飛機發動機透平葉片冷卻孔專用機床的新發展

中國機械工程學會特種加工分會 (北京 100081) 王克錫編譯

近年來，為應對飛機發動機透平葉片冷卻孔加工的需求，日本ELENIX公司 (本刊曾在2012年第13期中做過介紹)，三菱電機公司、牧野公司、英國Winbro公司先后研制出了新型高速、高品質多軸、專用的電火花加工機以及激光加工與電火花加工相復合的加工機。在此，擬對相關的報道作一個介紹，以供參考。

氣體發動機或噴氣發動機所構成的零件，其動葉片與固定葉片 (見圖1)，一般皆利用鎳基耐熱合金。為使葉片表面絕熱、則需要在這種難加工材料上利用電火花加工機來加工為數眾多的微細冷卻孔。一般而言，一臺氣體發動機要用200個葉片，每一葉片要加工200個冷卻孔。為更高效率地冷卻這些葉片，便要求將冷卻孔的形狀加工成擴散口 (如圖1所示的不同剖面的孔道)。因此，作為發動機的一種零件而增加了制造成本。不言而喻，若當作可進行更換的零件，其數量也進一步增多了。

圖1 氣體透平與結構件

1.高速化的電火花加工機

日本牧野銑床制作所研制了電火花加工擴散口的機床EDBV3(見圖2)是針對加工氣體透平發動機葉片表面冷卻孔的專用機床。為了高效率加工這種零件，只要通過一次準備工序，機床便能連續地自動化加工，是利用市場上銷售的管子電極與電火花加工方法在葉片上高速加工成冷卻孔與擴散口 (Diffuser)的形狀展成加工。

使用已研制的機床，在鎳鉻鐵耐熱、耐蝕合金材料718上，借助于黃銅管電極，加工件厚度為4mm，孔徑為φ0.3～φ0.6mm的冷卻孔時，其加工時間為6～7s，電極損耗率為70% ～130%，擴散口的形狀展成時間為15～30s，用以往的機床卻需要花費420min，而使用EDBY3型機床僅為100min。

擴散口加工機床具有以下特點:①每孔加工速度跟該公司以往機床相比，提高了4倍左右。②擴散口與冷卻孔能連續加工。③可縮短電極交換時間。④縮短了加工準備時間。

該機床不僅能支配冷卻效率的擴散口的最佳形狀，提高氣體透平的燃燒溫度 (1500℃以上)，進而還可改善燃燒效率。

(1)擴散口的展成加工 (輪廓加工的組合)該機床是利用了電極損耗率 (100%)較高的放電條件進行高速加工、并使管子電極實施旋轉，以此控制管子電極外周達到均勻的損耗 (見圖3)。

(2)電火花加工的控制把用于能實施高精度、高速加工微細形狀的放電控制技術也應用在以水作加工液的線電極切割加工中，將工件設置在加工液槽中進行加工，通過AD變流器進行內部處理來檢測放電狀態，從而實現了管子電極的高速加工進給。

圖2 擴散口加工機 (EDBV3)

圖3 冷卻孔與擴散口的展成加工

圖4 在加工槽中電火花加工

(3)高壓噴液功能 從管子電極端部邊噴射加工液 (壓力為7MPa)，邊進行加工 (見圖5)，借助于這種加工液的壓力能提高放電加工屑的排出效率與高速加工。而且，因冷卻效率高使得加工面的熱變質層被限制最小限度。

圖5 高壓噴流加工

由于工件的熱變質層小，能使高溫條件下所使用的透平葉片與葉輪增長了使用壽命。

(4)貫通檢測功能 經檢測，當管子電極使工件加工部位貫通之后，電極就會自動移出冷卻孔的上部，停留在1mm以內，然后便斷續對擴散口實施加工，因此縮短了作業的循環時間 (見圖6)。

(5)電極導向器的定位 就準備工序而言，由于將電極夾具、管子電極、穿梭裝置及導向器定位構成為一個整體，所以電極自動交換時，無須在管子電極定位導向器上實施調作業，從而減少了作業時間。

關于電極的定位導向器，因為利用市場品而實現了低成本化。

(6)防止旋轉振擺的選擇指 (Finger) 要使管子電極像夾持在兩葉片中間那樣來約束電極，從而限制了電極中間點上的振擺變大。隨著加工的進展，當管子電極變短時，雖然電極的振擺變小了，然而，由于電極夾具與葉片之間就會產生干擾，此時通過自動控制，能夠予以避免。因為限制了電極的旋轉振擺，所以才能使用市銷品的管子電極實現了電火花穩定的高精度加工 (見圖7)。

圖6 在加工液槽中穩定加工

圖7 工件與旋轉工作臺

作為生產工業用的氣體透平零件加工機的英國Winbro公司，早在30年前已將高速電火花加工機(EDM鉆床)產品化了。在冷卻孔加工的實際效果方面，低噪聲化與提高燃料效率已成為最近關心的題目，因此用戶期望采用新技術來應對。

因此，該公司為了應對用戶的要求而將以下的機床實現了產品化:① 6軸高速電火花加工機HSD—6系列。②激光孔加工機 Laser Drill系列。③激光與電火花加工復合加工機800系列。④激光孔加工與切斷機Delta。⑤管子電極展成加工機STEM。⑥微細孔加工機CD4A。⑦電解加工機等。

2.激光與電火花復合加工機

在上述的800系列中還研制了利用激光與電火花加工的復合功能的加工機 (見圖8)實施孔加工。這是以激光作為加工手段來去除防熱的陶瓷保護膜(TBC:Thermal Barrier Coating)，然后再用電火花加工冷卻孔與擴散口形狀的精加工。

圖8 激光與電火花復合加工機

該機床的主體 (床身)采用樹脂與混凝土原料，在X、Y、Z三軸上配置了直線電動機、在工作臺的旋轉軸上使用了力矩電動機。

各軸的移動量在 X、Y、Z軸分別為 800mm、300mm、700mm，旋轉軸B±150°(100r/min)，旋轉軸C:連續旋轉 (150r/min)。直線移動精度為0.08mm，旋轉精度為10rad·s。在重復精度情況下，直線精度為0.006mm，旋轉精度為8rad·s。工件重量為25kg。ATC可用于4個激光加工工位，電火花加工可用于6個工位。