集束電極在三元閉式葉輪電火花加工中的應用研究

孫維澤

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

三元閉式葉輪葉片曲率大，加工刀具可達性差，葉輪材料也多為難切削材料，其整體加工方法一直是國內外的研究熱點。電火花加工是采用電腐蝕的方式進行加工，它加工精度高，無宏觀切削力，可以加工任意硬度的材料，加工任意復雜型面，因此被廣泛的應用于三元閉式葉輪的加工中。

但是，受到其放電加工機理的制約，相比銑制加工，電火花葉輪加工效率十分低，例如，加工φ400的葉輪，加工周期至少要35天，完全無法滿足生產需求。而且隨著加工過程的深入，如果流道內排渣不暢，產生的殘渣容易堆積在流道內部，造成積碳現象，進一步影響生產效率，積碳嚴重時，還會導致產品的報廢。

集束電極由大量具有簡單截面形狀的單元電極組合而成，上海交通大學的李磊曾進行集束電極電火花加工性能研究，提升了開式葉輪的粗加工效率。

本文為了解決三元閉式葉輪電火花加工效率低的難題，采用集束型粗加工電極與實體電極相結合的方式進行閉式葉輪電火花加工，并對加工工藝參數進行了的優化設計，最終應用于生產中，完成了電火花葉輪的加工。

1 三元閉式葉輪的結構及加工難點

圖1為一典型三元閉式葉輪三維模型圖，該葉輪主要結構如下。

圖1 三元閉式葉輪模型

葉輪直徑為400mm，流道出口寬度為34mm，葉輪高度為135mm，共13個葉片，葉片厚度為4mm，葉根圓角為R3，葉輪材料為高溫合金，該材料硬度很高，采用銑制方法加工時刀具損耗嚴重，無法進行銑削預加工，只能完全采用電火花加工。

由于完全采用電火花加工，相當于加工一斜向上的深孔，由于該葉輪流道徑向距離較長，達到了110mm,導致電火花加工過程中流道內部沖油十分困難，流道內的殘渣很難實現及時排出，影響加工效率。因此，本文的研究重點在于實現加工過程中流道內部的及時沖油排渣，提升粗加工效率，進而提升整體的加工效率。

2 三元閉式葉輪電極規劃

粗加工電極：粗加工電極主要用于葉輪流道內的貫通，按照加工區域可分為入口粗加工電極T0，出口粗加工電極B0，之前的電火花加工中都采用的是實體粗加工電極，加工過程中沖油排渣都較為不便，影響加工效率，因此，本文后面將設計集束型粗加工電極及其夾持器，提高粗加工的效率。

集束電極是由簡單的圓柱電極組合而成的，只需要調整電極長度，無須加工，制備方式簡單，節約電極制備時間；其主體材料的圓柱電極批量購買成本較低，可以進一步節約生產成本。半精加工電極：粗加工后，流道內部的余量不均勻，半精加工電極是用于光順粗加工電極加工后的余量，并減小流道內余量使其小于0.1mm，以方便后續的精加工。半精加工電極分為入口電極T1、T2，出口電極B1、B2、B3，電極的減寸量一般為0.6mm，平動半徑為0.5mm。精加工電極：精加工是用來完成流道內部的加工，并達到流道內表面粗糙度要求，精加工電極的分類與半精加工電極一致，但是，其減寸量小于半精加工電極，一般為0.2mm，平動半徑也為0.2mm。

3 電火花加工用電極設計及制備

3.1 粗加工電極

實體粗加工電極：之前的設計方案如圖2所示，為保證加工電流達到最大，設計該電極時，首先，相對流道內表面，電極偏置量為1mm，為了利于電極加工，電極各個側面形狀分割為直面。

圖2 實體粗加工電極

集束粗加工電極：本文設計的三元閉式葉輪集束粗加工電極：其結構包括可調節電極座、集束電極夾頭、集束電極、沖油管等四部分組成，能夠實現集束電極的穩固夾持，并實現流道內部沖油。可調節電極座分為固定電極座和旋轉電極座兩部分，固定電極座與電極卡具接口緊密連接，下端有一旋轉軸，與旋轉電極座相連接。旋轉電極座是連接固定電極座及集束電極夾頭。其上端與固定電極座相連接，可調節旋轉角度，調節后通過螺栓固定角度。中間有一通孔，中間穿過集束電極套筒，下部和側面也都有螺栓進行固定。集束電極夾頭是用來固定集束電極的零件。夾頭的夾緊端外側面是錐面，在受到預緊力時，可以實現徑向均勻收縮，從而完成對電極的夾緊。沖油管通過沖油嘴與集束電極夾頭相連接，實現加工過程中流道內部沖油。

3.2 半精加工電極及精加工電極

半精加工電極與精加工電極結構一致，區別在于減寸量不同，因此設計方法相同。設計原則如下：

（1）保證電極的尺寸最大化，并盡可能減少電極數量，這樣既可以提升電極的強度，降低電極斷裂風險，增大電極放電面積，提高加工速度，又可以減少電火花加工的程序數量，進一步縮短加工時間。

（2）保證流道內能夠完全加工，電極分割面需要設計一定的搭接量，保證加工后接痕處沒有條狀殘留，避免二次加工，同時，提高葉輪加工質量。

（3）放電區域根據流道形狀設計，不放電區域盡可能簡單，盡量設計為直面，降低電極加工難度，減少電極斷裂的風險。根據上述原則，電極設計結構如圖3所示，共設計五種電極T1、T2、B1、B2、B3，電極減寸量分別為半精加工電極0.6mm，精加工電極0.2mm。

圖3 半精及精加工電極結構設計

4 電極軌跡設計

4.1 粗加工電極軌跡設計

粗加工電極設計方案選擇上文設計的集束粗加工電極，由于電極為直線型，軌跡設計較為簡單，只需要在電極所在直線的延長線上選兩點坐標即可，但要保證電極起點位置在葉輪外，重點坐標為設計電極時的坐標。

4.2 半精加工及精加工電極軌跡設計

半精及精加工軌跡設計時，要保證電極不發生過切現象，這就需要借助仿真軟件進行仿真驗證，并不斷地對電極模型及軌跡進行修改，直到電極能夠順利進入流道并不發生過切。半精及精加工前部分軌跡相同，區別在于最后的平動半徑。

5 三元閉式葉輪電火花加工試驗

驗證試驗是在德國exeron公司的EDM316五軸聯動數控電火花成型機床上完成的。該機床可提供的峰值電流極值為100A。粗加工首先采用實體電極和集束電極分別進行，為保證實驗條件相同，采取相同的加工參數。粗加工后采用相同的半精加工及精加工方式進行加工，加工時間如表1所示。

表1 單孔加工時長

加工分析：在用實體電極加工時，盡管采用了電極抬刀運動來改善極間沖液，但實際效果有限，致使實體電極的電蝕產物很難有效排出。當加工時，會形成拉弧或者短路而使加工無法正常進行。在用集束電極加工時因進行了流道內沖油，從而可以實現更高的峰值電流。由表可知，集束電極可實現高效粗加工，粗加工時間僅為實體電極的33%。但是，半精加工階段集束電極耗費時間更長，這是由于集束電極端面為擬合型面，不是三維連續的型面。這決定了相對實體電極，利用集束電極進行粗加工后為后續半精加工殘留更大加工余量，需要的半精加工時間更長。但就總加工時間而言，集束電極的粗加工時間仍為傳統電極的70%左右。

綜上所述，采用集束電極進行電火花加工不僅可以有效縮短電極準備時間，降低電極成本，而且可以提高加工效率、縮短加工周期，是一種理想的粗加工方法。當加工型腔的面積更大及所需材料去除量增加時，集束電極在降低成本、縮短加工周期方面的優勢會進一步加強。

6 加工檢測

電火花加工后，采用機床的在線檢測系統對葉輪進行檢測，加工誤差小于0.05mm，葉輪粗糙度小于Ra1.6，滿足加工需求。

7 結語

集束電極應用于三元閉式電火花葉輪的加工中，解決了電火花葉輪加工效率低的難題，本文得出了以下結論。

（1）集束電極是由多個簡單形狀的單元電極組合而成的，制備方式簡單，加工成本低于實體電極。

（2）采用集束型粗加工電極可以有效提升電火花加工效率，縮短加工周期。

（3）集束電極與實體電極組合加工方式可以應用于三元閉式葉輪的加工中。