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航空发动机高涡叶片气膜孔电火花加工工艺参数优化
2013-5-5  来源:  作者:

    高速电火花小孔加工原理

  高速电火花小孔加工是近年来一项新兴的先进制造技术。

  其原理是在旋转的中空管状电极中通以高压工作液,冲走加工屑,同时保持高电流密度连续正常放电。电极旋转可使端面损耗均匀,不致受高压、高速工作液的反作用力而偏斜。然而,在电火花小孔加工特别是深孔加工时,容易在工件上留下毛刺料芯以及被去除的工件材科的微小颗粒,阻碍工作液的高速流通,使加工速度低、加工不稳定以及工具电极损耗增大等,而这些滞留在狭小加工间隙中的微小颗粒又往往会引起二次放电的产生,使加工过程不稳定,甚至产生短路现象,导致加工难以进行。

  另一方面,由于小直径的工具电极在加工过程中易产生晃动或振动,更有助于发生二次放电现象。正是由于电火花小孔加工存在这种二次放电造成重熔层厚度增加所带来的弊处,使得对航空发动机高压涡轮叶片的加工工艺提出了更高的技术要求。通过工艺试验和验证,我们对电火花小孔加工工艺参数进行合理的优化,可以达到减小重熔层、提高气膜孔加工质量的目的。

  高涡叶片气膜孔加工工艺分析

  高压涡轮叶片是航空发动机透平机中的关键部件,它工作环境十分恶劣。在发动机循环中,高压涡轮叶片承受着燃烧后产生的高温高压燃气的冲击,有效的冷却措施既可以保证发动机安全可靠的工作,延长发动机的使用寿命,也可以降低高温材料的成本。发动机的性能在很大程度上取决于涡轮进口温度的高低,它受到涡轮叶片材料和结构的限制。因此对涡轮叶片进行连续不断的冷却,使之可以在允许的工作环境温度中超过材料的熔点仍能安全可靠地工作。

  气膜冷却技术是具有代表性的重要结构改进之一,大大提高了发动机的性能:气膜冷却就是在涡轮叶片叶身上沿叶高方向分布了n排冷却气膜孔,从气膜孔喷出的冷却气流在叶身表面形成气膜,阻隔高温的燃气,从而提高叶片材料的耐高温性能。冷却气膜孔的加工质量直接影响了高压涡轮叶片的冷却效果,并影响到叶片的T作寿命。

  气膜冷却孔的加工方法通常有激光加工(Laser)、电火花加工(EDM)等方式。前者加工速度快,成本低,但是由于激光的烧熔作用,孔内粗糙度不均匀,形成较厚的重熔层,实际测量的孔直径要小于孔的实际通流直径;后者加工精度高,孔内粗糙度均匀,且重熔层较薄,可以加工成形孔,但是加工时间较长,成本较高。

  为了得到较好的气膜孔加工质量,目前在航空制造业中高涡叶片气膜孔大都采用电火花方式进行加工。在气膜孔的电火花加工过程中存在以下几个向题:①工作液压力降低、基体杂质、内腔表面型芯残留附着物等会导致加工时间延长,造成重熔层增厚超标,甚至出现微裂纹。②在气膜孔补加工时,电极与原孔完全重合困难,容易产生二次放电,对零件表面状态会造成影响。③目前国内没有气膜孔内腔斜孔锐角尖边倒圆的成熟加工技术。由此可见,重熔层的厚度是影响气膜孔质量的关键要素,通过工艺参数的优化可实现重熔层厚度最小化,以改善气膜孔的加工质量。

  重熔层厚度是参数设计中用来度量气膜孔加工质量的指际,是参数设计的核心因素,其基本思想是通过选择系统中所有参数的最佳水平组合,使气膜孔的加工质量最好,重熔层厚度值越小,气膜孔的加工质量就越好。重熔层的分析过程实际上是一个择优的问题,它通过使用正交表,以重熔层厚度T作为气膜孔加工质量的评价指标,运用统计技术进行分析,确定最佳水平组合。重熔层厚度值的极差越大,影响因素水平就越高。

  在机械制造业中,钛合金材料具有其他金属材料无法拥有的特点:比强度高,热强性高,抗蚀性好;合金密度仅为钢的58%,因此,利用钛合金材料做成的薄壁壳体结构件,将成为国防产品通用工件。由于工件壁薄,加工容易变形,径向夹紧力使工件产生弹性变形,刀具磨损快使加工尺寸不稳定,不易保证加工质量,使工件废品率及加工成本居高不下,工件加工变形一直困扰技术人员及加工操作者。
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