航空發(fā)動(dòng)機(jī)高渦葉片氣膜孔電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化
2013-5-5 來源： 作者：
高速電火花小孔加工原理
高速電火花小孔加工是近年來一項(xiàng)新興的先進(jìn)制造技術(shù)。
其原理是在旋轉(zhuǎn)的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時(shí)保持高電流密度連續(xù)正常放電。電極旋轉(zhuǎn)可使端面損耗均勻，不致受高壓、高速工作液的反作用力而偏斜。然而，在電火花小孔加工特別是深孔加工時(shí)，容易在工件上留下毛刺料芯以及被去除的工件材科的微小顆粒，阻礙工作液的高速流通，使加工速度低、加工不穩(wěn)定以及工具電極損耗增大等，而這些滯留在狹小加工間隙中的微小顆粒又往往會(huì)引起二次放電的產(chǎn)生，使加工過程不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生短路現(xiàn)象，導(dǎo)致加工難以進(jìn)行。
另一方面，由于小直徑的工具電極在加工過程中易產(chǎn)生晃動(dòng)或振動(dòng)，更有助于發(fā)生二次放電現(xiàn)象。正是由于電火花小孔加工存在這種二次放電造成重熔層厚度增加所帶來的弊處，使得對航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片的加工工藝提出了更高的技術(shù)要求。通過工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證，我們對電火花小孔加工工藝參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化，可以達(dá)到減小重熔層、提高氣膜孔加工質(zhì)量的目的。
高渦葉片氣膜孔加工工藝分析
高壓渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)透平機(jī)中的關(guān)鍵部件，它工作環(huán)境十分惡劣。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，高壓渦輪葉片承受著燃燒后產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)獾臎_擊，有效的冷卻措施既可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠的工作，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，也可以降低高溫材料的成本。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能在很大程度上取決于渦輪進(jìn)口溫度的高低，它受到渦輪葉片材料和結(jié)構(gòu)的限制。因此對渦輪葉片進(jìn)行連續(xù)不斷的冷卻，使之可以在允許的工作環(huán)境溫度中超過材料的熔點(diǎn)仍能安全可靠地工作。
氣膜冷卻技術(shù)是具有代表性的重要結(jié)構(gòu)改進(jìn)之一，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能：氣膜冷卻就是在渦輪葉片葉身上沿葉高方向分布了n排冷卻氣膜孔，從氣膜孔噴出的冷卻氣流在葉身表面形成氣膜，阻隔高溫的燃?xì)?，從而提高葉片材料的耐高溫性能。冷卻氣膜孔的加工質(zhì)量直接影響了高壓渦輪葉片的冷卻效果，并影響到葉片的T作壽命。
氣膜冷卻孔的加工方法通常有激光加工(Laser）、電火花加工(EDM）等方式。前者加工速度快，成本低，但是由于激光的燒熔作用，孔內(nèi)粗糙度不均勻，形成較厚的重熔層，實(shí)際測量的孔直徑要小于孔的實(shí)際通流直徑；后者加工精度高，孔內(nèi)粗糙度均勻，且重熔層較薄，可以加工成形孔，但是加工時(shí)間較長，成本較高。
為了得到較好的氣膜孔加工質(zhì)量，目前在航空制造業(yè)中高渦葉片氣膜孔大都采用電火花方式進(jìn)行加工。在氣膜孔的電火花加工過程中存在以下幾個(gè)向題：①工作液壓力降低、基體雜質(zhì)、內(nèi)腔表面型芯殘留附著物等會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)間延長，造成重熔層增厚超標(biāo)，甚至出現(xiàn)微裂紋。②在氣膜孔補(bǔ)加工時(shí)，電極與原孔完全重合困難，容易產(chǎn)生二次放電，對零件表面狀態(tài)會(huì)造成影響。③目前國內(nèi)沒有氣膜孔內(nèi)腔斜孔銳角尖邊倒圓的成熟加工技術(shù)。由此可見，重熔層的厚度是影響氣膜孔質(zhì)量的關(guān)鍵要素，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)重熔層厚度最小化，以改善氣膜孔的加工質(zhì)量。
重熔層厚度是參數(shù)設(shè)計(jì)中用來度量氣膜孔加工質(zhì)量的指際，是參數(shù)設(shè)計(jì)的核心因素，其基本思想是通過選擇系統(tǒng)中所有參數(shù)的最佳水平組合，使氣膜孔的加工質(zhì)量最好，重熔層厚度值越小，氣膜孔的加工質(zhì)量就越好。重熔層的分析過程實(shí)際上是一個(gè)擇優(yōu)的問題，它通過使用正交表，以重熔層厚度T作為氣膜孔加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析，確定最佳水平組合。重熔層厚度值的極差越大，影響因素水平就越高。
在機(jī)械制造業(yè)中，鈦合金材料具有其他金屬材料無法擁有的特點(diǎn)：比強(qiáng)度高，熱強(qiáng)性高，抗蝕性好；合金密度僅為鋼的58%，因此，利用鈦合金材料做成的薄壁殼體結(jié)構(gòu)件，將成為國防產(chǎn)品通用工件。由于工件壁薄，加工容易變形，徑向夾緊力使工件產(chǎn)生彈性變形，刀具磨損快使加工尺寸不穩(wěn)定，不易保證加工質(zhì)量，使工件廢品率及加工成本居高不下，工件加工變形一直困擾技術(shù)人員及加工操作者。
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