涡轮盘榫槽电火花线切割加工质量研究

李先国，孙伦业，高鑫，储昭福

（安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

航空发动机和燃气轮机的性能水平是一个国家综合国力的重要体现，其性能优劣直接决定了航空、航海装备的使用性能、安全性和可靠性[1]。作为航空发动机和燃气轮机中关键的热部件和回转部件，涡轮盘的加工质量对发动机的燃烧效率有着至关重要的影响[2]。涡轮叶盘长期工作在恶劣的环境下，对于加工精度和质量有着严苛的要求。榫槽连接结构具有质量小、材料利用率高、拆装方便等优势，被广泛应用于涡轮盘与叶片的连接[3]。然而，涡轮叶盘榫槽材料一般为具有高强度、高硬度的高温合金和钛合金类难加工材料，传统的拉削加工方式在加工效率、质量和精度等方面难以满足实际加工需求，制约了航空发动机、燃气轮机等装备的性能提升[4]。

电火花线切割加工技术利用火花高温放电对加工零件进行切割，材料去除不受工件硬度的限制，适用于切割各种高硬度和高脆性的导电材料，如淬火钢、硬质合金、镍基高温合金等[5]。电极本身损耗对加工精度影响不大，可加工各种结构复杂精密的零件。电火花线切割技术在涡轮盘榫槽加工领域显示出了巨大的技术潜力。目前，国内外众多学者[6-8]关于电火花加工工艺对金属切割质量的影响规律，开展了一系列研究。蒲一民[9]进行了电火花慢走丝线切割加工高温合金涡轮盘枞树型榫槽技术研究，通过仿真与实验对比分析了加工误差，发现加工后的榫槽表面粗糙度满足要求。德国亚琛工业大学[10]采用四道线切割工艺来加工涡轮盘榫槽线，加工表面的重铸层厚度小于2 μm。Fang等[11]进行了电火花线切割高温合金榫槽研究，发现电极进给速率对材料去除率具有重要影响。

在电火花加工中主要加工指标是材料去除率、几何形状误差等，电火花加工参数直接影响着上述加工指标能否达到要求。因此，本文通过采用不同规格种类的电极丝进行榫槽切割工艺，并对加工后的榫槽进行材料去除率、几何形状误差、轮廓精度的质量影响因素分析，来探究电火花线切割对榫槽加工质量的影响。

1 试验材料与设备

1.1 榫槽加工方案建立

本试验所用枞树形榫槽深度h=23.456 mm，榫槽宽w=7.958 mm，最小内半径和最小外半径均为rmin=0.54 mm，其几何形状如图1所示，加工过程如图2所示。

图2 加工过程示意图

1.2 试验设备与工件试样

本试验所用机床为Sodick ALN400Qs 的慢走丝线切割机床。

本试验切割所用方料的材料为GH4169，尺寸规格为40 mm×40 mm×30 mm，如图3所示。其化学成分如表1所示。

表1 GH4169化学成分质量分数 %

图3 切割所用方料

2 试验方法

涡轮盘枞树形榫槽的电火花线切割加工工艺过程分为粗加工和精加工2个工步。粗加工作用是充分释放应力，减小变形对精加工的影响。精加工作用是进一步提高榫槽表面质量。

本试验采用3道工艺线切割榫槽，加工时的参数如表2所示。第一次切割脉冲能量较大，切割速度较快，加工出试验外形轮廓；第二次切割消除因第一次切割能量较大下对工件产生的变形，以提高加工零件的尺寸精度；第三次切割对工件表面进行精修整，减小工件表面的变质层，使榫槽表面粗糙度符合低于Ra0.8 μm的加工质量要求。加工切割轨迹如图4所示。

表2 枞树形榫槽3次线切割加工参数

图4 加工轨迹

本试验采用3 种相同直径、不同材质的电极丝（标准黄铜线、镀锌线和高速线），直径均为0.25 mm。并按顺序分别标号为工件1、工件2、工件3，针对这3种电极丝开展工艺试验，分析不同电极丝的加工性能对榫槽加工质量的影响程度。

影响加工质量的因素主要分为电参数和非电参数，其中电参数有脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流、峰值电压等，非电参数有切削液冲洗压力、电极丝张力、工件材料厚度、走丝速度等[12]。每次更换不同材质的电极丝进行试验时，均要求加工过程中的电参数和非电参数保持相同。

将标号榫槽分别进行材料去除率的计算、几何形状误差和轮廓精度的测量，对结果进行对比分析，比较3种电极丝的加工性能和加工质量，并论证电火花线切割工艺加工涡轮盘榫槽的可行性。

3 工艺试验及分析

3.1 材料去除率的影响

工件的材料去除率是电火花线切割加工过程中一个非常关键的影响因素。本文材料去除率是在确保表面质量的情况下电极丝切割工件材料单位时间内的总面积。

本试验采用3道工艺线切割榫槽，切割总长度为268.24 mm，工件高为30 mm，式（1）、式（2）为材料去除率计算公式，可算出各标号榫槽的材料去除率。

切割工件的总面积为

式中：S为切割总面积，mm2；l为切割工件总长度，mm；h为工件材料高度，mm。

材料去除率为

式中：MRR为材料去除率，mm2/min；S为切割总面积，mm2；t为加工时间，min。

本试验各榫槽的加工时间如表3所示。

表3 各榫槽的加工时间 min

因此，根据上述公式和加工时间可得3种材质电极丝参数下电火花线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

从表3可明显看出，工件2在镀锌丝切割条件下，比工件1在黄铜丝切割条件下快10%左右。由于低熔点的锌对于改善电极丝的放电性能有明显作用，镀锌丝中锌含量偏多可使电火花放电性能比标准黄铜丝好，因此切割速度较快，加工时间较短。

从表4中可明显发现黄铜丝材料去除率最低，其材料去除率为138.74 mm2/min。这是由于黄铜丝中锌含量偏少，在进行榫槽加工时能量转换效率不能够及时提高，导致加工效率较低。高速线的材料去除率最高，达160.94 mm2/min。镀锌丝的材料去除率次之，其材料去除率为149.02 mm2/min，原因是镀锌丝表面涂覆了一层锌，有利于电极丝放电性能的提高。此外，镀锌丝外表面结构增加了电极丝与工作切削液的接触面积，使镀锌丝能够承受更大的电火花放电能量，在加工效率方面优于黄铜丝。

3.2 几何形状偏差的影响

形状误差又称宏观的几何形状误差。本试验测量加工后榫槽的直线度和平面度，目的是检测电火花线切割过程中是否产生较大的应力变形。

本试验将切割后的榫槽试件使用草酸清洗后，使用关节臂测量机进行几何形状误差测量，如图5所示。选择不同位置的直线1、2、3进行直线度检测，试验重复3次测量，取测量值的平均值。

图5 关节臂测量机现场

平面度检测选择不同位置的平面3、4、5，其中平面3和平面4的平面度是以工件左侧面为基准测量，即基准平面B；平面5的平面度是以工件后面为基准测量，即基准平面C。

上述所选直线、平面的示意图如图6所示。为方便观察，将测量的直线度、平面度绘制成表，如表5、表6所示。

表5 各榫槽的直线度偏差 mm

表6 各榫槽的平面度偏差 mm

图6 选择的直线、平面示意图

从表5可发现，由黄铜丝加工的工件1直线度偏差总体最小，最小偏差达到0.001 mm，平均偏差为0.003 mm，工件2采用的普通镀锌丝次之。表明用黄铜丝电火花线切割加工更稳定。

从表6可发现工件1、工件2和工件3在标准黄铜丝、镀锌丝和高速线的加工条件下切割的榫槽平面度偏差几乎相同，它们平面度偏差平均值都在0.002～0.003 mm 范围内，最大偏差仅为0.006 mm，完全符合枞树形榫槽的加工要求。

3.3 轮廓精度的影响

轮廓偏差是描述尺寸精度的主要指标，是指被测实际轮廓相对于理想轮廓的变化。本试验使用型号为VMS-3020F的影像轮廓仪测量加工后榫槽的轮廓偏差。采用100倍放大倍数观察，其黄铜丝观测结果如图7所示。不同材质电极丝加工后的榫槽轮廓偏差如表7所示。

表7 各榫槽的轮廓度偏差 mm

图7 影像轮廓仪测量结果

可以看出，轮廓偏差均在0.030 mm附近浮动，3个榫槽均符合轮廓精度要求。其中在黄铜丝加工条件下轮廓偏差最小，其值为0.026 mm，满足榫槽加工需求。

4 结论

本文对涡轮盘枞树形榫槽这一复杂轮廓零件进行了电火花线切割加工试验，分别对榫槽的材料去除率、几何形状偏差和轮廓精度等进行了计算和检测，分析各评价要求是否满足电火花线切割榫槽的质量，初步掌握了工艺参数和加工质量之间的影响规律，得出了以下几点结论：1）采用高速线切割枞树形榫槽的材料去除率最好，其材料去除率为160.94 mm2/min；黄铜丝的材料去除率最低，为138.74 mm2/min。2）各工件的几何形状偏差均在所要求的偏差0.075 mm之内；枞树形榫槽的直线度、平面度测量结果偏差基本在0.005 mm内，其中采用黄铜丝的切割加工精度最优。3）3组试验中的轮廓偏差都在0.03 mm左右，同时采用黄铜丝试验的轮廓偏差最小，为0.026 mm。

综上所述，在选用标准黄铜丝作为电极丝的条件下，电火花线切割加工质量更优，同时加工质量都符合加工要求。该电火花线切割工艺在加工榫槽方面体现出巨大的技术潜力。