燃氣輪機機匣制造中電火花加工技術的應用

郭學杰，曹天亮，張俊浩，王臻，劉風

燃氣輪機機匣制造中電火花加工技術的應用

郭學杰，曹天亮，張俊浩，王臻，劉風

考慮到電火花加工時需根據實際情況留出合理的放電間隙，并且在進給深度上對工具電極的損耗進行補償，分析幾例電火花加工技術在燃氣輪機機匣制造上的應用，總結燃氣輪機機匣材料與結構的升級改進技術，認為電火花加工技術會更廣泛地應用于燃氣輪機機匣制造中。

燃氣輪機；機匣制造；電火花加工

電火花加工技術由于其獨特的優勢被廣泛應用于生物醫療、航空航天、通信電子等領域，尤其是電火花技術在微小軸、小孔加工及微三維結構制作方面已經顯示出了相當大的發展潛力，受到世界各國學者的普遍關注[1]。國外的微細電火花加工技術已步入工業應用階段，例如，瑞士Sarix公司研制出可以5軸聯動的電火花加工機床SX-100-HPM。日本松下生產了一種商品化高精度微細電火花加工機床MG-ED82W，該機床適用于微力傳感器、微加速度計、微噴頭等微機電系統的研制生產[2]。國內以南京航空航天大學[3]、哈爾濱工業大學[4]與清華大學[5]為代表也在此領域取得了較大進展，開發出各種類型的維細電火花加工裝置。

傳統機械制造領域中的微小孔加工是由刀具對工件施以機械力達到材料去除的效果，但此種加工方法使用的鉆頭直徑細小，極易折斷在工件中。增澤隆久[6]通過在線制作工具電極，成功加工出直徑為5 μm的微孔。余祖元等[7]結合電極行星運動與工件施加超聲波振動，在不銹鋼上加工出平均直徑120 μm，深徑比達29的微孔,代表這一領域的最新進展。此外，余祖元等[8]采用維小電極通過均勻損耗補償的方法加工出微小三維汽車模具型腔，并制作出微汽車模型。

燃氣輪機機匣類零件較多，按照設計結構可以分成兩大類：環形機匣與箱體機匣。隨著機匣結構的持續改進與難加工材料的廣泛應用，機匣的制造需要采用很多先進制造技術，比如，在加工機匣環形件的異型孔時，采用數控激光切割技術；在蜂窩密封結構的機匣采用蜂窩釬焊與蜂窩表面電火花磨削技術[9]。電火花成形加工包括穿孔與型腔加工兩大類[10]，本文提出了電火花加工高精度穿孔與型腔的方法，即對放電間隙與電極軸向損耗進行補償，同時還列舉了幾例電火花加工技術在燃機輪機機匣制造上的應用實例。

1 電火花加工小孔

電火花加工小孔，尤其是孔的尺寸精度要求較高時，需考慮電火花加工的放電間隙與工具電極損耗。孔徑的計算公式為

D=d+2e

(1)

式中：D為目標孔徑；d為電極直徑；e為放電間隙。

工具與工件材料，工作液種類，極性，加工參數決定放電間隙孔的進給深度，計算公式如下。

(2)

(3)

式中：H1為進給深度；H為目標孔深；m為工具電極的絕對損耗率，mm3/min；M為工件的加工速度，mm3/min；v為工具電極相對損耗。

產品鉆孔之前，需首先進行工藝試驗。工藝試驗用的工具電極材料與試驗件材料、極性、工作液與產品加工時一致；加工參數(放電脈寬、峰值電流)與產品加工時一致。通過工藝試驗測算出產品加工狀況下的放電間隙e與工具電極的相對損耗v，通過式(1)控制孔徑，通過式(3)控制孔深。

2 電火花加工型腔

電火花加工型腔是一種仿形加工，即根據工件被加工部位的形狀與尺寸來制作工具電極的形狀與尺寸，兩者之間留出放電間隙。如圖2所示，以燃氣輪機機匣中的第一級鑲嵌件為例，內側型面有若干長寬3 mm、深2.5 mm型腔，型腔側壁厚度0.2～0.4 mm。通過成型電極可一次加工多個型腔，成型電極的多次使用需注意電極的損耗，根據式(3)在進給深度上進行補償，圖3為第一級鑲嵌件電火花加工型腔的實物圖。

3 電火花加工的其他用途

電火花可以加工任何導電材料，不受材料硬度影響，且加工時“無切削力”，有利于加工小孔、薄壁、窄槽，以及各種復雜型面的零件。針對這一特點，電火花加工有一些特殊用途，比如，機加工中出現刀片斷裂且嵌入在窄槽底端，無法取出；絲錐攻絲時斷在孔內，取絲器無法取出時，均可采用電火花加工的方法解決上述問題。

以燃氣輪機機匣中的承力機匣為例，承力機匣有大量螺紋孔(500個左右)，很多螺紋孔在異型曲面上且螺紋孔較小時，有一定的概率絲錐斷在螺紋孔內。承力機匣斜面上M6螺紋孔(深10 mm)攻絲時，絲錐斷在孔內，采用取絲器很難取出絲錐或者取出后破壞底孔。而采用電火花在絲錐處打孔后很容易取出絲錐，且底孔不會破壞。

4 結論

電火花加工的特點使其有利于加工小孔、薄壁、窄槽及各種復雜型面的零件。為了獲得高精度小孔與型腔，電火花加工時需根據實際情況留出合理的放電間隙，并且在進給深度上對工具電極的損耗進行補償。因此在產品加工之前，需首先進行工藝試驗。工藝試驗用的工具電極材料與試驗件材料、極性、工作液與產品加工時一致，且加工參數(放電脈寬、峰值電流)與產品加工時一致。通過工藝試驗測算出產品加工狀況下的放電間隙e與工具電極的相對損耗v。

電火花加工存在“二次放電”現象，即加工屑隨加工液向外排的過程中，與產品已加工表面發生非正常的放電。具體反映在所加工的孔與型腔側壁在加工深度方向產生斜度，如何盡量減小“二次放電”的影響是下一步研究的方向。

[1] 趙萬生,韋紅雨,狄士春,等.微細電火花加工的新進展[J].儀器儀表學報,1996,17(1):65-69.

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[3] 顏國正,趙國光,余承業.微小型任意行程電磁沖擊式納米級步距驅動裝置及其控制技術的研究[J].儀器儀表學報,1996,17(4):391-395.

[4] 馮曉光.蠕動式壓電微小型電火花加工裝置及加工工藝的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,1997.

[5] 李勇.蠕動式壓電/電致伸縮微進給定位機構的研究進展[J].中國機械工程,1999,10(12):1410-1412.

[6] Masuzawa T. State of the Art of Micromachining[J]. Annals of the CIRP,2000,49(2):473-488.

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[8] 余祖元,郭東明,賈振元.微細電火花加工技術[J].中國科技論文在線,2007,2(3):214-220.

[9]《透平機械現代制造技術叢書》編委會.機匣制造技術[M].北京:科學出版社,2002.

[10] 楊叔子.機匣加工工藝師手冊[M].北京:機械工業出版社,2006.

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

Application of the Electrical Discharge Machining Technique in Manufacturing of Gas Turbine Casings

GUO Xue-jie, CAO Tian-liang, ZHANG Jun-hao, WANG Zhen, LIU Feng

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

In the electrical discharge machining process, a reasonable discharge gap needs to be reserved according to practical situations, and compensation on the loss of a tool electrode is performed on the feeding depth. A number of application examples of the electrical discharge machining technique on manufacturing of gas turbine casings were enumerated. It can be concluded that this technique can be more widely applied to manufacturing of gas turbine casings along with up grading and improvement of the materials and structures.

gas turbine; casing manufacturing; electrical discharge machining

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.020

2016-07-14

郭學杰(1987—)，男，碩士，助理工程師研究方向:精密加工，數控加工

U671

A

1671-7953(2017)01-0081-03

修回日期：2016-08-23