三元流葉輪的電弧銑削與機(jī)械銑削組合加工技術(shù)

劉金科，趙仁兵

（四川宜賓普什模具有限公司，四川 宜賓 644007)

隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，合金、鈦合金及復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越多，這些材料具有強(qiáng)度高、耐燒蝕、抗磨損且在高溫的狀態(tài)下仍可保持高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，然而這也為加工帶來(lái)了難題，使得加工的效率較低，刀具的磨損情況嚴(yán)重，加工成本較高等問(wèn)題。為此應(yīng)對(duì)刀具的材料，設(shè)計(jì)及工藝上進(jìn)行研究。電弧是利用電弧等離子去除材料的新型加工方式，加工溫度極高，可以對(duì)合金材料、復(fù)合材料進(jìn)行加工，在加工的過(guò)程中，電弧與工件之間不會(huì)直接地進(jìn)行接觸，所以不產(chǎn)生宏觀(guān)切削力，不會(huì)導(dǎo)致工件出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，應(yīng)用的范圍較廣，備受研究人員及市場(chǎng)的關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)三元流葉輪的電弧銑削與機(jī)械銑削組合加工的方法的加工原理進(jìn)行分析，不斷促進(jìn)其的廣泛應(yīng)用。

1 三元流葉輪的電弧銑削與機(jī)械銑削組合加工技術(shù)原理

電弧銑削實(shí)現(xiàn)了對(duì)難加工材料的高效去除，但加工尺寸的精度和表面質(zhì)量不高，不能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。而機(jī)械銑削加工，在難加工材料上，加工效率及成本處于劣勢(shì)，然而卻有著很高的加工精度。電弧銑削加工技術(shù)與機(jī)械銑削加工技術(shù)，分別具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了充分發(fā)揮這兩種加工方式的優(yōu)點(diǎn)，可以將這兩種加工方式進(jìn)行結(jié)合，形成新的組合加工方法，電弧銑削實(shí)現(xiàn)高效加工，而機(jī)械銑削實(shí)現(xiàn)精密加工，二者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)難加工材料的高效及精密的加工。

電弧等離子體在陰極和陽(yáng)極兩端的能量分配系數(shù)存在一定的差異，一般情況下，陽(yáng)極端的能量分配系數(shù)要比陰極端的高，也就是說(shuō)，電極在正極性的加工條件要比負(fù)極性加工條件的去除率及表面質(zhì)量較好。電弧銑削高效加工技術(shù)，應(yīng)先實(shí)施負(fù)極性電弧加工，降低負(fù)極性加工表面的粗糙度，為后續(xù)機(jī)械加工或者良好的表面質(zhì)量。同時(shí)還應(yīng)根據(jù)加工的材料、余量及加工要求的實(shí)際情況來(lái)改變放電的參數(shù)，進(jìn)行正、負(fù)極性電弧加工技術(shù)[1]。

電弧正、負(fù)極加工技術(shù)，對(duì)工件表面的質(zhì)量進(jìn)行了一定的改善，但還是無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。電弧加工技術(shù)，電極的損耗會(huì)致使工件的余量出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，影響工件的尺寸。所以，運(yùn)用機(jī)械銑削加工技術(shù)，提升工件加工尺寸的精度以及工件表面的質(zhì)量，促使其達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

電弧銑削與機(jī)械銑削分別屬于放電加工和機(jī)械加工，對(duì)材料進(jìn)行加工去除的機(jī)理上完全的不同，因此對(duì)設(shè)備的要求也不相同。進(jìn)行電弧加工時(shí)，機(jī)床應(yīng)具有強(qiáng)力內(nèi)沖液和大功率放電電源供給能力，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也應(yīng)具備放電狀態(tài)檢測(cè)及短路回退等用來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放電加工功能。同時(shí)為了能夠滿(mǎn)足機(jī)械銑削操作，還需設(shè)置一臺(tái)數(shù)控銑床。這種組合加工技術(shù)，是在不同設(shè)備上進(jìn)行的，增加了二次裝夾，重新對(duì)刀，增加了加工準(zhǔn)備的時(shí)間，所以，為了能夠縮短加工時(shí)間，提高工作效率，應(yīng)為這種組合加工技術(shù)研制一種專(zhuān)用的機(jī)床。

2 組合加工技術(shù)專(zhuān)用機(jī)床

在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上加裝電弧加工功能。機(jī)床的包括機(jī)床本體，控制系統(tǒng)，大功率脈沖電源，工作液供給模塊，極間放電狀態(tài)檢測(cè)模塊，以及電弧加工和機(jī)械銑削刀柄模塊。機(jī)床的控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的數(shù)控銑削系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集成短路回退、脈沖參數(shù)及放電參數(shù)調(diào)節(jié)等，用于電弧加工功能。電弧銑削加工的電極，通過(guò)電弧銑削加工刀柄裝置安裝在機(jī)床主軸上，機(jī)械銑削加工的銑刀通過(guò)機(jī)械銑削刀柄進(jìn)行安裝。電弧銑削加工刀柄裝置具備旋轉(zhuǎn)、上電及提供強(qiáng)力內(nèi)沖液的功能，與機(jī)械銑削加工刀柄都是通用的接口，通過(guò)機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置實(shí)現(xiàn)兩種銑削技術(shù)的快速切換。在進(jìn)行電弧加工時(shí)，電極與工件分別連接與脈動(dòng)電源的兩端，放電狀態(tài)檢測(cè)模塊用以采集極間電流和電壓信息，通過(guò)進(jìn)一步處理用于伺服控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放電加工。工作液供給模塊為電弧加工和機(jī)械銑削加工提供內(nèi)沖液和側(cè)沖液。此外，為了防止加工時(shí)的蝕除屑，進(jìn)入加工間隙及機(jī)床主軸等的精密部件中，影響放電狀態(tài)及機(jī)床的使用壽命，應(yīng)在工作液供給模塊中配置多重過(guò)濾裝置，對(duì)回流工作液中的加工蝕除屑進(jìn)行攔截，并及時(shí)地進(jìn)行清理。避免了其對(duì)機(jī)床造成影響，提高加工的工作效率[2]。

3 三元流葉輪加工工序

3.1 三元流葉輪的特征

三元流葉輪是曲面復(fù)雜的通道類(lèi)零件。在航空航天領(lǐng)域，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一。在其他的工業(yè)中，三元流葉輪主要用于水輪機(jī)、汽輪機(jī)、膨脹劑、泵、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等設(shè)備中。三元流葉輪通常采用高溫合金材料，然而本文的目的在于分析電弧銑削及機(jī)械銑削組合加工技術(shù)，在生產(chǎn)上的能力及后續(xù)精加工工藝，為了控制成本，本文對(duì)三元流葉輪采用不銹鋼材料進(jìn)行加工。

3.2 加工工序

電弧銑削加工技術(shù)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工件材料的高效去除，應(yīng)先進(jìn)行負(fù)極性加工，降低負(fù)極性電弧加工表面的粗糙度，保障后續(xù)機(jī)械銑削加工技術(shù)可以獲得良好的表面質(zhì)量，電弧銑削加工技術(shù)，通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)可知，電流在一百到三百安范圍內(nèi)時(shí)，正極性電弧加工能夠獲得較好的表面質(zhì)量，電弧加工時(shí)，應(yīng)為后續(xù)的切削加工留有足夠的加工余量，一般保留兩毫米左右。結(jié)合三元流葉輪的特征以及加工要求，在加工的過(guò)程可以分為流道大能量電弧加工，流道中等能量電弧加工，葉片中能量電弧加工，流道小能量電弧加工、葉片小能量電弧加工五道工序，其中大能量工序采用負(fù)極性加工，中等能量及小能量共組采用正極性加工。為了提高加工尺寸的精度，減少放電空走刀的時(shí)間，需在加工的過(guò)程中定時(shí)地對(duì)刀和電極軸向損耗長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償，機(jī)械銑削加工技術(shù)，為了保障電弧加工后的葉輪與設(shè)計(jì)要求中的葉輪尺寸及表面質(zhì)量相一致，因此可將機(jī)械銑削加工劃分為兩道工序來(lái)進(jìn)行[3]。

4 三元流葉輪的電弧銑削與機(jī)械銑削加工技術(shù)結(jié)果分析

4.1 表面粗糙度

由于葉輪表面是復(fù)雜的曲面，采用粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)粗糙度進(jìn)行測(cè)量難度比較大，為了分析及對(duì)比各工序加工后表面的粗糙度，可以使用中等能量的電弧加工工序、小能量電弧加工工序和機(jī)械銑削精加工工序中，相同的加工參數(shù)，對(duì)粗糙度進(jìn)行測(cè)量，可發(fā)現(xiàn)小能量電弧加工表面的粗糙度低于中等能量電弧加工工件表面粗糙度，同時(shí)，小能量電弧加工表面的蝕坑的尺寸也小于中能能量電弧加工表面的蝕坑。在經(jīng)過(guò)機(jī)械銑削精加工后，表面的粗糙度可以充分的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

4.2 加工表面的硬度

表面硬度的測(cè)量方式可以采用與粗糙度測(cè)量的相同方式。中能能量電弧加工中，工件材料被電弧等離子體加熱蝕除，在強(qiáng)力內(nèi)沖液的作用下，迅速地冷卻重新在工件表面凝固，在加工結(jié)束后，中能能量的電弧加工類(lèi)似于淬火的方式，使得工件表面的硬度有所增加。而小能量電弧加工過(guò)程中，對(duì)材料的蝕除較小，而蝕除的材料，也被工作液帶走，凝固在工件表面的材料也較少，硬度與原工件基體沒(méi)有很明顯的變化。小能量電弧加工完后對(duì)后面的機(jī)械銑削加工就有良好的可加工性[4]。

4.3 材料的去除率

對(duì)三元流葉輪進(jìn)行組合加工的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)每道工序中的工件材料的去除率進(jìn)行計(jì)算。大、中、小能量的電弧加工工序?qū)Σ牧系娜コ仕蕉驾^高，電弧加工中多使用的是較為經(jīng)濟(jì)的石墨作為電極材料，與高性能的銑削刀具相比成本較低。進(jìn)行機(jī)械銑削加工時(shí)，對(duì)材料的去除量較小，能有效地抑制加工變形，保障工件達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)工件使用工業(yè)掃描對(duì)加工成品的尺寸及形位的精度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其都能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

三元流葉輪的電弧銑削與機(jī)械銑削組合加工技術(shù)中，合理地安排電弧加工共組，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的高效去除，可以保障工件表面的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)的要求，小能量電弧加工表面的粗糙度更低，且工件的強(qiáng)度也未出現(xiàn)明顯的變化，因此，電弧加工可以很好的適應(yīng)后續(xù)機(jī)械銑削加工的要求，電弧加工技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，不僅加工效率較高，成本也較低。機(jī)械銑削加工技術(shù)，在加工的過(guò)程中，刀具的磨損率較小，加工狀態(tài)也更加地穩(wěn)定，這也說(shuō)明了電弧銑削加工工藝的友好性。通過(guò)對(duì)三元流葉輪的電弧銑削與機(jī)械銑削組合加工技術(shù)進(jìn)行分析研究，充分地證明了電弧銑削與機(jī)械銑削組合加工技術(shù)，可以用于具有復(fù)雜曲面特征的零件制造中。