葉盤(pán)通道徑向電解加工的流場(chǎng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

孫倫業(yè) 徐正揚(yáng) 朱荻

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016)

電解加工是基于金屬在電解液中電化學(xué)溶解的原理達(dá)到去除材料的目的的一種特種加工技術(shù)．它具有陰極無(wú)損耗、加工表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、無(wú)殘余應(yīng)力等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天尤其是整體葉盤(pán)制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］．

葉盤(pán)通道加工是整體葉盤(pán)電解加工工藝的關(guān)鍵，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣決定了后續(xù)葉片精加工的效果．電解液流場(chǎng)設(shè)計(jì)是葉盤(pán)通道電解加工中的重要環(huán)節(jié)，能否為加工間隙提供充足、均勻的電解液不僅關(guān)系到加工精度的高低、表面加工質(zhì)量的好壞，而且決定了加工過(guò)程能否穩(wěn)定進(jìn)行［6-9］．近年來(lái)，相關(guān)研究人員對(duì)葉盤(pán)通道電解加工流場(chǎng)開(kāi)展了一系列研究．文獻(xiàn)［10］采用出液口為S形流道的三角形截面電極沿葉盤(pán)軸向進(jìn)行通道加工，對(duì)電解液流場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［11］采用底板上開(kāi)直縫形出液槽的陰極進(jìn)行展成電解加工，對(duì)間隙內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究;文獻(xiàn)［12］采用變間距群孔管電極加工葉盤(pán)通道，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究．

目前國(guó)內(nèi)所開(kāi)展的葉盤(pán)通道電解加工實(shí)踐中，通常采用內(nèi)噴式陰極，自上而下沿葉盤(pán)軸向展成運(yùn)動(dòng)加工出葉盤(pán)通道．該方法側(cè)重于加工通道的葉盆、葉背，無(wú)法針對(duì)葉盤(pán)輪轂進(jìn)行電解加工，不能滿足葉盤(pán)通道的加工要求．此外，采用內(nèi)噴式陰極加工，電解液流動(dòng)較為紊亂，難以獲得均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)，降低了通道的加工精度及表面質(zhì)量．

文中采用葉盤(pán)通道徑向電解加工方法，以某型整體葉盤(pán)為對(duì)象進(jìn)行研究．首先，針對(duì)葉盤(pán)通道徑向電解加工方法設(shè)計(jì)了新的可控對(duì)稱式電解液流場(chǎng);然后，建立了流場(chǎng)的有限元模型，進(jìn)行了仿真分析;最后，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)流場(chǎng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證．

1 葉盤(pán)通道徑向電解加工方式

為實(shí)現(xiàn)葉盆、葉背及輪轂的全方位電解加工，文中采用圖1所示的葉盤(pán)通道徑向電解加工方法．加工時(shí)，采用側(cè)面絕緣的工具陰極，陽(yáng)極葉盤(pán)固定，調(diào)整好陰極和葉盤(pán)的相對(duì)位置，主軸帶動(dòng)陰極以一定速度沿設(shè)計(jì)的加工軌跡直線進(jìn)給，葉盤(pán)毛坯在陰極端面的電解作用下不斷溶解蝕除，隨著加工的持續(xù)進(jìn)行，陰極逐漸深入葉盤(pán)通道，直至加工結(jié)束，達(dá)到所需的尺寸和精度，形成內(nèi)外寬度一致的通道形狀．

圖1 葉盤(pán)通道徑向電解加工Fig．1 Radial electrochemical machining of blisk channels

采用徑向進(jìn)給加工可以克服傳統(tǒng)軸向加工利用側(cè)面間隙加工輪轂的弊端，通過(guò)端面間隙成形，有助于提高輪轂的加工精度和表面質(zhì)量．同時(shí)，電極沿徑向恒速進(jìn)給，可獲得恒定的平衡間隙，有利于改善加工的穩(wěn)定性．電解加工中，陰極和陽(yáng)極之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，各種因素相互交織作用，間隙內(nèi)的流場(chǎng)情況變化復(fù)雜，電解液流場(chǎng)不佳將直接影響通道加工的質(zhì)量及穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)與徑向加工方式相匹配的電解液流場(chǎng)顯得十分必要．

2 電解液流動(dòng)方式

在電解加工實(shí)踐中，電解液的流動(dòng)方式主要包括正流、反流及側(cè)流3種，如圖2所示．

正流、反流均屬于陰極內(nèi)部通液方式．正流方式因?qū)嵤┖?jiǎn)單而應(yīng)用廣泛，但其流道在通液口處急劇擴(kuò)張，壓力和流速易產(chǎn)生波動(dòng)，加工穩(wěn)定性較差;反流方式的電解液在加工間隙中為收斂流，流場(chǎng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，但需要對(duì)工裝夾具與儲(chǔ)液槽之間進(jìn)行處理形成密封腔體，對(duì)于整體葉盤(pán)這類尺寸較大的零件，實(shí)施整體密封難度極大，故使其應(yīng)用受到限制．此外，正流與反流方式會(huì)在對(duì)應(yīng)通液口的加工面上產(chǎn)生殘留凸起，這與輪轂的精度要求相悖，不符合通道徑向電解加工的要求．

圖2 電解液流動(dòng)方式Fig．2 Electrolyte flow mode

側(cè)流方式加工時(shí)，流道截面積沿電解液流動(dòng)方向不變，液流在變化平緩的流道內(nèi)流動(dòng)，速度及壓力波動(dòng)較小，流場(chǎng)均勻、穩(wěn)定，因此，文中采用側(cè)流方式設(shè)計(jì)電解液流場(chǎng)．結(jié)合葉盤(pán)通道徑向電解加工的特點(diǎn)，可供選擇的側(cè)流方式有兩種，如圖3所示．第一種是電解液由進(jìn)氣邊流入，從排氣邊流出的軸向側(cè)流方式，采用該流動(dòng)方式時(shí)，電解液撞擊在陰極表面而分為若干股液流，流場(chǎng)較為紊亂;同時(shí)，進(jìn)入端面間隙的流量無(wú)法控制，流場(chǎng)分布可控性較差．第二種是電解液先從葉尖向葉根流動(dòng)進(jìn)入端面間隙，再由葉根向葉尖流出的徑向側(cè)流方式，該流動(dòng)方式結(jié)構(gòu)呈類似字母V的對(duì)稱分布，可以平衡陰極兩側(cè)壓力，減弱液流沖擊的振動(dòng)，保證陰極平穩(wěn)進(jìn)給;同時(shí)，電解液流動(dòng)有序，進(jìn)入端面加工間隙的流量可以控制，故稱之為可控對(duì)稱側(cè)流方式．

基于上述分析，文中采用可控對(duì)稱電解液流動(dòng)方式設(shè)計(jì)徑向電解加工流場(chǎng)，如圖4所示．

圖3 電解液側(cè)流方式Fig．3 Electrolyte side flow mode

圖4 可控對(duì)稱式電解液流場(chǎng)Fig．4 Controllable symmetric electrolyte flow field

加工過(guò)程中，陰極與通道側(cè)壁之間產(chǎn)生較小的側(cè)面間隙，并隨陰極進(jìn)給而逐漸形成一定長(zhǎng)度的流道，起到導(dǎo)流作用，當(dāng)電解液流入端面間隙，形成均勻穩(wěn)定的液流，有利于提高輪轂的加工精度．隨著陰極持續(xù)進(jìn)給，整個(gè)流場(chǎng)型腔逐漸變小，進(jìn)入流場(chǎng)的電解液流量保持不變，在陰極的“擠壓”作用下，電解液輸送壓力增大，補(bǔ)償了沿程壓力損失，有助于提高加工過(guò)程的穩(wěn)定性．

3 電解液流速及壓力設(shè)計(jì)

電解液流速是確保加工穩(wěn)定進(jìn)行的主要流場(chǎng)參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)控制溫升及保證流場(chǎng)處于紊流狀態(tài)的原則來(lái)確定［13-15］．電解加工中產(chǎn)生大量的熱量，電解液沿流程方向被逐漸加熱，過(guò)快的溫升易產(chǎn)生沸騰、空穴等現(xiàn)象，影響加工的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)引起電導(dǎo)率變化，降低加工的精度，故需增大流速以及時(shí)帶走電解熱．對(duì)應(yīng)溫升的流速應(yīng)滿足:

式中:i為電流密度，A/mm2;L為流程長(zhǎng)度，mm;ΔT為溫升，K;ρl為電解液密度，g/cm3;κ0為電導(dǎo)率，1/(Ω·mm);cl為電解液比熱容，J/(kg·K)．

選擇較高的流速，確保電解液流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，可以更好地帶走加工產(chǎn)物，消除濃差極化，保持流場(chǎng)的均勻穩(wěn)定．根據(jù)雷諾系數(shù)可以確定紊流狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電解液流速為

式中，為電解液運(yùn)動(dòng)黏度，Dh為水力直徑．

綜上考慮，可以確定電解液的流速為

足夠高的電解液壓力提供液流在加工間隙內(nèi)流動(dòng)所需的能量，其值可以看成是流體的動(dòng)壓pu，粘性摩擦力pv以及出口背壓pe之和，根據(jù)流體的伯努利方程可得到電解液的壓力表達(dá)式:

式中:p0為間隙進(jìn)口壓力，為摩擦系數(shù)．

4 流場(chǎng)建模及分析

4．1 數(shù)學(xué)模型

為研究電解液流動(dòng)情況，建立了流場(chǎng)模型，進(jìn)行了數(shù)值仿真分析．根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，選用連續(xù)性方程和Navier-Stockes方程作為控制方程，為較好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)，采用RNG κ-ε湍流模型建立封閉的控制方程組:

1)連續(xù)方程

2)動(dòng)量方程

3)湍流動(dòng)能方程

湍流動(dòng)能耗散率方程:

式中:k是湍動(dòng)能;ε是湍動(dòng)耗散率;ρ為電解液密度;ui為時(shí)均速度;μeff為有效黏度，μeff= μ + μt，其中 μt是湍動(dòng)黏度為單位質(zhì)量力;Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)1．42;C2ε=1．68．

4．2 流場(chǎng)仿真及分析

所建立的葉盤(pán)通道徑向電解加工流場(chǎng)的三維有限元模型如圖5所示．利用Fluent軟件對(duì)流體模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，考察P1、P2面上的流速矢量分布情況，結(jié)果如圖6所示．

圖5 電解液流體有限元模型Fig．5 Finite element model of electrolyte fluid

圖6 不同平面上的流速矢量分布圖Fig．6 Distribution map of velocity vectors in different planes

由圖6(a)可見(jiàn)，電解液由進(jìn)液口流入后，由于流場(chǎng)型腔突然擴(kuò)張，液流在慣性作用下開(kāi)始擴(kuò)散，流場(chǎng)較為雜亂．當(dāng)電解液進(jìn)入導(dǎo)流段后，由于流道急劇收斂，電解液流速明顯加快，速度在29～34mm/s之間，流動(dòng)均勻、有序，沒(méi)有出現(xiàn)互相干擾、流場(chǎng)紊亂等不良現(xiàn)象．

由圖6(b)可見(jiàn)，液流由導(dǎo)流段進(jìn)入端面加工間隙時(shí)，雖然在轉(zhuǎn)角處存在流向的變化，導(dǎo)致速度和壓力出現(xiàn)小幅波動(dòng)，但流速仍保持在20～29 mm/s之間，電解液流動(dòng)均勻、有序．

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證電解液流場(chǎng)設(shè)計(jì)的合理性及數(shù)值模擬的正確性，利用自行研制的電解加工機(jī)床，開(kāi)展了葉盤(pán)通道徑向加工試驗(yàn)，并與軸向加工的陰極內(nèi)噴出液方式進(jìn)行對(duì)比．試驗(yàn)對(duì)象為葉盤(pán)扇段毛坯，材料為鎳基高溫合金;工具陰極采用側(cè)面絕緣的成形電極，材料為不銹鋼;加工電壓20V，電解液為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaNO3溶液;進(jìn)口壓力0．8MPa，出口背壓 0．2MPa，溫度為30℃．圖7為葉盤(pán)通道電解加工裝置．

圖7 葉盤(pán)通道電解加工裝置Fig．7 Electrochemical machining device of blisk channels

利用LEICA DVM5000視頻顯微鏡觀察加工后的輪轂形貌，如圖8所示．

圖8 不同電解液流動(dòng)方式加工的葉盤(pán)輪轂形貌Fig．8 Type appearance of blisk wheel hub processing in different electrolyte flow modes

由圖8可見(jiàn)，采用陰極內(nèi)噴出液流動(dòng)方式加工時(shí)，由于流場(chǎng)紊亂，輪轂表面雜散腐蝕嚴(yán)重，有明顯流痕，加工質(zhì)量較差;而采用可控對(duì)稱電解液流動(dòng)方式加工的輪轂表面光潔，沒(méi)有點(diǎn)蝕剝落、表面流痕等缺陷，加工質(zhì)量明顯提高．

使用Perthometer S3P表面粗糙度儀檢測(cè)葉盤(pán)輪轂的表面粗糙度，如圖9所示．其中，水平標(biāo)尺表示采樣長(zhǎng)度，垂直標(biāo)尺表示量程高度．可以看出，采用陰極內(nèi)噴出液方式時(shí)，輪轂表面粗糙度Ra=2．450 μm;采用可控對(duì)稱電解液流動(dòng)方式時(shí)，輪轂表面粗糙度Ra=0．154μm，這表明設(shè)計(jì)的流場(chǎng)能夠有效提高輪轂表面加工質(zhì)量．

圖9 不同電解液流動(dòng)方式加工的葉盤(pán)輪轂表面粗糙度Fig．9 Surface roughness of blisk wheel hub processing in diffe-rent electrolyte flow modes

將多次通道加工的葉盆、葉背及輪轂型面各采樣點(diǎn)之間的加工誤差繪于圖10中，可以看出，輪轂的重復(fù)誤差在0．07mm以內(nèi)，葉盆、葉背的重復(fù)誤差在0．17mm以內(nèi)，加工的一致性較好，這表明電解液流動(dòng)均勻、穩(wěn)定，對(duì)加工精度的影響較?。?/p>

圖10 通道加工重復(fù)精度Fig．10 Repeat accuracy of the channel processing

6 結(jié)語(yǔ)

流場(chǎng)設(shè)計(jì)是整體葉盤(pán)電解加工的重要環(huán)節(jié)，合理的電解液流場(chǎng)是提高加工穩(wěn)定性與加工質(zhì)量的必要前提．文中針對(duì)葉盤(pán)通道徑向電解加工方法，設(shè)計(jì)了可控對(duì)稱式電解液流場(chǎng)，并應(yīng)用有限元方法，對(duì)加工間隙內(nèi)的電解液流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了流場(chǎng)的速度矢量分布情況．并在建模及仿真的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用可控對(duì)稱電解液流動(dòng)方式加工的葉盤(pán)輪轂加工表面光潔，沒(méi)有出現(xiàn)點(diǎn)蝕、流痕等加工缺陷，加工質(zhì)量明顯提高，同時(shí)加工出的通道一致性較好．這一結(jié)果驗(yàn)證了流場(chǎng)設(shè)計(jì)的合理性．

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