工的進(jìn)行對比，見表3。

表3 加工時(shí)間對比

從表2、3 中可見，在整體葉盤的去余量粗加工后，水射流加工的表面粗糙度和尺寸誤差精度較數(shù)控銑削加工的差，但在去余量加工階段可以被接受。從經(jīng)濟(jì)效益上看，水射流加工的效率比數(shù)控銑削提高了1 倍以上，效果明顯。

4 結(jié)束語

本文闡述了高壓磨料水射流技術(shù)和高壓磨料水射流切割設(shè)備的原理，分析了整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)和常用加工方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

將高壓磨料水射流技術(shù)應(yīng)用于整體葉盤的去余量粗加工中，并以某開式整體葉盤為對象，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和試件加工。驗(yàn)證了此方法的可行性。對磨料水射流加工開式整體葉盤的效率和數(shù)控銑削進(jìn)行了對比，證明了高壓磨料水射流切割的高效性。但高壓水射流加工也有自身的弱點(diǎn)，不適用于葉片扭曲程度大不能進(jìn)行穿透加工的葉盤。對于厚度薄、葉槽區(qū)域窄小、可去除余量小的葉盤，水射流加工不能發(fā)揮其優(yōu)勢。同時(shí)，如何修正加工過程中存在的“掃尾”現(xiàn)象對切割尺寸和表面質(zhì)量的影響需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。