張 勃，許慶平，董志軼，王文浩，倪敏敏

（蘇州電加工機床研究所有限公司，機械工業(yè)電加工技術重點實驗室，江蘇 蘇州 215011）

在發(fā)動機循環(huán)中，渦輪葉片承受著高溫高壓燃氣沖擊(目前渦輪葉片工作溫度達1600 ℃以上)，其工作環(huán)境尤為惡劣。 渦輪葉片的承溫能力在很大程度上影響著整臺發(fā)動機的性能。 而影響渦輪葉片承溫能力的因素主要是材料、 涂層和氣膜冷卻結構。其中，氣膜孔是氣膜冷卻結構的關鍵部分。 氣膜孔遍布渦輪葉片的葉身，孔直徑通常為0.25～0.8 mm。發(fā)動機工作時通過離散的小孔將氣流引至葉片表面形成一層氣膜， 將葉片表面與熱流體有效隔開，達到降低部件表面溫度的目的。 氣膜孔的加工質(zhì)量對葉片的性能和結構可靠性有重要影響。 為保證葉片冷卻效果和疲勞壽命，必須嚴格要求氣膜孔的位置和角度、限制氣膜孔重熔層厚度以及保證孔內(nèi)表面具有良好光潔度等[1]。 優(yōu)秀的氣膜孔加工技術對保證渦輪葉片的性能和工作可靠性有重要意義。

氣膜冷卻孔的孔徑小、數(shù)量多、空間角度復雜，故加工難度大、成形精度要求高[2]。 電火花打孔是目前較為成熟的一種氣膜孔加工方法， 已在國內(nèi)外廣泛用于氣膜孔加工。 高速電火花打孔技術能快速加工出圓度和直線度均好的深孔且不受材料硬度和韌性的限制。

但目前國內(nèi)加工葉片氣膜孔采用的傳統(tǒng)電火花小孔加工機床存在幾何精度偏低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、加工效率低、自動化程度不高和體積龐大等問題。 針對上述現(xiàn)狀，為更好地滿足市場對高質(zhì)量葉片氣膜冷卻孔的加工需求，設計了專用于航空發(fā)動機葉片氣膜孔加工的數(shù)控電火花小孔加工機床，并通過有限元分析和檢測驗證了設計能滿足高精度、高效率的要求。

1 機械結構總體設計

1.1 總體布局

機床整體采用牛頭式結構。 該結構具有承載能力強、工件安裝穩(wěn)定性好、檢測方便、滑枕移動輕捷且加工精度不受工作臺負荷影響的優(yōu)點[3]。 不同于傳統(tǒng)牛頭式結構， 在機床立柱中間設計了避空結構，使轉(zhuǎn)臺部件可藏匿其中，機床結構更為緊湊。 機床主要部件有：底座部件、立柱部件、X 軸滑鞍部件、Y 軸滑鞍部件、主軸頭部件、主軸部件、轉(zhuǎn)臺部件和外防護部件等。 設備通過X、Y、B、C 軸定位加工孔位，通過Z 軸調(diào)整導向器到工件的距離，可加工零件上不同空間位置的微小孔。

機床的機械總體布局見圖1。 為提高機床的自動化程度，設計刀庫部件和導向器庫部件，實現(xiàn)電極與導向器自動更換， 可一次裝夾完成不同孔徑、不同角度孔的自動加工任務；在旋轉(zhuǎn)頭與導向器之間設計了扶絲器，可防止細電極在進給時彎曲。

圖1 機床總體布局圖

1.2 主要參數(shù)

機床的主要參數(shù)見表1。 回轉(zhuǎn)臺面的直徑為200 mm，可適用于加工絕大部分小尺寸葉片；機床最大負載為20 kg， 滿足絕大部分小葉片和工裝的重量要求；X、Y 軸行程分別為400、270 mm，能在加工小葉片所有孔位的同時， 將機床行程壓縮到最小，以提升加工效率。

表1 機床主要參數(shù)

2 主要機械結構模型設計

2.1 床身設計

床身主要用于承載立柱及其上面的主要結構件、轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)臺上工件的重量，要具有較好的剛性。本設計機床的床身采用HT250 鑄鐵鑄造而成，其承載部位內(nèi)部布置有合理的加強筋，并采用壁龕式地腳，增加其剛性。 如圖2 所示，經(jīng)有限元分析，床身最大應力為2.7 MPa， 位于地腳處； 最大應變?yōu)?.019 mm，位于底座前端上方，說明所設計床身剛性較好，滿足設計要求。

圖2 床身有限元分析圖

2.2 立柱設計

機床的立柱采用門型結構，中部空間用于安裝轉(zhuǎn)臺，其內(nèi)部布置了合理的加強筋，以增加剛性。 根據(jù)圖3，經(jīng)有限元分析，立柱最大應力為1.2 MPa，位于地腳應力集中處；最大應變?yōu)?.007 mm，位于立柱前方中間處，這說明立柱的剛性較好，能滿足設計要求。

圖3 立柱有限元分析圖

2.3 Y 軸滑鞍設計

Y 軸滑鞍用于機床的前后運動，為懸伸結構，需具有較好的剛性。 設計采用封閉式結構，內(nèi)置合理的加強筋，以增加其剛性。 如圖4 所示，經(jīng)有限元分析，Y 軸滑鞍最大應力為2.1 MPa，位于導軌安裝面滑塊位置處；最大應變?yōu)?.015 mm，位于滑鞍最前端處，說明其剛性較好，滿足設計需要。

圖4 Y 軸滑鞍有限元分析圖

2.4 主軸頭設計

主軸頭包括Z 軸和W 軸兩個垂直方向的伺服軸，其結構見圖5。Z 軸滑鞍采用HT250 鑄鐵鑄造而成，帶動導向器上下移動，合理的截面結構能保證Z軸滑鞍有足夠的剛性；W 軸為直線伺服運動軸，帶動旋轉(zhuǎn)頭完成加工過程中電極的伺服進給，采用了模組設計，在具有緊湊而輕巧的結構同時具備較好的剛性，可實現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性的運動。

圖5 主軸頭結構示意圖

2.5 轉(zhuǎn)臺設計

轉(zhuǎn)臺采用搖籃式結構設計，其外形見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)臺外形示意圖

B 軸為可傾擺動軸，其軸線與Y 軸平行，由交流伺服電機驅(qū)動， 經(jīng)精密高剛性的RV 減速機傳動分度，由高精度編碼器反饋的全閉環(huán)控制。B 軸減速機需承受擺臂、工作臺及工件的重量，需剛性好；RV減速機則具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。

C 軸為回轉(zhuǎn)軸，安裝在B 軸擺臂上，其軸線垂直于B 軸的軸線。 C 軸結構布局緊湊小巧，由交流伺服電機驅(qū)動驅(qū)動，采用兩級同步帶傳動，將伺服電機動力傳至諧波減速機，經(jīng)精密諧波減速機傳動分度、高精度編碼器反饋的全閉環(huán)控制。 諧波減速機具有體積小、重量輕、承載能力高、減速比大、位置精度與重復定位精度高、傳動效率高、噪聲低等優(yōu)點。 C 軸臺面用于安裝工裝、工件等，其工作臺上可裝配自動卡盤，配合工裝使用。

區(qū)別于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺的設計，本設計將進電碳刷置于轉(zhuǎn)臺外面，分別位于工作臺后側(cè)的兩邊，以增加進電可靠性、提高碳刷更換維護的便捷性。 轉(zhuǎn)臺擺臂和底座采用具有良好的耐腐蝕性，耐熱性，低溫強度和機械特性的SUS304 不銹鋼， 可滿足防銹防腐要求和剛性要求。 同時，轉(zhuǎn)臺外表面采用噴砂工藝處理，可增強外觀的美觀性。

3 傳動結構設計

3.1 X、Y、Z 軸驅(qū)動設計

X、Y、Z 軸采用交流伺服電機與滾珠絲杠驅(qū)動相結合的形式。 如圖7 所示，本設計結構可獲得較高的運動精度，伺服電機經(jīng)過同步帶將動力傳輸至絲杠，使電機可反向安裝，縮短了驅(qū)動部件的尺寸，使機床整體外形更加緊湊，進而節(jié)省占地空間。

圖7 驅(qū)動部件結構圖

根據(jù)負載和工況的情況分別計算X、Y、Z 軸絲杠的屈曲負載、拉伸壓縮負載、容許轉(zhuǎn)速、螺母容許的軸向載荷、工作壽命、剛性、定位精度等，選擇了合適的絲杠規(guī)格。 根據(jù)計算結果，X、Y、Z 軸均采用了C3 級外徑尺寸為?25 規(guī)格的滾珠絲杠， 選用了端塞式絲母，具有剛性好、節(jié)省空間、噪音小等特點，滿足設計要求。

根據(jù)負載和工況情況，還分別計算了X、Y、Z 軸的轉(zhuǎn)速、額定扭矩、啟動停止扭矩、負載與電機的慣量比等參數(shù)，選取了規(guī)格合適的絲杠電機。 其中，Z軸伺服電機配置了剎車功能，以避免Z 軸在緊急情況下出現(xiàn)下墜的危險。

3.2 導向器庫部件

導向器庫分布于4 個位置，用于自動更換導向器，可根據(jù)所換的導向器規(guī)格，一次裝夾就能自動完成不同孔徑、不同角度孔的自動加工。

如圖8 所示，導向器庫為雙層平行移動結構設計，在增大移動行程的同時壓縮尺寸。 導向器庫的底部安裝了氣缸，當主軸需更換導向器時，氣缸帶動導向器前伸，待后者到達設定位置后，主軸將自動夾取導向器或者放回導向器（圖8a）；導向器更換完成后，氣缸帶動導向器縮回到設定位置（圖8b）；當需要人工取放導向器庫內(nèi)的導向器時，操作者打開防護門、手拉把手，將導向器安裝座拉回至靠近人手的位置，即可方便取放導向器（圖8c）；人工更換導向器完成后，可將導向器架向前推到底，使其被前端的強磁鐵吸住并保證位置不動（圖8b）；各個位置都安裝有接近開關， 以檢測導向器架的位置，保證導向器架在機床運行前處于正確位置，以防止機床誤動作而造成撞機事故。

圖8 導向器庫各狀態(tài)位置圖

3.3 扶絲器部件

本文設計了兩套扶絲器部件，均位于旋轉(zhuǎn)頭與導向器之間，以防止細電極在進給時彎曲。 隨著電極絲在加工過程中不斷損耗，主軸相對于導向器的位置不斷下降，為了避讓主軸，扶絲器會先后松開。如圖9 所示，扶絲器采用180°開閉的氣爪驅(qū)動剪刀式結構，以實現(xiàn)扶絲器的夾緊和松開。 其中，最前端的兩片扶絲片采用聚四氟乙烯材料制作，該材料具有極低的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性和極好的化學穩(wěn)定性等特點。

圖9 扶絲器部件各狀態(tài)圖

4 驗證

本文設計的機床主機實物見圖10a， 整機實物見圖10b。該機床具有創(chuàng)新的緊湊結構設計，其長寬高尺寸為2400 mm×2000 mm×2500 mm。 相比于本團隊設計的上一代數(shù)控電火花小孔加工機，其占地面積縮小了23%、B 軸高度縮短了10%、C 軸高度縮短了25%， 并且X、Y、Z 軸的移動速度均提高了1倍，在使結構明顯更加緊湊的同時，極大地縮減了加工輔助時間，提高了加工效率。

圖10 機床實物圖

本文通過激光干涉儀等精密儀器對所設計機床的各軸定位精度和重復定位精度進行檢測。 結果顯示：X、Y、Z 直線軸的定位精度均小于0.01 mm、重復定位精度均小于0.006 mm；B、C 旋轉(zhuǎn)軸的定位精度小于15°、重復定位精度小于10°。 相比上一代機型，各軸的精度均有了較大幅度的提升，滿足了設計要求，也滿足了工件加工對設備的精度要求。

此外，通過刀庫、導向器庫、扶絲器、卡盤等自動化裝置的應用，本設計機床能替代人工更換電極絲和導向器，減少了輔助時間和人工操作，提高了加工效率。

5 結束語

本文研究了專用于航空發(fā)動機葉片氣膜孔加工的數(shù)控電火花小孔機床機械結構，所設計機床結構緊湊，占地面積?。痪雀?，增加了多種自動輔助裝置，提升了裝備的自動化程度，可更方便地接入自動化生產(chǎn)線。 該機床能大幅提升航空航天領域關鍵部件葉片氣膜孔加工技術的水平和能力，將有力支撐航空航天軍工等國防領域的快速發(fā)展。