气膜冷却孔电火花加工参数优化及重熔层厚度测量实验.pdf

设计 研 究 电 加工与模 具 2 0 1 6 年第2 期 气膜冷却孑 L 电火花加工参数优化及 重熔层厚度测量实验 李朝将 赵雷 李 勇 佟浩 王志强 孔全存 清华大学机械工程系 精密 超精密制造装备及控制北京市重点实验室 摩擦学国家重点实验室 北京 1 0 0 0 8 4 摘要 气膜冷却孔加工表面粗糙度 重熔层厚度直接影响航 空发动机服役寿命 兼顾叶片气膜 冷却孔加工效率和重熔层厚度 研制 了加工参数在线可调的窄脉宽高峰值 电流脉 冲电源系统 进 行 了气膜冷却孔 电火花加工参数优化 实验 寻找重熔层厚度和加工效率的显著影响 因素 在此基 础上 采用灰 关联度分析法进行多 目标优化 利 用优化后的加 工参数 得到了较理想的实验结果 关键词 电火花加工 气膜冷却孔 重熔层厚度 中图分类号 T G 6 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 6 0 2 0 0 1 5 0 5 P r o ce s s Pa r a me t e r s Op t imiz a t io n o f F il m Co o l in g Ho l e s a n d M e a s u r e me n t Ex p e r ime n t o f Re ca s t La y e r Th ick n e s s in EDM L i C h a o j ia n g Z h a o L e i L i Y o n g T o n g H a o Wa n g Z h iq ia n g K o n g Q u a n cu n B e i j in g K e y L a b o f P r e cis io n U l t r a p r e cis i o n Ma n u f a ct u rin g E q u i p m e n t s a n d C o n t r o l S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f T r ib o l o g y De p a r t me n t o f Me ch a n ica l En g in e e ri n g T s in g h u a U n iv e r s it y B e i j in g 1 0 0 0 8 4 C h in a Ab s t r a ct T h e s u r f a ce r o u g h n e s s a n d t h e r e ca s t l a y e r t h ick n e s s o f fi l m co o l in g h o l e s d ir e ct l y a f f e ct t h e s e r v ice l i f e o f a i r cr a f t e n g in e s C o o r d in a t in g the p r o ce s s in g s p e e d of b l a d e fi l m co o l i n g h o l e s a n d t h e t h ick n e s s of r e ca s t l a y e r s t h e p a r a me t e r s f o r e l e ct r o d is ch a r g e m a ch in in g E D M w a s o p t i miz e d A p u l s e p o we r s u p p l y s y s t e m w it h n a r r o w p u l s e wid t h a n d h ig h cu r r e n t p e a k w a s d e v e l o p e d w h ich it s p r o ce s s p a r a m e t e r s w e r e a d j u s t a b l e o n l in e T h e ma j o r f a ct o r s in fl u e n cin g t h e r e ca s t l a y e r t h ick n e s s a n d p r o ce s s in g s p e e d w e r e in v e s t ig a t e d a n d t h e m u l t i o b j e ct iv e o p t imiz a t io n w a s ca r r ie d o u t b y t h e g r a y r e l e v a n cy a n a l y s is me t h o d Us in g t h e o p t imiz e d p a r a me t e r s t h e mo r e g o o d e x p e r ime n t al r e s u l t s a r e o b t a in e d Ke y wo r d s EDM f il m co o l in g h o l e s r e ca s t l a y e r t h ick n e s s 新一代高推重 比航空发动机广泛采用气膜 冷 却技术 其兼有隔热和散热的双重作用 1 通过气膜 冷却孔内对流从叶片表面去除热量 从 而提高叶片 材料 的耐高 温性能 气膜冷却孔的加工表面粗糙 度 重熔层 和微裂 纹直接 影响涡轮叶片的工作寿 命 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 2 9 基金项 目 国家 自然科学青年基金资助项 目 5 1 3 o 5 2 3 O 清华大学 自主科研计划 2 0 l 3 1 0 9 2 O 9 北京高等学校青年英才计 划资助项 目 YE I P o 0 8 4 第一作者简介 李朝将 男 1 9 8 5年生 博士后 助理研究 员 目前 高温合金 叶片气膜孔 的加工主要有激 光 电火花 电解等特种加工工艺 2 5 大脉宽激光加 工效率高 成本低 材料适用范围广 2 3 但加工的孔 深受到限制 孑 L 内表面粗糙度不均匀且形成较厚的 重熔层 旋切法激光加工的重熔层厚一般在 5 0 Ix m 左右闱 超短脉冲激光 如皮秒 飞秒激光 加工气膜 冷却孑 L 重熔层 一般小 于 5 m 4 1 但 由于超短脉 冲 激光器功率的限制 工件的加工深度受 限且出入 口 有明显锥度 电火花加工气膜冷却孔是在旋转 的中 空管状电极中施加高压工作液冲走加工屑 提高加 工效率 孔壁表 面粗糙度较均匀 但也存在一定厚 一 5 一 电 加工与 模具 2 0 1 6 年第2 期 设 计 研 究 3 2 实验 结 果及 分析 加工实验中 工具 电极采用直径 0 5 m m 的黄 铜空心 圆柱状 电极 工件为厚度 6 m m 的 I n co n e l 7 3 8 镍基高温合金 工作液为去离子水 采用正极性 加工 电极转速为 1 2 0 r ra in 冷却系统是内冲液和 外冲液同时进行 内冲液压力为 0 4 2 MP a可调 为 了更好地寻找实验的规律性 每组参数加工 3个 孔 该实验加工了 7 5个有效孔 利用本文提 出的网 格划分的重熔层厚度测量方法 测量 3个孔的重熔 层厚度 然后取平均值 实验结果见表 4 表 4拟水 平正交试验结果 设计 研究 电 加工与 模具 2 0 1 6 年 第2 期 采 用 s t a t i s t i ca l p r o d u ct a n d s e r v i ce s o l u t i o n s s e s s 统计分析软件对试验结果进行方差分析 结 果见表 5 在分析结果中 s g值越小 表示该 因子对 目标影 响越大 从表 5可看出 各因子对重熔层厚 度影响的主次关系为 脉冲宽度 空载电压 电流大 b 脉冲间隔 冲液压力 各因子对加工效率影响的 主次关系为 空载电压 脉冲宽度 冲液压力 脉冲 间隔 峰值 电流 表 5 P S S软件的方差分析 结果 气膜冷却孔电火花加工过程 中需 兼顾加工效 率和重熔层厚度 为了优化出加工时间短且重熔层 厚度薄的参数 本文采用 了灰关联度分析方法 灰 色关联度法是指在系统发展过程中 如果两个因素 变化 的态势是一致的 即同步变化程度较 高 认为 两者关联较大 反之 则两者关联度较小 在实验结 果 的分析 中 不同工艺 目标因量纲 数量级不 同而 不可 比 通过量纲一化处理 使其具有相 同的数量 级 从而使 不可 比 变为 可比 即为灰生成 分辨 系数取在 0 1 区间 然后求出灰关联度 各加工参 数的各水平灰关联度见表 6 当关联度最大时 表示 在此加工参数条件下 重熔层厚度和加工时间的关 联度最大 可优化出重熔层厚度和加工效率的最优 参数 表 6 加工参数各水平灰关联度平均值 优化后的加工参数组合为 空载电压 9 O V 峰 值电流 4档 脉冲宽度 2 4 s 脉冲间隔 4 8 s 冲液 压力 3 6 MP a 根据该分析结果 采用优化后的加工 参数进行验证性试验 得到重熔层厚度 为 7 2 m 加工时间为 2 4 S 以下的结果 4 结论 1 兼顾电火花加工气膜冷却孑 L 的加工速度和 重熔层厚度 研制 了脉冲电源参数在线可调 的窄脉 宽高峰值 电流脉冲电源 电压 6 0 2 0 o V连续可调 最大峰值 电流达 4 0 A 脉宽 脉 间的宽度分辨率为 0 2 s 有利于不同厚度和不 同孔径 的气膜冷却孔 的电火花加工 2 实验发现重熔层 的厚度不均匀且不连续 为了减少人为测量误差 提高测量精度 提 出了网 格划分的重熔层厚度测量方法 3 进行空载电压 电流 脉宽 脉间 冲液压力 的正交试验 采用 S P S S统计分析软件进行优化分 析 优化后的加工参数组合为 空载电压 9 O V 峰值 电流 4 档 脉冲宽度 2 4 s 脉间宽度 4 8 s 冲液压 力 3 6 M P a 进行 6 m m厚 的 I n co n e 1 7 3 8镍基高温合 金验证实验 重熔层厚度为 7 2 m 加工时间 2 4 S 4 对 于重熔层厚度 影响的主次关系是 脉冲 宽度 空载电压 电流大 b 脉间宽度 冲液压力 下转第 3 O页 一 l 9 一 电 加工与 模具 2 0 1 6 年第2 期 设计 研究 背 的重复精度均在 0 0 6 mm以内 有效地保证 了整 体叶盘电解加工的重复精度 若能更为精确地控制 加工电流的波动量 重复精度还能进一步提高 参 考 文献 1 1 徐家 文 云乃 彰 王 建业 等 电化学 加工 技术 M 北 京 国防工业 出版社 2 0 0 8 2 史耀耀 段继豪 张军锋 等 整体叶盘制造工艺技术综 述 J 航空制造技术 2 0 1 3 3 2 6 3 1 3 R A J U R K A R K P Z h u D i MC G E 0 U G H J A e t a 1 N e w d e v e l o p me n t s in e l e ct r o ch e mi ca l m a ch i n i n g f J A n n a l s o f C I R P 1 9 9 9 4 8 2 5 6 7 5 8 0 4 4 R I S K O D G D A V Y D O V A D Ma n u f a ct u rin g a p p l i ca t i o n s a n d p r o d u ct iv it y l imit a t io n s o f e l e ct r o ch e mica l ma ch in in g J Ma n u f a ct u rin g S cie n ce a n d E n g in e e rin g 1 9 9 3 6 4 7 01 7l 1 5 徐庆 徐正扬 朱荻 等 整体叶盘通道 电解加工 电极 多 维运动轨迹优化 J 航空学报 2 0 1 1 3 2 8 1 5 4 8 1 5 5 4 6 王明海 孙越 整体 叶盘叶片铣削加工表面质量控 制仿 真研究f J 1 机械设计 与制造 2 0 1 3 4 4 1 7 6 1 8 2 钟燕 胡超 线性摩擦焊整体 叶盘焊缝结构设计 及试验 J 1 燃气 涡轮试验与研究 2 0 1 2 2 5 增刊 1 4 4 4 7 徐家 文 云乃 彰 王建 业 等 电 化学加 工 技术 M 北 京 国防工业 出版社 2 0 o 8 RA J URKAR K P S UND AR AM M M MAL S HE A P Re v ie w o f e l e ct r o ch e mica l a n d e l e ct r o d is e h a r g e ma c h in in g J P roce d ia C I R P 2 0 1 3 6 1 1 3 2 6 B U I 3 MA N N M K R A U S J B A Y E R E A n i n t e g r a t e d co s t e f f e ct i v e a p p r o a ch t o b l i s k m a n u f a ct u ri n g C P roce e d in g s o f 1 7 t h S y mp o s i u m o n Air B r e a t h in g E n g in e s Mu n ich 2 0 0 5 朱永伟 徐家文 复合平 面摆动展成 电解加 工整体构件 异形 面的成形分析及应用 J 机械工程学报 2 0 0 8 4 4 1 2 2 8 0 2 8 6 张 明歧 傅军英 高温合金整体 叶盘精 密振 动电解加工 方法 的应用分析 J 航空制造技术 2 0 0 9 2 2 2 6 2 9 Z HU Do n g Z HU Di XU Z h e n g y a n g O p t ima l d e s i g n o f t h e s h e e t ca t h o d e u s in g W s h a p e d e l e ct rol y t e fl o w mo d e i n E C M J I n t e r n a t i o n al J o u rna l o f A d v a n ce d Ma n u f a c t u r i n g T e ch n o l o g y 2 01 2 6 2 1 1 4 7 1 5 6 上接第 1 9页 对于加工效率影响的主次关系是 空载电压 脉冲 宽度 冲液压力 脉冲间隔 峰值电流 参考文献 1 刘大响 对加快发展我国航空动力 的思 考 J 航 空动力 学报 2 0 0 1 1 6 1 1 7 2 倪萌 朱惠人 裘 云 等 航 空发动机涡轮叶 片冷却技 术 综述 J 燃气 轮机技术 2 0 0 5 1 8 4 2 5 3 3 3 张 晓兵 孙瑞峰 二次法激 光加 工小孔技 术 J 1 航空 学 报 2 0 1 4 3 5 3 8 9 4 9 0 1 4 齐歆霞 朱海南 航空发动机 叶片气膜孔加工工 艺分析 c 第 1 4届 全 国特 种 加 工 学 术 会 议 论 文 集 苏 州 2 0 1 1 1 6 0 1 6 3 5 盛文娟 叶片气膜 孔的电火花加工工艺研究 J 1 电加 工 与模具 2 0 0 4 1 4 8 5 0 6 N E WT 0 N T R ME L K 0 T E S N WA T K I N S T R e t a 1 I n v e s t ig a t io n o f t h e e f f e ct o f p r o ce s s p a r a me t e r s o n t h e f o r ma t io n a n d ch a r a ct e ri s t ics o f r e ca s t l a y e r in wir e EDM o f I n co n e l 7 1 8 J Ma t e ri a l s S ci e n ce a n d E n g in e e ri n g A 2 0 0 9 5 1 3 5 1 4 2 0 8 21 5 7 P U R I A B B HA T T A C H A R Y Y A B Mo d e l in g a n d a n a l y s is o f wh it e l a y e r d e p t h in a w ir e cu t EDM p r o ce s s t h r o u g h r e s p o n s e s u r f a ce m e t h o d o l o gy J T h e I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f A d v a n ce d Ma n u f a ct u ri n g T e ch n o l o gy 2 0 0 5 2 5 3 3 0 1 3 0 7 一 3 0 一 上接第 2 4页 参考文献 1 赵万 生 特 种加工 技术 M 北京 高等 教育 出版社 2 0 01 t 2 李茂月 开放式 智能数控 系统及其 在线控 制相关 技术 研究 D 哈尔滨 哈尔滨工业 大学 2 0 1 2 3 赵福 春 基 于实时 以太 网的开放式 电火花 线切 割加工 数控系统设计 D 上海 上海交通 大学 2 0 1 3 4 潘德灿 基 于 N io s 1 I的慢走 丝线切 割数控 系统