基于葉柵通道可加工性分析的整體葉盤徑向電解加工陰極設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

孫倫業(yè) 徐正揚(yáng) 朱 荻

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

整體葉盤是新一代大推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心部件，具有葉片型面扭曲、葉柵通道狹窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)［1－2］。為了適應(yīng)高溫、高壓的惡劣工作環(huán)境，葉盤材料多采用鎳基高溫合金、鈦合金等難切削材料，采用傳統(tǒng)的銑削加工時(shí)，易受到刀具可達(dá)性的限制，且刀具磨損嚴(yán)重，加工效率極低，故整體葉盤的制造加工已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的瓶頸問(wèn)題［3－4］。電解加工技術(shù)是基于電化學(xué)原理蝕除金屬的特種加工技術(shù)，具有生產(chǎn)率高、陰極無(wú)損耗、無(wú)殘余應(yīng)力和不受材料硬度限制等優(yōu)點(diǎn)，在航空制造業(yè)尤其是整體葉盤制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［5－10］。相較傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工，電解加工整體葉盤可減少50%～85%的工時(shí)［11］。

整體葉盤的電解加工一般分為兩步：①預(yù)加工出葉柵通道，去除大部分材料，并預(yù)留一定的均勻余量；②利用成形電極在通道內(nèi)精加工出葉片型面。因此葉柵通道的加工效果對(duì)后續(xù)葉片精加工具有重要影響。

在葉盤通道加工中，工具陰極是影響通道最終加工形狀、尺寸和精度的核心因素，本文針對(duì)某型整體葉盤，結(jié)合徑向電解加工方式，分析了葉柵通道可加工性問(wèn)題，通過(guò)考察葉盆、葉背余量分布的均勻性，確定了陰極進(jìn)給方向，最后根據(jù)通道的被加工型面設(shè)計(jì)了工具陰極，并開(kāi)展了工藝實(shí)驗(yàn)。

1 徑向電解加工方式

整體葉盤將葉片和葉盤結(jié)合成一體，其葉柵通道由相鄰兩個(gè)葉片的葉盆、葉背和中間的輪轂組成，其結(jié)構(gòu)為扭曲的三維型腔，如圖1所示。

圖1 整體葉盤及葉柵通道模型

對(duì)于葉柵通道加工，有研究人員提出利用簡(jiǎn)單形狀陰極沿葉盤軸向進(jìn)給，通過(guò)陰極與葉盤之間的相對(duì)展成運(yùn)動(dòng)加工出通道形狀。但該加工方式的缺陷在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪轂型面的加工成形，同時(shí)葉根部位加工質(zhì)量較差，后續(xù)需進(jìn)行清根處理和輪轂型面二次加工，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)且加工難度極大。

為充分發(fā)揮電解加工的優(yōu)勢(shì)，提高葉柵通道加工質(zhì)量，本文采用工具陰極徑向進(jìn)給的電解加工方式進(jìn)行加工，如圖2所示。

圖2 葉盤通道徑向電解加工

加工時(shí)，葉盤毛坯接電源正極，工具陰極接電源負(fù)極，調(diào)整好陰極和葉盤毛坯的相對(duì)位置，采用側(cè)壁絕緣的成形陰極，沿預(yù)先設(shè)定的加工路徑進(jìn)給，陰極端面電解葉盤毛坯，加工出葉盤通道。利用端面間隙加工葉盤通道，一方面有利于保證輪轂型面的加工精度，提高葉根部位的加工質(zhì)量，省去了后期清根處理和輪轂的二次加工；另一方面由于加工間隙在電解過(guò)程中保持恒定，加工電流和電流密度波動(dòng)較小，有助于提高加工過(guò)程的穩(wěn)定性，避免短路燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 葉柵通道可加工性分析

由于葉柵通道空間有限、形狀扭曲不規(guī)則，若采用成形陰極沿葉盤徑向進(jìn)給加工，極易出現(xiàn)干涉和過(guò)切問(wèn)題，因此首先需要對(duì)葉柵通道的可加工性進(jìn)行分析。

2.1 通道可加工邊界計(jì)算

整體葉盤的葉片通常被設(shè)計(jì)成復(fù)雜空間曲面，難以用數(shù)學(xué)公式描述，一般采用等距平面切割葉片模型，通過(guò)葉片截面線來(lái)表示。因此，葉柵通道可由相鄰葉片的葉盆截面線組Lp1，Lp2，…，Lpn和葉背截面線組Lb1，Lb2，…，Lbn表示，如圖3所示。

圖3 葉柵通道截面線示意圖

為了將空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，將曲線Lp1，Lp2，…，Lpn和Lb1，Lb2，…，Lbn投影到葉盤中心軸展開(kāi)平面P上，得到投影線組L′p1，L′p2，…，L′pn與L′b1，L′b2，…，L′bn，如圖4所示。

圖4 通道截面線在平面P上的投影圖

可以看出，平面P內(nèi)各投影線不重合，在這種情況下，陰極沿投影方向進(jìn)給，無(wú)法加工出完整的葉柵通道。為最大限度去除葉盤通道材料，并保證整個(gè)加工過(guò)程中陰極與通道不發(fā)生干涉，需對(duì)投影線組作離散化處理，以求出通道的可加工邊界。

如圖5所示，用一組相互平行的等距直線L1，L2，…，Lm，分別與投影線組（L′p1，L′p2，…，L′pn）、（L′b1，L′b2，…，L′bn）相交，找出內(nèi)側(cè)交點(diǎn)Gp1，Gp2，…，Gpm與Gb1，Gb2，…，Gbm，以此作為葉盆、葉背的邊界控制點(diǎn)。采用B樣條曲線擬合邊界控制點(diǎn)，得到邊界曲線Lyp（t）與Lyb（t），其表達(dá)式為

式中，Nk，3（t）為B樣條基函數(shù)。

圖5 邊界控制點(diǎn)示意圖

以邊界曲線Lyp、Lyb作為基線，沿進(jìn)給方向拉伸，形成曲面Syp、Syb，即為沿該方向加工所產(chǎn)生的葉盆、葉背邊界曲面，如圖6所示。

圖6 通道可加工邊界示意圖

2.2 進(jìn)給方向?qū)庸び嗔康挠绊?/h3>

為了滿足后續(xù)葉片精加工的要求，葉盤通道加工除了最大程度去除材料外，還應(yīng)使葉盆、葉背余量盡可能均勻一致，若余量差較大，則無(wú)法滿足電解加工整平比要求，易產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象，導(dǎo)致葉盤報(bào)廢。

徑向電解加工方式中，陰極進(jìn)給方向?qū)θ~盤通道表面加工余量的分布起主導(dǎo)作用，如圖7所示，沿不同角度進(jìn)給時(shí)，由于通道截面線之間的遮蔽程度不同，所產(chǎn)生的可加工邊界曲面也不一樣，從而導(dǎo)致葉盆、葉背的余量差存在較大差異。為使余量分布趨于一致，需要對(duì)進(jìn)給角度進(jìn)行優(yōu)化選擇。

圖7 進(jìn)給方向示意圖

對(duì)進(jìn)給角度α增量取值，根據(jù)上文所述方法，分別求出各角度所對(duì)應(yīng)的通道可加工邊界曲面，通過(guò)與通道理論型面進(jìn)行偏差分析，得到該角度下葉盆、葉背的加工余量差ΔYP、ΔYB。建立以下判優(yōu)準(zhǔn)則：

式中，δmax為葉片精加工所能允許的最大遺傳誤差。

依據(jù)上述判優(yōu)準(zhǔn)則，可優(yōu)選出最佳進(jìn)給角度α，進(jìn)而確定合理的陰極進(jìn)給方向。

3 工具陰極設(shè)計(jì)

工具陰極作為電解加工的“刀具”，其形狀、結(jié)構(gòu)決定了葉柵通道的加工形狀，故需根據(jù)葉柵通道的被加工型面設(shè)計(jì)工具陰極。

3.1 端面型面設(shè)計(jì)

加工過(guò)程中，陰極端面型面以一定間隙加工葉盤輪轂，由電解加工理論可知，當(dāng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，端面間隙內(nèi)的電勢(shì)分布可由Laplace方程表述：

其中，陽(yáng)極表面邊界條件為

陰極表面邊界條件為

式中，φ為電場(chǎng)中各點(diǎn)的電位，φ＝φ（x，y，z）；U為陽(yáng)極表面電位值；n為陽(yáng)極表面各處法向方向；θ為陰極進(jìn)給速度方向與n之間夾角；η為電流效率；i為電流密度；η0、i0分別為θ＝0處的電流效率和電流密度；κ為電解液電導(dǎo)率。

根據(jù)變分原理，求解式（5）～式（7）的電勢(shì)分布等價(jià)于求電勢(shì)函數(shù)，使下列泛函極?。?/p>

式中，Ω為陽(yáng)陰極之間所形成的封閉空間區(qū)域。

采用有限元方法將式（5）～ 式（8）離散化為線性方程組，求解得出一簇等勢(shì)面，根據(jù)實(shí)際加工條件選取合適型面，得到陰極端面造型。

3.2 側(cè)面輪廓設(shè)計(jì)

加工過(guò)程中，陰極利用側(cè)面輪廓的刃邊切割葉盤毛坯，加工出葉盆、葉背，因此將前文求得的邊界曲線Lyp、Lyb按照葉片精加工要求，作法向偏置，預(yù)留出一定的精加工余量，得到陰極側(cè)面的刃邊曲線L′yp、L′yb，再將其沿進(jìn)給方向拉伸形成陰極的側(cè)面輪廓，如圖8a所示。

設(shè)計(jì)側(cè)面輪廓時(shí)，還需要考慮電解液流場(chǎng)因素。加工過(guò)程中，高速的電解液從陰極與通道側(cè)壁之間的側(cè)面間隙流過(guò)，進(jìn)入端面加工區(qū)域。由于側(cè)面間隙較小，隨著進(jìn)給深度增大，端面間隙內(nèi)缺液的可能性逐漸增大，可能導(dǎo)致加工不穩(wěn)定甚至發(fā)生火花短路。如果將側(cè)面輪廓以一定角度向內(nèi)收縮，如圖8b所示，就可在不改變通道加工形狀的前提下，增大電解液進(jìn)液口的過(guò)流面積，使相同壓力條件下，電解液的流量更為充足，有利于及時(shí)更新并帶走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物和氣泡，提高加工的穩(wěn)定性。

借助UG NX7.5軟件平臺(tái)，通過(guò)數(shù)字化建模，最終獲得陰極三維實(shí)體造型，如圖9所示。

3.3 絕緣處理

圖8 側(cè)面輪廓設(shè)計(jì)

圖9 陰極實(shí)體造型

為防止陰極側(cè)壁在加工過(guò)程中對(duì)葉盆、葉背已加工區(qū)域產(chǎn)生二次腐蝕，需要對(duì)其進(jìn)行絕緣處理。本文選擇陶瓷涂層作為絕緣材料，原因在于陶瓷涂層在強(qiáng)腐蝕性溶液中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并與陰極基體結(jié)合牢固，能承受電解液長(zhǎng)時(shí)間的高速?zèng)_刷。另外，陶瓷涂層具有優(yōu)良的耐高溫性，可承受較高的電解液溫度，且制備工藝簡(jiǎn)單，可通過(guò)修復(fù)降低更換陰極的成本。涂覆陶瓷涂層時(shí)，預(yù)先對(duì)陰極基體表面進(jìn)行預(yù)處理，在高溫條件下將陶瓷熔化成液滴形態(tài)，噴射至陰極表面，形成均勻、致密的絕緣層。圖10為利用不銹鋼材料制備出的陰極實(shí)物圖。

圖10 工具陰極

4 工藝實(shí)驗(yàn)

在自行研制的電解加工平臺(tái)上，采用本文設(shè)計(jì)的工具陰極進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，如圖11所示。加工對(duì)象為葉盤扇段毛坯，材料為鎳基高溫合金。實(shí)驗(yàn)選用的加工參數(shù)為：加工電壓為20V，電解液為15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的 Na NO3溶液，溫度保持在30℃，陰極進(jìn)給速度為0.5mm/min，進(jìn)入平衡狀態(tài)的電流密度為17A/cm2，電解液進(jìn)液口壓力為0.8MPa，間隙出口處背壓為0.2MPa。

控制系統(tǒng)軟件采用Lab VIEW語(yǔ)言編寫，通過(guò)軟件后臺(tái)讀取加工路徑數(shù)據(jù)，由工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡向電機(jī)發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)陰極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行葉盤通道加工。

圖11 電解加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12a所示為加工出的葉盤通道試件。圖12b所示為L(zhǎng)EICA DVM5000視頻顯微鏡觀察的葉盤輪轂形貌，從圖中可見(jiàn)，輪轂表面質(zhì)量較好，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的流紋，成形精度較高。圖12c所示為通道葉根形貌，可以看出葉根處輪廓完整清晰，沒(méi)有出現(xiàn)雜散腐蝕現(xiàn)象，加工質(zhì)量好。整個(gè)加工過(guò)程中，電流無(wú)異常突變，加工狀態(tài)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)火花短路現(xiàn)象。

圖12 通道加工試件

運(yùn)用?？怂箍?Micro－Hite DCC三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)通道加工試件，并與標(biāo)準(zhǔn)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，葉盤輪轂精度誤差在0.16mm以內(nèi)，葉盆、葉背面的余量差分別為2.27mm和2.34mm，余量分布較為一致，能夠滿足精加工的整平比要求。故采用設(shè)計(jì)的工具陰極加工，在保證葉盆、葉背余量均勻性的同時(shí)，兼顧了輪轂的成形精度，為后續(xù)的葉片精加工工序奠定了優(yōu)質(zhì)的加工基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）葉盤通道加工是整體葉盤電解加工工藝的關(guān)鍵步驟。徑向電解加工方法可同時(shí)兼顧葉盆、葉背及輪轂型面成形，實(shí)現(xiàn)高精度和高效率加工。

（2）結(jié)合葉柵通道理論模型，確定通道的最大可加工范圍，通過(guò)分析加工角度對(duì)余量均勻性的影響，選擇了合理的進(jìn)給方向。在此基礎(chǔ)上，對(duì)陰極側(cè)面輪廓和端面型面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)非加工區(qū)進(jìn)行絕緣處理以防止二次腐蝕。

（3）采用設(shè)計(jì)的工具陰極，在整體葉盤電解加工平臺(tái)上進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，成功地加工出了葉柵通道，輪轂型面精度高，葉根部位加工質(zhì)量好，葉盆、葉背的余量均勻性能夠滿足后續(xù)葉片精加工要求。

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