渦輪盤榫槽電火花線切割加工質量研究

李先國，孫倫業，高鑫，儲昭福

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

航空發動機和燃氣輪機的性能水平是一個國家綜合國力的重要體現，其性能優劣直接決定了航空、航海裝備的使用性能、安全性和可靠性[1]。作為航空發動機和燃氣輪機中關鍵的熱部件和回轉部件，渦輪盤的加工質量對發動機的燃燒效率有著至關重要的影響[2]。渦輪葉盤長期工作在惡劣的環境下，對于加工精度和質量有著嚴苛的要求。榫槽連接結構具有質量小、材料利用率高、拆裝方便等優勢，被廣泛應用于渦輪盤與葉片的連接[3]。然而，渦輪葉盤榫槽材料一般為具有高強度、高硬度的高溫合金和鈦合金類難加工材料，傳統的拉削加工方式在加工效率、質量和精度等方面難以滿足實際加工需求，制約了航空發動機、燃氣輪機等裝備的性能提升[4]。

電火花線切割加工技術利用火花高溫放電對加工零件進行切割，材料去除不受工件硬度的限制，適用于切割各種高硬度和高脆性的導電材料，如淬火鋼、硬質合金、鎳基高溫合金等[5]。電極本身損耗對加工精度影響不大，可加工各種結構復雜精密的零件。電火花線切割技術在渦輪盤榫槽加工領域顯示出了巨大的技術潛力。目前，國內外眾多學者[6-8]關于電火花加工工藝對金屬切割質量的影響規律，開展了一系列研究。蒲一民[9]進行了電火花慢走絲線切割加工高溫合金渦輪盤樅樹型榫槽技術研究，通過仿真與實驗對比分析了加工誤差，發現加工后的榫槽表面粗糙度滿足要求。德國亞琛工業大學[10]采用四道線切割工藝來加工渦輪盤榫槽線，加工表面的重鑄層厚度小于2 μm。Fang等[11]進行了電火花線切割高溫合金榫槽研究，發現電極進給速率對材料去除率具有重要影響。

在電火花加工中主要加工指標是材料去除率、幾何形狀誤差等，電火花加工參數直接影響著上述加工指標能否達到要求。因此，本文通過采用不同規格種類的電極絲進行榫槽切割工藝，并對加工后的榫槽進行材料去除率、幾何形狀誤差、輪廓精度的質量影響因素分析，來探究電火花線切割對榫槽加工質量的影響。

1 試驗材料與設備

1.1 榫槽加工方案建立

本試驗所用樅樹形榫槽深度h=23.456 mm，榫槽寬w=7.958 mm，最小內半徑和最小外半徑均為rmin=0.54 mm，其幾何形狀如圖1所示，加工過程如圖2所示。

圖2 加工過程示意圖

1.2 試驗設備與工件試樣

本試驗所用機床為Sodick ALN400Qs 的慢走絲線切割機床。

本試驗切割所用方料的材料為GH4169，尺寸規格為40 mm×40 mm×30 mm，如圖3所示。其化學成分如表1所示。

表1 GH4169化學成分質量分數 %

圖3 切割所用方料

2 試驗方法

渦輪盤樅樹形榫槽的電火花線切割加工工藝過程分為粗加工和精加工2個工步。粗加工作用是充分釋放應力，減小變形對精加工的影響。精加工作用是進一步提高榫槽表面質量。

本試驗采用3道工藝線切割榫槽，加工時的參數如表2所示。第一次切割脈沖能量較大，切割速度較快，加工出試驗外形輪廓；第二次切割消除因第一次切割能量較大下對工件產生的變形，以提高加工零件的尺寸精度；第三次切割對工件表面進行精修整，減小工件表面的變質層，使榫槽表面粗糙度符合低于Ra0.8 μm的加工質量要求。加工切割軌跡如圖4所示。

表2 樅樹形榫槽3次線切割加工參數

圖4 加工軌跡

本試驗采用3 種相同直徑、不同材質的電極絲（標準黃銅線、鍍鋅線和高速線），直徑均為0.25 mm。并按順序分別標號為工件1、工件2、工件3，針對這3種電極絲開展工藝試驗，分析不同電極絲的加工性能對榫槽加工質量的影響程度。

影響加工質量的因素主要分為電參數和非電參數，其中電參數有脈沖寬度、脈沖間隙、峰值電流、峰值電壓等，非電參數有切削液沖洗壓力、電極絲張力、工件材料厚度、走絲速度等[12]。每次更換不同材質的電極絲進行試驗時，均要求加工過程中的電參數和非電參數保持相同。

將標號榫槽分別進行材料去除率的計算、幾何形狀誤差和輪廓精度的測量，對結果進行對比分析，比較3種電極絲的加工性能和加工質量，并論證電火花線切割工藝加工渦輪盤榫槽的可行性。

3 工藝試驗及分析

3.1 材料去除率的影響

工件的材料去除率是電火花線切割加工過程中一個非常關鍵的影響因素。本文材料去除率是在確保表面質量的情況下電極絲切割工件材料單位時間內的總面積。

本試驗采用3道工藝線切割榫槽，切割總長度為268.24 mm，工件高為30 mm，式（1）、式（2）為材料去除率計算公式，可算出各標號榫槽的材料去除率。

切割工件的總面積為

式中：S為切割總面積，mm2；l為切割工件總長度，mm；h為工件材料高度，mm。

材料去除率為

式中：MRR為材料去除率，mm2/min；S為切割總面積，mm2；t為加工時間，min。

本試驗各榫槽的加工時間如表3所示。

表3 各榫槽的加工時間 min

因此，根據上述公式和加工時間可得3種材質電極絲參數下電火花線切割榫槽的材料去除率，如表4所示。

表4 各榫槽的材料去除率 mm2/min

從表3可明顯看出，工件2在鍍鋅絲切割條件下，比工件1在黃銅絲切割條件下快10%左右。由于低熔點的鋅對于改善電極絲的放電性能有明顯作用，鍍鋅絲中鋅含量偏多可使電火花放電性能比標準黃銅絲好，因此切割速度較快，加工時間較短。

從表4中可明顯發現黃銅絲材料去除率最低，其材料去除率為138.74 mm2/min。這是由于黃銅絲中鋅含量偏少，在進行榫槽加工時能量轉換效率不能夠及時提高，導致加工效率較低。高速線的材料去除率最高，達160.94 mm2/min。鍍鋅絲的材料去除率次之，其材料去除率為149.02 mm2/min，原因是鍍鋅絲表面涂覆了一層鋅，有利于電極絲放電性能的提高。此外，鍍鋅絲外表面結構增加了電極絲與工作切削液的接觸面積，使鍍鋅絲能夠承受更大的電火花放電能量，在加工效率方面優于黃銅絲。

3.2 幾何形狀偏差的影響

形狀誤差又稱宏觀的幾何形狀誤差。本試驗測量加工后榫槽的直線度和平面度，目的是檢測電火花線切割過程中是否產生較大的應力變形。

本試驗將切割后的榫槽試件使用草酸清洗后，使用關節臂測量機進行幾何形狀誤差測量，如圖5所示。選擇不同位置的直線1、2、3進行直線度檢測，試驗重復3次測量，取測量值的平均值。

圖5 關節臂測量機現場

平面度檢測選擇不同位置的平面3、4、5，其中平面3和平面4的平面度是以工件左側面為基準測量，即基準平面B；平面5的平面度是以工件后面為基準測量，即基準平面C。

上述所選直線、平面的示意圖如圖6所示。為方便觀察，將測量的直線度、平面度繪制成表，如表5、表6所示。

表5 各榫槽的直線度偏差 mm

表6 各榫槽的平面度偏差 mm

圖6 選擇的直線、平面示意圖

從表5可發現，由黃銅絲加工的工件1直線度偏差總體最小，最小偏差達到0.001 mm，平均偏差為0.003 mm，工件2采用的普通鍍鋅絲次之。表明用黃銅絲電火花線切割加工更穩定。

從表6可發現工件1、工件2和工件3在標準黃銅絲、鍍鋅絲和高速線的加工條件下切割的榫槽平面度偏差幾乎相同，它們平面度偏差平均值都在0.002～0.003 mm 范圍內，最大偏差僅為0.006 mm，完全符合樅樹形榫槽的加工要求。

3.3 輪廓精度的影響

輪廓偏差是描述尺寸精度的主要指標，是指被測實際輪廓相對于理想輪廓的變化。本試驗使用型號為VMS-3020F的影像輪廓儀測量加工后榫槽的輪廓偏差。采用100倍放大倍數觀察，其黃銅絲觀測結果如圖7所示。不同材質電極絲加工后的榫槽輪廓偏差如表7所示。

表7 各榫槽的輪廓度偏差 mm

圖7 影像輪廓儀測量結果

可以看出，輪廓偏差均在0.030 mm附近浮動，3個榫槽均符合輪廓精度要求。其中在黃銅絲加工條件下輪廓偏差最小，其值為0.026 mm，滿足榫槽加工需求。

4 結論

本文對渦輪盤樅樹形榫槽這一復雜輪廓零件進行了電火花線切割加工試驗，分別對榫槽的材料去除率、幾何形狀偏差和輪廓精度等進行了計算和檢測，分析各評價要求是否滿足電火花線切割榫槽的質量，初步掌握了工藝參數和加工質量之間的影響規律，得出了以下幾點結論：1）采用高速線切割樅樹形榫槽的材料去除率最好，其材料去除率為160.94 mm2/min；黃銅絲的材料去除率最低，為138.74 mm2/min。2）各工件的幾何形狀偏差均在所要求的偏差0.075 mm之內；樅樹形榫槽的直線度、平面度測量結果偏差基本在0.005 mm內，其中采用黃銅絲的切割加工精度最優。3）3組試驗中的輪廓偏差都在0.03 mm左右，同時采用黃銅絲試驗的輪廓偏差最小，為0.026 mm。

綜上所述，在選用標準黃銅絲作為電極絲的條件下，電火花線切割加工質量更優，同時加工質量都符合加工要求。該電火花線切割工藝在加工榫槽方面體現出巨大的技術潛力。