整體葉盤扭曲通道電解加工電極運(yùn)動軌跡切向恒速分析

徐 慶 朱 荻 徐正揚(yáng) 曲寧松

南京航空航天大學(xué),南京,210016

整體葉盤扭曲通道電解加工電極運(yùn)動軌跡切向恒速分析

徐 慶 朱 荻 徐正揚(yáng) 曲寧松

南京航空航天大學(xué),南京,210016

為保證整體葉盤扭曲通道電解加工的順利進(jìn)行,提出了工具電極相對于工件的運(yùn)動在全程中保持切向恒速的加工方式。建立了曲面段中工具電極和工件運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型,分析了工具電極和工件的速度匹配方式。闡述了單向恒速和切向恒速兩種運(yùn)動方式對加工穩(wěn)定性的影響:采用工具電極在加工過程中單向恒速的方式,加工間隙和加工電流波動較大,導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定并使加工精度降低;而工具電極切向恒速的運(yùn)動方式使加工間隙穩(wěn)定,有助于扭曲通道電解加工的順利進(jìn)行。為了驗(yàn)證切向恒速運(yùn)動方式的合理性,進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明,采用單向恒速的運(yùn)動方式在加工過程中發(fā)生了短路現(xiàn)象,而采用切向恒速的運(yùn)動方式加工過程穩(wěn)定,加工精度高。

整體葉盤;電解加工;軌跡;切向恒速

0 引言

電解加工是一種利用電化學(xué)陽極溶解原理去除材料的加工方法[1],由于其所具有的突出優(yōu)點(diǎn),在航空航天、兵器、汽車、模具等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。航空發(fā)動機(jī)整體葉盤葉柵通道扭曲、空間狹窄,制造難度大,若采用機(jī)械加工會受到刀具成本、生產(chǎn)效率及刀具易與工件干涉等諸多因素的限制[3-4],而電解加工具有加工效率高、無刀具損耗、不受工件材料限制等諸多優(yōu)點(diǎn)[5-6],已成為其最主要的加工方法之一。一般來說,整體葉盤葉片的電解加工分為兩步:首先粗加工出一個葉間通道,然后讓成形電極運(yùn)動到葉間通道中加工葉片型面。因此,葉盤通道的加工是葉盤葉片加工不可缺少的步驟。國內(nèi)外學(xué)者對整體葉盤葉間通道的電解加工開展了有益的研究?？得舻萚7]采用數(shù)控展成電解加工加工整體葉輪,電極在工件軸線方向的直線進(jìn)給速度相同,但合成進(jìn)給速度在加工過程中并不相同。文獻(xiàn)[8]采用一種環(huán)形或倒置杯形的電極進(jìn)行葉盤的電解加工研究。

本文提出了一種工具電極相對于工件運(yùn)動軌跡的切向速度在加工過程中保持恒定的加工方法,采用圓管工具電極進(jìn)行整體葉盤扭曲通道的電解加工,使加工過程穩(wěn)定,工件加工精度高。建立了扭曲通道電解加工的速度計(jì)算模型,討論了工具電極單向恒速和切向恒速兩種運(yùn)動方式對加工穩(wěn)定性和加工精度的影響,并開展了相關(guān)工藝試驗(yàn)。

1 單向恒速運(yùn)動分析

在葉盤通道電解加工過程中,通常采用工具電極沿毛坯軸向恒速運(yùn)動的方式,工件配合工具電極做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和平動,使工具電極相對于工件沿軌跡線L運(yùn)動。上述運(yùn)動方式在加工過程中工具電極沿毛坯軸向的分速度v1始終保持恒定,但合成速度v c(或稱切向速度v t)的大小不同,導(dǎo)致加工間隙Δb不斷變化,如圖1所示。

圖1 工具電極單向恒速運(yùn)動分析示意圖

在上述工具電極運(yùn)動方式中合成速度v c不斷變化,引起加工間隙時(shí)大時(shí)小,導(dǎo)致葉盤通道電解加工始終無法進(jìn)入平衡狀態(tài),使得加工過程不穩(wěn)定。當(dāng)合成速度突然變大時(shí),由于進(jìn)給速度大于工件的蝕除速度,有可能導(dǎo)致加工間隙過小而使電解產(chǎn)物無法及時(shí)排除,嚴(yán)重時(shí)容易造成短路。當(dāng)合成速度突然變小時(shí),又可能導(dǎo)致工件雜散腐蝕現(xiàn)象加劇,造成工件局部加工精度下降。

為解決上述問題,本文采用工具電極在加工軌跡切線方向上的速度保持恒速(簡稱切向恒速)的運(yùn)動方式,以提高電解加工穩(wěn)定性和加工精度。如圖2所示,合成速度v c(切向速度v t)均一化以后,加工間隙在加工過程中保持恒定,一方面有利于加工產(chǎn)物的及時(shí)排除,使加工區(qū)中各處電解液壓力、流量保持一致,有利于流場均勻穩(wěn)定,使電解加工能夠穩(wěn)定進(jìn)行,另一方面由于加工間隙一致,使得雜散腐蝕現(xiàn)象減弱,可以提高葉盤通道表面加工精度。

圖2 工具電極切向恒速運(yùn)動分析示意圖

2 扭曲通道電解加工方式

在整體葉盤通道電解加工中,工具電極接電源負(fù)極,工件接電源正極,采用的工具電極為一端開口另一端封閉的圓管狀電極,電解液從電極開口端流入,從工具電極側(cè)壁上規(guī)律排布的出液口流出,進(jìn)入加工間隙,不斷帶走電解產(chǎn)物并及時(shí)更新加工區(qū)的電解液。

由于整體葉盤通道扭曲程度較大,為了使葉片不發(fā)生過切且余量均勻,工具電極除了沿工件軸線方向直線運(yùn)動和工件繞自身軸線轉(zhuǎn)動外,還需要在加工過程中繞一條垂直于工件上表面的直線進(jìn)行轉(zhuǎn)動。如圖3a所示,為了使葉盤葉根處的余量均勻,該直線應(yīng)通過葉盤的葉根圓與電極軸線的延長線的交點(diǎn),電極端部在加工過程中與葉根圓的距離保持不變;若旋轉(zhuǎn)中心不在葉根圓上,工具電極在轉(zhuǎn)動時(shí)葉根處的余量不均勻,如3b所示。

圖3 工具電極旋轉(zhuǎn)軸線分析圖

如圖4所示,工具電極沿葉盤毛坯軸線 l1方向直線運(yùn)動,并繞一條與葉盤軸線平行的直線l2旋轉(zhuǎn),同時(shí)工件繞自身軸線l1旋轉(zhuǎn),通過工具電極和工件的復(fù)合運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)扭曲通道的電解加工。

圖4 扭曲通道電解加工示意圖

3 進(jìn)給速度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算工具電極的運(yùn)動軌跡時(shí),可假定工件靜止,用工具來分析其運(yùn)動軌跡,下文所述的軌跡均指工具電極相對于工件的運(yùn)動軌跡。然而,工具電極中心線的軌跡為復(fù)雜的直紋面,難以用數(shù)學(xué)形式表達(dá)。為了計(jì)算進(jìn)給速度,采用n個等間隔且相互平行的平面P1,P2,…,Pn將該直紋面分成n-1個曲面段,在每個小曲面段上分析工具電極和工件的運(yùn)動過程。

如圖5所示,P1、P2為相互平行且距離為h的兩個平面,電極中心線在平面P1上的位置為 Ⅰ,工具電極中心線與葉盤徑向的夾角為α,葉盤圓心為O1,葉盤葉間圓為C1,圓心在O1圓周過電極端部的圓為D 1;工具電極投影到平面P2上的位置為 Ⅱ,O1、C1、D1投影到平面 P2上依次變?yōu)镺2 、C2 、D2 。

圖5 進(jìn)給速度計(jì)算示意圖

工具電極自D1至C1的長度上被分為n-1段,相應(yīng)的采樣點(diǎn)標(biāo)記為1,2,…,n,各點(diǎn)的坐標(biāo)記為(xi,yi,zi)(i=1,2,…,n)。直角坐標(biāo)系如圖5所示,其中坐標(biāo)原點(diǎn)為葉盤圓心O1,Y軸為過采樣點(diǎn)1的徑向,Z軸垂直于平面P 1。

在該曲面段中,工具電極相對于葉盤從位置Ⅰ運(yùn)動到位置 Ⅳ,這個復(fù)合運(yùn)動可視為工具電極下面三個獨(dú)立運(yùn)動之合成:①工具電極從位置 Ⅰ沿葉盤軸向以速度v1直線運(yùn)動距離h到位置 Ⅱ,工具電極中心線與葉盤徑向角度為α;②工具電極從位置Ⅱ繞葉盤圓心O2以角速度v2旋轉(zhuǎn)角度β到位置 Ⅲ,工具電極中心線與葉盤徑向角度為α;③工具電極從位置Ⅲ繞其端部O3以角速度v3旋轉(zhuǎn)角度γ到位置 Ⅳ。

根據(jù)第一步中工具電極的直線速度v1及直線位移h,可計(jì)算出運(yùn)動時(shí)間,三個獨(dú)立運(yùn)動的時(shí)間均等于復(fù)合運(yùn)動的時(shí)間。再根據(jù)第二步的角位移β及第三步的角位移γ可計(jì)算出第二步工具電極的角速度v2及第三步的角速度v3,記合成速度(切向速度)為v c。同理,可計(jì)算出工具電極在其他曲面段對應(yīng)的分速度v1、v2、v3,由此可獲得整體葉盤通道電解加工軌跡。

4 切向恒速運(yùn)動分析

4.1 通道電解加工數(shù)學(xué)模型

葉盤扭曲通道電解加工的數(shù)學(xué)模型如圖6所示,其中,lJc為工具電極中心線在葉尖圓柱面上的運(yùn)動軌跡。

端面加工間隙為

圖6 圓管工具電極電解加工間隙數(shù)學(xué)模型

式中,ηω為體積電化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A?h);U為加工電壓,V;δE為電極電位差,V;κ為電解液的電導(dǎo)率,S/m;va為陽極的蝕除速度,cm/min。

由式(1)可知,若每個分段中的切向速度v(i)c不同,則可能始終無法和工件的蝕除速度相等,即無法達(dá)到動態(tài)平衡,所以端面加工間隙在不斷變化。進(jìn)給速度小時(shí),加工間隙較大,電解液能夠及時(shí)帶走電解產(chǎn)物和氣泡;進(jìn)給速度突然變大時(shí),由于進(jìn)給速度大于工件的蝕除速度,導(dǎo)致加工間隙突然變小,由于速度提高導(dǎo)致加工間隙中溫度上升,電解產(chǎn)物可能無法及時(shí)排除,當(dāng)這種情況加劇時(shí),可能導(dǎo)致間隙中工件局部地區(qū)蝕除過慢或無法蝕除,當(dāng)電極繼續(xù)進(jìn)給時(shí),可能導(dǎo)致加工間隙的進(jìn)一步減小而發(fā)生火花放電甚至造成直接兩極接觸而短路。

若每個分段中的切向速度v(i)c相同,則電解加工能夠較快地進(jìn)入平衡狀態(tài),并使端面加工間隙維持恒定,因此在其他加工參數(shù)不變的情況下,加工電流和電流密度波動較小,有利于提高電解加工穩(wěn)定性和加工精度。

4.2 切向恒速運(yùn)動對加工穩(wěn)定性的影響

如前文所述,計(jì)算電解加工軌跡時(shí)將工具電極的切向速度分為三個獨(dú)立運(yùn)動的合成。其中,和分別為第i個曲面段中工具電極的直線進(jìn)給速度、工具電極和毛坯轉(zhuǎn)動的角速度,為工具電極相對于工件的切向速度,i=1,2,…,n。

工具電極單向速度相同時(shí),切向速度大小不同,為使切向速度均一化,在諸多大小不一的切向速度中選擇一個作為統(tǒng)一的切向進(jìn)給速度,該切向速度是使得電解加工能夠穩(wěn)定進(jìn)行的進(jìn)給速度vc最大值,假定其出現(xiàn)在第 i行,即v(i)為均一化后的切向速度值。其余分段中的速度按相應(yīng)比例進(jìn)行修改,第一個曲面段中的修正系數(shù)為

第一個曲面段中的速度矢量變?yōu)?/p>

依次可以獲得其余曲面段的進(jìn)給速度,具體如表1所示。

表1 切向速度相同時(shí)的進(jìn)給參數(shù)

分段切向速度在整個加工過程中保持恒定,端面加工間隙在進(jìn)入平衡狀態(tài)后維持恒定,加工間隙中的電解產(chǎn)物和氫氣能夠被及時(shí)地排出,電解液流動較為穩(wěn)定,短路機(jī)率大幅度降低。

5 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證切向速度統(tǒng)一之后對加工穩(wěn)定性的影響,在自行研制的整體葉盤扭曲通道電解加工機(jī)床上開展了工藝試驗(yàn)。圖7所示為整體葉盤通道電解加工試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)工件采用扇段毛坯,材料為GH4169,加工電壓為20V,電解液為體積分?jǐn)?shù)為25%的NaNO3,溫度為 32±1℃,進(jìn)口壓力為0.8MPa,電解液流速約為22m/s。工具為一端封閉的管狀不銹鋼電極,電極管壁面上有規(guī)律排布的出液口,電解液從電極管的開口端流入,從上述出液口流出。

圖7 整體葉盤通道電解加工試驗(yàn)裝置

圖8為試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件界面,加工軌跡數(shù)據(jù)從軟件后臺讀取,由工控機(jī)通過運(yùn)動控制卡發(fā)送給電機(jī),驅(qū)動電機(jī)帶動電極和工件做相應(yīng)的運(yùn)動,以進(jìn)行整體葉盤通道電解加工。

圖8 試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件界面

圖9所示為分別采用單向恒速和切向恒速加工出的通道試件,從圖9a可以看出,由于切向速度大小不一,試件通道型面在排氣邊附近區(qū)域散蝕現(xiàn)象明顯,加工精度較低;而圖9b中的試件采用切向恒速的運(yùn)動方式進(jìn)行加工,加工精度較高。

圖9 不同進(jìn)給方式加工出的葉盤通道

以第一組通道為例,說明單向恒速和切向恒速兩種情況下加工過程中加工電流的對比情況。從圖10可以看出,當(dāng)采用單向恒速的運(yùn)動方式時(shí),電流波動較大,在加工至第17個曲面段時(shí)發(fā)生短路,因此電流數(shù)值劇增,加工短暫中斷后繼續(xù)加工,電流仍起伏不定;而采用切向恒速時(shí),電流平穩(wěn)上升,加工至第7個曲面段時(shí)已進(jìn)入加工平衡狀態(tài),電流趨于穩(wěn)定。

圖10 不同運(yùn)動方式下加工電流對比

6 結(jié)論

(1)建立了曲面段中電極和工件運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型,分析了工具電極和工件的速度匹配方式。通過將工具電極相對于工件的運(yùn)動軌跡分割為若干個小曲面段,分析了每個曲面段上工具電極和工件運(yùn)動速度的計(jì)算方法,最終得到葉盤扭曲通道的電解加工軌跡。

(2)在每個曲面段上電極和工件的切向速度保持恒定,使得端面加工間隙不變,電流密度波動較小,葉盤通道電解加工得以順利進(jìn)行。

(3)工藝試驗(yàn)證明,采用分段切向速度恒定的運(yùn)動方式可以減少短路故障的發(fā)生,保證葉盤扭曲通道電解加工穩(wěn)定進(jìn)行,有利于提高工件表面的加工精度。

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Analysis of CathodesMovement Path with Constant Tangential Velocity in ECMof Blisk Tw isty Tunnel

Xu Qing Zhu Di Xu Zhengyang Qu Ningsong
Nanjing University of Aeronautics and A stronautics,Nanjing,210016

For guaranteeing the stability ofblisk tw isty tunnel in ECM,a processmodewas presented,where the tangential velocity of cathode relative to workpiece kept steady in thewhole process.A mathematics model of them ovement of cathode and workpiece was established,and the velocity matching mode of cathode and workpiece was analyzed.Keeping the unidirectional speed of cathode steady in thewhole process,the machining gap and current fluctuate dramatically,which w ill lead to the process is unstably and themachining accuracy decreases in certain extent.That the tangential velocity of cathode relative to workpiecem aintains constant contributes them achining gap keeps identical in the w ho le p rocess and ECMo f b lisk twisty tunnel is carried out smoothly.For con forming the rationality o f them ovementmode,the experimental investigationswere carried out.The resu lts show that the short circuit happens w ith the same linear speed.H owever,the p rocess finished stab ly with the constant tangential velocity and them achining accuracy is better than that w ith the formermode.

b lisk;electrochem icalmachining(ECM);path;constant tangential velocity

TG662

1004—132X(2011)11—1337—04

2010—12—14

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助重點(diǎn)項(xiàng)目(2009A A044206);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005119);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK 2010506);南京航空航天大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(NS2010141)

(編輯 蘇衛(wèi)國)

徐 慶,男,1984年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)殡娊饧庸?。獲國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎1項(xiàng)。朱 荻,男,1954年生。南京航空航天大學(xué)校長,長江學(xué)者特聘教授,博士研究生導(dǎo)師。徐正揚(yáng),男,1979年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院講師、博士。曲寧松,男,1967年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。