整體葉盤葉柵通道徑向進(jìn)給電解加工成形規(guī)律研究與陰極設(shè)計(jì)

韋樹輝,徐正揚(yáng),孫倫業(yè),朱 棟,2,朱 荻

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016;2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

為滿足高推重比新型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求,在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。由于整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高,葉片工作表面為空間自由曲面,形狀復(fù)雜,為適應(yīng)其高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作條件而廣泛采用鈦合金、高溫合金等難加工金屬材料,給制造帶來很大的困難[1]。

電解加工具有工具陰極無損耗、無宏觀切削力、適宜加工各種難切削材料和長(zhǎng)、薄葉片及狹窄通道的整體葉盤、加工效率高、表面質(zhì)量好等許多優(yōu)勢(shì),因此被廣泛用于整體葉盤的加工。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)整體葉盤的電解加工開展了廣泛深入的研究[2-3]。徐家文等采用數(shù)控展成電解加工整體葉盤,通過優(yōu)化電極運(yùn)動(dòng)軌跡加工出葉片型面近似為直紋面的整體葉盤。美國GE公司在電解加工先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤時(shí),采用了以成形或近成形陰極進(jìn)行多坐標(biāo)數(shù)控進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的加工方式,加工時(shí)間比五坐標(biāo)數(shù)控銑削減少50%～85%,整體葉盤的預(yù)加工和精加工均采用電解加工,加工后不必再進(jìn)行手工拋光。德國AEG公司采用單頭臥式機(jī)床,以NaNO3作為工作液,加工2Cr13不銹鋼整體葉盤,葉形精度可達(dá)±0.05mm。

通常,整體葉盤葉片的電解加工分為兩步:首先預(yù)加工出葉柵通道,然后將成形電極運(yùn)動(dòng)到葉柵通道中加工葉片型面。因此,葉柵通道的加工是整體葉盤電解加工過程中不可缺少的步驟,其加工效果會(huì)直接影響后續(xù)型面加工的效率和質(zhì)量[4]。

采用傳統(tǒng)的數(shù)控銑削加工或數(shù)控展成法電解加工整體葉盤,對(duì)于型面復(fù)雜的輪轂面往往難以滿足加工要求。本文采取徑向進(jìn)給的加工方式,成形電極沿著整體葉盤徑向運(yùn)動(dòng),依靠側(cè)面成形電解加工出葉柵通道的葉盆型面、葉背型面及依靠端面成形加工出輪轂型面,從而實(shí)現(xiàn)葉柵通道的加工(圖1)。由于徑向進(jìn)給電解加工存在側(cè)面二次腐蝕等問題,加工過程易產(chǎn)生喇叭口形狀的葉柵通道,從而導(dǎo)致預(yù)加工出來的葉片的精加工余量不均勻。為了獲得余量分布均勻的葉柵通道型面,就有必要研究徑向進(jìn)給側(cè)面成形規(guī)律,并以此為依據(jù)對(duì)工具電極型面進(jìn)行修正,以抵消側(cè)面二次腐蝕帶來的誤差,從而保證加工出的葉柵通道的型面始終接近理論葉片型面。

圖1 整體葉盤徑向進(jìn)給電解加工示意圖

1 加工方式簡(jiǎn)介

通常情況下,葉片型面無法直接利用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,而是根據(jù)流體力學(xué)的原理經(jīng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算及試驗(yàn)修正得到[5-6]。圖2是整體葉盤葉柵通道的簡(jiǎn)化模型,其型面由三部分組成,即一個(gè)葉片的葉盆型面、下一個(gè)葉片的葉背型面及輪轂處的型面。

圖2 葉片與葉柵通道模型

電解加工過程中,工具電極接電源負(fù)極,整體葉盤毛坯接電源正極。電解液按U字型流道流動(dòng),依次從進(jìn)液口流過葉柵通道的葉背、輪轂、葉盆加工區(qū)域,最后從出液口流出(圖3)。工具電極沿著整體葉盤徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)整體葉盤輪轂型面的加工及葉柵通道葉盆、葉背型面的預(yù)加工。

圖3 葉柵通道電解加工原理圖

2 徑向進(jìn)給側(cè)面成形規(guī)律研究

本文提出的徑向進(jìn)給電解加工,主要依靠側(cè)面成形來得到葉柵通道的葉盆、葉背型面。側(cè)面成形精度除了受加工參數(shù)的影響,工具電極的形狀也是重要的影響因素。而工具電極主要依據(jù)側(cè)面成形規(guī)律設(shè)計(jì)得到,因此在設(shè)計(jì)工具電極前,非常有必要研究側(cè)面成形規(guī)律。

首先以簡(jiǎn)單的矩形電極為例,電解加工端面平衡間隙為:

式中:η為電流效率;ω為體積電化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A?h);U為加工電壓,V;σ為電解液電導(dǎo)率,(Ω?mm)-1;δ E 為電極電位差,V;vc為電解加工進(jìn)給速度,mm/min。

加工過程中,由于陰極側(cè)面不絕緣,通道側(cè)面始終處于被電解狀態(tài),則對(duì)式(1)進(jìn)行積分可得側(cè)面間隙:

式中:Δb為端面平衡間隙,mm;h為進(jìn)給深度,h=vc?t,mm;Δ0為初始加工間隙,mm。

式(2)說明當(dāng)陰極工具側(cè)面不絕緣時(shí),側(cè)面任意一點(diǎn)將會(huì)隨著工具陰極的進(jìn)給深度而異,為一拋物線關(guān)系,因此加工出的通道為拋物線狀的喇叭口[7-8](圖4)。喇叭口的存在嚴(yán)重影響了電解加工過程葉柵通道的成形精度,甚至?xí)?duì)葉片造成過切現(xiàn)象,因此需對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,降低側(cè)面二次腐蝕,使喇叭口變小。

圖4 側(cè)面間隙示意圖

近年來的研究試驗(yàn)揭示了脈沖電流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致集中蝕除能力加強(qiáng),顯著提高電解加工的定域性。另外,研究還表明,優(yōu)化脈沖電源的占空比與加工電壓可進(jìn)一步提高加工定域性[9-10]。因此本文采用高頻脈沖穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行試驗(yàn),并在前期針對(duì)高溫合金材料進(jìn)行大量的基礎(chǔ)試驗(yàn),對(duì)加工電壓、電解液濃度、脈沖占空比等加工參數(shù)作了一系列的優(yōu)化[11],大大改善了喇叭口的現(xiàn)象,使拋物線的曲率變小(圖5)。在誤差允許的范圍內(nèi),可采用最小二乘法將其擬合成直線,這樣便可將較復(fù)雜的拋物線關(guān)系轉(zhuǎn)化成通道側(cè)面與進(jìn)給方向的夾角關(guān)系。

圖5 加工參數(shù)優(yōu)化后的加工通道

由于陰極型面是一個(gè)復(fù)雜曲面,在加工過程中沿著截面線,陰極型面切線與進(jìn)給方向成一夾角 α(圖6),且α的大小沿著截面線是不規(guī)則變化的。

為了便于設(shè)計(jì)陰極,有必要研究 α的大小對(duì)葉柵通道成形規(guī)律的影響。在基礎(chǔ)試驗(yàn)中采用簡(jiǎn)化模型,即楔形陰極(圖 7),取 α=0、2、4、6、8、10、12°的楔形陰極,對(duì)工件進(jìn)行電解加工試驗(yàn),分析徑向進(jìn)給方式的側(cè)面成形規(guī)律。試驗(yàn)完成后,利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)出加工通道的模型,并計(jì)算出喇叭口的角度α′,于是便可得到誤差值 δ=α′-α,δ即為陰極設(shè)計(jì)所需的修正值(表1)。

圖6 工具電極進(jìn)給方向與切向夾角示意圖

表1 楔形陰極角度α與修正量δ關(guān)系

圖7 楔形陰極電解加工示意圖

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,當(dāng) α＞12°時(shí),加工出的通道基本完全復(fù)制楔形陰極型面,加工精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求;只有當(dāng) α≤12°時(shí),才會(huì)出現(xiàn)加工誤差。因此,將已知數(shù)據(jù)以 α角為自變量,修正值 δ為因變量,利用最小二乘法擬合出多項(xiàng)式,便可確定修正值δ與α的數(shù)學(xué)關(guān)系。

設(shè)多項(xiàng)式為:

根據(jù)最小二乘法,δ與α的值滿足式(3)。

式中:m為多項(xiàng)式的階數(shù);n為擬合點(diǎn)的數(shù)量。

寫成矩陣的形式為:

通過求解線性方程組(5)求出系數(shù) k0,k1,k2,……,km的值,便可得到修正值δ與α的數(shù)學(xué)關(guān)系:

圖8是利用最小二乘法擬合出來的側(cè)面成形規(guī)律圖。

圖8 側(cè)面成形規(guī)律最小二乘曲線

3 陰極型面設(shè)計(jì)

通常的電解加工主要依靠端面成形,采用脈沖電源和具有足夠小的切斷間隙的非線性電解液。當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),陰極工具與陽極工件之間的間隙分布基本較一致,因此陰極設(shè)計(jì)較容易。本文采用徑向進(jìn)給的加工方式,主要依靠側(cè)面成形,側(cè)面任意一點(diǎn)的間隙將隨著陰極工具的進(jìn)給而變化,永遠(yuǎn)達(dá)不到平衡狀態(tài),因此也不存在平衡間隙。所以利用傳統(tǒng)的陰極設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)徑向進(jìn)給電解加工的工具電極,顯然是不合理的[12-15]。

若將葉柵通道的葉盆截面線與葉背截面線采用最小二乘法擬合成直線,即可按前面提到的楔形陰極成形規(guī)律來設(shè)計(jì)陰極。不過,從葉根到葉間截面線是不規(guī)則曲線,沿曲線各處的曲率不斷變化,若要將整段曲線擬合成直線,誤差會(huì)較大。本文采用分段擬合的方法,將截面線分成若干段,利用最小二乘法擬合成直線,再根據(jù)楔形陰極的成形規(guī)律設(shè)計(jì)陰極。

首先,沿著整體葉盤軸向(圖1中示意為Z向)按等間距界平面截得通道型面輪廓截面線,并利用等參數(shù)法對(duì)每條截面線進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集,這樣便可得到葉片型面的數(shù)據(jù)點(diǎn)(表2),其中 m表示利用m個(gè)等間距平面分別在葉盆葉背上截取m條截面線,n表示每條截面線上等參數(shù)采集n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

表2 葉片型面數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值

以某一層截面線為例,如圖9中實(shí)線所示,l1、l2分別為葉柵通道葉盆、葉背某一層截面線,每條截面線上有 n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),則截面線被分成(n-1)段。首先將每一段曲線段擬合成直線段,并求出每一直線段與進(jìn)給方向的夾角 θi,則可利用式(6)求出該線段的修正值δi。然后根據(jù)坐標(biāo)變換公式(7)和(8)所示,以截面線與輪轂的交點(diǎn)(x(1),y(1))為起點(diǎn),第二點(diǎn)相對(duì)起點(diǎn)偏轉(zhuǎn)一個(gè)修正值 δ1,得到新的點(diǎn)(x12,y12);第三點(diǎn)相對(duì)第二點(diǎn)偏轉(zhuǎn)一個(gè)修正值δ2,并加上偏轉(zhuǎn)后第二點(diǎn)的坐標(biāo),得到新的點(diǎn)(x13,y13);第四點(diǎn)相對(duì)第三點(diǎn)偏轉(zhuǎn)一個(gè)修正值 δ3,并加上偏轉(zhuǎn)后第三點(diǎn)的坐標(biāo),得到新的點(diǎn)(x14,y14);以此類推,最后可得出在同一截面上陰極型面線的 n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值為(x11,y11),(x12,y12),(x13,y13),……,(x1n,y1n),如圖 9點(diǎn)線所示。

葉盆截面線坐標(biāo)變換公式為:

圖9 截面線修正示意圖

其他截面也采用此方法得到相同截面上陰極的截面線數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值,從而求出陰極葉盆、葉背上各m×n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值。工具電極的輪轂型面數(shù)據(jù)可根據(jù)傳統(tǒng)的端面電解加工方式下的陰極設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到。最后,利用三維軟件擬合成自由曲面,并對(duì)其進(jìn)行三維實(shí)體建模,即可得到工具陰極三維實(shí)體造型。

4 工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述方法的有效性,在自行研制的整體葉盤電解加工機(jī)床上,采用高頻脈沖直流穩(wěn)壓電源,對(duì)圖1所示的整體葉盤毛坯扇段進(jìn)行徑向進(jìn)給電解加工試驗(yàn)。

式中:i=2,……,n;當(dāng) i=1時(shí),x1(1)=x(i),y1(1)=y(i),z1(1)=z(i)。

葉背截面線坐標(biāo)變換公式為:

式中:i=2,……,n;當(dāng) i=1時(shí),x1(1)=x(i),y1(1)=y(i),z1(1)=z(i)。

加工對(duì)象為毛坯扇段,材料為GH4169,工具電極材料為304不銹鋼。電解液是濃度為15%的NaNO3溶液,電解液進(jìn)口壓力為0.55MPa,電解液溫度為30±1℃。加工電壓為20 V,脈沖頻率為5000Hz,脈沖占空比為40%,進(jìn)給速度為 0.5mm/min。加工后的葉盤通道見圖10。

圖10 葉盤通道加工試件圖

利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)通道型面數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集,并與理論通道模型進(jìn)行對(duì)比分析,采用此方法加工出的葉柵通道輪轂處型面成形精度較高,通道側(cè)面葉盆、葉背型面加工余量的均勻性可滿足后續(xù)型面精加工的要求。

5 結(jié)論

(1)電解加工能有效解決難切削材料的加工問題,徑向進(jìn)給電解加工方式能滿足型面復(fù)雜、通道狹窄的整體葉盤葉柵通道型面的加工,能有效解決輪轂型面加工困難等問題。

(2)葉柵通道型面復(fù)雜,傳統(tǒng)的側(cè)面間隙公式不適合作為設(shè)計(jì)陰極的依據(jù)。本文利用不同角度的楔形陰極進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),初步探索徑向進(jìn)給電解加工的側(cè)面成形規(guī)律。

(3)將葉柵通道截面線分割成若干段,每一段擬合成直線,根據(jù)試驗(yàn)得到的側(cè)面成形規(guī)律進(jìn)行陰極截面線修正,并以此設(shè)計(jì)出工具電極,進(jìn)行徑向進(jìn)給電解加工試驗(yàn)。

(4)工藝試驗(yàn)表明,采用上述方法加工出的葉柵通道型面能滿足后續(xù)精加工對(duì)余量均勻性的要求。

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