葉片封嚴槽的電火花加工方法研究

任鳳英，雷浩強，裴聰

葉片封嚴槽的電火花加工方法研究

任鳳英，雷浩強，裴聰

（中國航發成都發動機有限公司，四川 成都 610503）

采用封嚴槽的電火花加工方法，設計了一種在電極底座上固定的銅鎢合金塊。首先采用數控銑削加工的方式將兩塊銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴槽的形狀一致、位置相匹配的兩個電極。接著，在電極損耗后，同樣采用數控銑削加工的方式重新加工出兩塊銅鎢合金塊相應的電極。減小更換電極的頻率，避免因頻繁更換電極造成電極位置波動而引起的封嚴槽位置度無法保證的問題。該方法使用兩個電極對渦輪導向葉片同一面上的大緣板和小緣板上的封嚴槽進行同時加工，大幅提高了加工效率；同時，以銅鎢合金替代紫銅作為電極材料，銅鎢合金的強度更大，使用過程中電極不容易變形，提高了封嚴槽的加工精度及合格率。

葉片；徑向面；封嚴槽；組合電極；銅鎢合金；數控銑削

渦輪導向葉片是航空發動機部件中承受高溫和熱沖擊最厲害的零件，其工作條件十分惡劣[1]。葉片除受到較大的氣動功與不穩定的脈動負荷外，還處于高溫燃氣包圍中，工作環境的溫度高且冷熱變化大，葉片的受熱嚴重不均勻。由于高溫合金具有優良的高溫強度和硬度，因此常作為制作渦輪導向葉片的首選材料[2]。

為減小航空發動機漏氣損失，提高封嚴效果，需要在渦輪導向葉片上加工封嚴槽[1]。封嚴槽分別分布于葉片的大緣板和小緣板上，由于封嚴槽的槽深較深、槽寬較窄，加工的位置度要求和精度要求高，因而加工難度大。

1 葉片窄深封嚴槽的電火花加工現狀

一種帶封嚴槽的葉片如圖1所示。大緣板盆徑向面和背徑向面槽結構示意圖如圖2所示。小緣板盆徑向面和背徑向面上的封嚴槽結構示意如圖3所示。圖2中的K1－K1視圖以及圖3的K2－K2視圖如圖4所示。

1.大緣板盆徑向面 2.小緣板盆徑向面 3.大緣板背徑向面 4.小緣板背徑向面

5.大緣板盆徑向面和背徑向面上的封嚴槽

葉片窄深封嚴槽加工研制初期，采用活動的單個電極分別對葉片大、小緣板上的封嚴槽進行單獨加工，加工易變形，封嚴槽尺寸及封嚴槽位置度不易保證，合格率極低。在設計電極時，把上、下緣板電極設計成單獨的活動塊，每個活動塊之間用螺釘連接后，再用另一組螺釘將活動塊組固定在電極底座上。因封嚴槽尺寸公差小，位置度要求高，形狀復雜，兩個單個電極與電極底座裝配間隙要求也很高。裝配完成后需對電極進行測量，測量合格后才能進行加工。電極經試加工完零件后，經對零件的檢測，槽寬尺寸及上、下緣板相對的位置度不能保證，且電極消耗很快，加工一件零件，就需更換一次電極。以活動電極塊加工的零件不能夠滿足設計。研制初期設計的活動電極如圖5所示。

6.小緣板盆徑向面和背徑向面上的封嚴槽

圖4 圖2的K1－K1視圖及圖3的K2－K2視圖

圖5 研制初期設計的活動電極

電極材料采用紫銅，損耗快，一個電極僅能加工一件葉片，加工效率極低。電極損耗后，更換困難、耗時長。研制初期設計的活動電極加工零件封嚴槽示意圖如圖6所示。

2 葉片封嚴槽的電火花加工方法改進方案設計原理

新的葉片封嚴槽電火花加工方法需要實現以下功能：①保證葉片封嚴槽及位置度加工尺寸穩定；②減小電極損耗、提高加工效率；③減小電火花重熔層深度；④電極損耗后，可以快速修復后使用。

圖6 研制初期設計的活動電極加工零件封嚴槽示意圖

為實現以上功能，葉片封嚴槽的電火花加工方法設計原理為：采用組合加工式電極一次加工大小緣版窄深封嚴槽工藝，實現葉片集成加工，達到高效加工難加工材料的目的。設計總體思路為：將兩塊銅鎢合金塊分別固定在電極底座上，然后采用銑削加工的方式將兩塊銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴槽的形狀一致、位置相匹配的兩個電極。兩個電極與底座相連形成組合電極，保證封嚴槽尺寸及位置度要求。電極材料選用銅鎢合金，提高電極耐磨性，延長電極使用壽命。設計葉片電火花加工封嚴槽專用夾具，采用優化的電火花加工參數，實現葉片封嚴槽高精度、高效率加工。

3 葉片封嚴槽的電火花加工方法改進方案試驗

采用了兩種試驗方法，參數要求見表１。

試驗方法的步驟如下：

（1）取兩塊銅鎢合金塊，分別記作第一銅鎢合金塊9和第二銅鎢合金塊10，銅鎢合金塊上設置定位銷孔和螺紋孔，將第一銅鎢合金塊9和第二銅鎢合金塊10通過定位銷14定位后由螺釘15固定在電極底座7底面的兩端，電極底座的兩端還設有檢驗孔13，分別用于檢測第一電極和第二電極在銑削加工成型后的位置度，在電極底座上安裝夾頭8，夾頭8包括主軸連接部8-1和帶螺紋孔的底座連接部8-1，主軸連接部8-1穿過電極底座上設置的夾頭安裝通孔且使底座連接部8-1通過螺釘15固定在電極底座上，然后置于數控銑床上采用銑削加工的方式將第一銅鎢合金塊、第二銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴槽的形狀一致、位置相匹配的第一電極11和第二電極12，如圖7所示。

（2）加工葉片的大緣板盆徑向面1和小緣板盆徑向面2上的封嚴槽：將葉片置于封嚴槽加工用夾具中，使葉片的排氣邊、背徑向面、大緣板圓弧端面分別與夾具相應定位面定位，葉片與夾具定位面之間的間隙不大于0.02 mm，保證定位可靠后，用壓板將渦輪導向葉片壓緊，將裝置好葉片的夾具固定在電火花加工機床的工作臺面上，將帶電極的電極底座通過其上的夾頭固定在電火花加工機床的主軸上，使第一電極和第二電極分別對準葉片大緣板盆徑向面1和小緣板盆徑向面2上的待加工部位，電火花加工采用脈沖電源，實驗1和實驗2的控制電壓、電流、放電間隙分別如表1所示，并使電極與待加工部位之間充滿煤油，啟動電火花加工機床，使第一電極和第二電極相對封嚴槽深度方向以0.5 mm/min的給進速度對大緣板盆徑向面1和小緣板盆徑向面2的待加工部位進行電火花加工，該徑向面上的封嚴槽加工完成后，將葉片從夾具中取出，用封嚴槽專用測具進行檢測，結果表明封嚴槽的加工精度和位置度以及表面質量均符合要求。

（3）加工葉片的大緣板背徑向面3和小緣板背徑向面4上的封嚴槽：將步驟（2）加工完畢的葉片置于封嚴槽加工用夾具中，使葉片的進氣邊、盆徑向面、大緣板圓弧端面分別與夾具相應定位面定位，葉片與夾具定位面之間的間隙不大于0.02 mm，保證定位可靠后，用壓板將葉片壓緊，將固定好葉片的夾具固定在電火花加工機床的工作臺面上，將帶電極的電極底座通過其上的夾頭固定在電火花加工機床的主軸上，使第一電極和第二電極分別對準葉片大緣板背徑向面3和小緣板背徑向面4上的待加工部位，電火花加工采用脈沖電源，控制電壓為75 V，電流為6 A，放電間隙為0.05 mm，并使電極與待加工部位之間充滿煤油，啟動電火花加工機床，使第一電極和第二電極相對封嚴槽深度方向以0.5 mm/min的給進速度對大緣板背徑向面3和小緣板背徑向面4的待加工部位進行電火花加工，該徑向面上的封嚴槽加工完成后，將葉片從夾具中取出，用封嚴槽專用測具進行檢測。結果表明：封嚴槽的加工精度和位置度以及表面質量均符合要求。實驗1和實驗2的金相檢查電加工部位的重熔層深度為0.023和0.028，符合設計要求。

在對封嚴槽進行加工的過程中，當第一電極和第二電極損耗后，將損耗后的第一電極和第二電極銑掉，采用數控銑床以銑削加工的方式將固定在電極底座上的銅鎢合金重新加工成電極后繼續進行封嚴槽的加工，當第一銅鎢合金塊和第二銅鎢合金塊用至不能銑削成第一電極和第二電極后，將電極底座上的第一銅鎢合金塊和第二銅鎢合金塊更換成新的并重新銑削加工第一電極和第二電極即可。

7.電極底座 8.夾頭 8-1.主軸連接部 8-2.底座連接部 9.第一銅鎢合金塊 10.第二銅鎢合金塊 11.第一電極 12.第二電極 13.檢驗孔 14.定位銷 15.螺釘

表1 兩種實驗方法的參數要求

4 主要創新點

（1）葉片封嚴槽的電火花加工方法，在電極底座上固定兩塊銅鎢合金塊，采用銑削加工的方式將兩塊銅鎢合金塊加工成形狀、位置分別與導向葉片大緣板和小緣板上待加工封嚴槽的形狀一致、位置相匹配的兩個電極，形成組合電極，保證了封嚴槽尺寸及位置度要求。

（2）在電極損耗后[4]，采用銑削加工的方式對兩塊銅鎢合金塊重新加工出相應的電極即可，這樣能大幅度減小更換電極的頻率，避免因頻繁更換電極造成電極位置波動而引起的封嚴槽位置度無法保證的問題。

（3）該方法使用兩個電極同時對導向葉片同一面上的大緣板和小緣板上的封嚴槽進行加工，能大幅度提高加工效率。

（4）以銅鎢合金替代紫銅作為電極材料，銅鎢合金的強度更大，使用過程中電極不容易變形，有利于提高封嚴槽的加工精度、提高加工合格率。

5 試驗效果

（1）在采用在銅鎢合金塊上反復加工電極的技術手段的基礎上，電壓、電流、放電間隙以及電極給進速度等工藝參數的控制和匹配合理，因此該方法能夠保證封嚴槽的加工精度和位置度，提高加工合格率，減小重熔層深度，滿足設計要求。

（2）采用的電極底座上設有分別用于檢測兩個電極在銑削加工成型后位置度的檢驗孔，并采用數控銑床銑削加工兩個電極，上述因素都有利于保證兩個電極的加工精度，從而為葉片封嚴槽的加工精度和位置度提供有力保障。

（3）將兩塊銅鎢合金通過螺紋連接的方式固定在電極底座上，當銅鎢合金塊用至不能再銑削加工成電極時，這種連接方式有利于方便快速地更換新的銅鎢合金塊，節約生產時間，提高生產效率[5]。

（4）采用現有電火花加工設備及數控銑床即可進行生產，并且適用于葉片上各種結構的封嚴槽的加工，有利于推廣應用。既可適用于機械加工性能極差的鎳基高溫合金材料的葉片加工[6]，也可用于不繡鋼葉片的加工，適用范圍較廣。葉片封嚴槽的電火花加工方法改進方案試驗加工，用創新設計制造的組合加工式電極實物圖片如圖8所示，加工的零件三維圖片如圖9所示。

圖8 創新設計制造的組合加工式電極實物圖片

圖9 試驗方案加工的零件三維圖片

6 結論

實驗表明，與采用現有的大、小緣板封嚴槽活動加工電極單獨加工的方法相比，同樣加工葉片的大、小緣板的盆、背徑向面上封嚴槽，采用創新改進后的方法加工封嚴槽，加工合格率提高了60%以上，加工成本降低了30%以上，加工周期縮短了50%以上，并且每一組電極平均可加工8～10件葉片，使用壽命更長。

葉片封嚴槽的電火花加工方法應用以來，國內已應用到艦載燃氣輪機、航空發動機葉片加工，國外已應用到大型燃氣輪機葉片加工，對國內外航空業、電力業及其他動力行業起到了一定的推動作用。

[1]沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司. 葉片制造技術（第一版）[M]. 北京：科學出版社，2002.

[2]（英）羅格 C.里德（Roger C.Reed）. 高溫合金基礎與應用（第1版）[M]. 北京：機械工業出版社，2016：1-3.

[3]周旭光，等. 特種加工技術（第1版）[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[4]趙萬生. 先進電火花加工技術（第1版）[M]. 北京：國防工業出版社，2003.

[5]任鳳英. 用于加工航空發動機導向葉片封嚴槽的組合加工式電極[P]. 中國專利：ZL201521010381.8.

[6]王亞梅. 激光熔覆增才修復技術在航空發動機葉片上的應用研究[J]. 航空動力制造，2018，39（2）：3-5.

Edm Method for Blade Sealing Groove

REN Fengying，LEI Haoqiang，PEI Cong

( Chengdu Engine Co., Ltd., AECC, Chengdu 610503, China )

In this paper, a copper-tungsten alloy block fixed on the electrode base is designed by edm method of sealing groove. First, the two copper-tungsten alloy blocks were processed by numerical control milling into two electrodes with the shape and position of the sealing groove on the large edge plate and the small edge plate respectively. Then, after the electrode loss, two corresponding electrodes of copper-tungsten alloy were reprocessed by CNC milling processing, so as to reduce the frequency of electrode replacement and avoid the problem that the position degree of sealing groove could not be guaranteed due to the fluctuation of electrode position caused by frequent electrode replacement. In this method, two electrodes are used to simultaneously process the sealing groove of the large edge plate and the small edge plate on the same surface of the turbine guide blade, which greatly improves the machining efficiency. At the same time, copper-tungsten alloy is used to replace red copper as electrode material. The former has higher strength, and it is very difficult for electricity to be deformed in the process of use, which improves the machining accuracy and qualification rate of sealing groove.

vane；radial surface；air seals；compound electrode；CuW alloy；CNC milling

V261.6+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.012

1006－0316 (2020) 04－0070－05

2019－09－10

任鳳英（1972－），四川渠縣人，高級工程師，主要從事葉片加工技術工作。