異形渦道電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究

唐 霖，范植堅

（西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安710021）

整體構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強度高等優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。如美國在IHPTET高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)計劃、英國在AMET計劃中均提出發(fā)動機采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向[4]。目前，開式整體葉輪主要采用數(shù)控銑削、電解加工和電火花加工等加工方法[5-9]。而對于帶冠閉式整體葉輪、徑向擴壓器及三元流閉式整體葉輪等（圖1），因其型腔多為深、窄、彎扭變截面的螺旋異形渦道，加工空間狹小且材料多為難加工金屬，使國外公司采用電火花技術(shù)、數(shù)控銑削技術(shù)加工某發(fā)動機葉輪的耗時長達(dá)數(shù)百甚至上千小時，加工效率較低。國內(nèi)研究人員雖然也進(jìn)行了異形渦道電火花加工關(guān)鍵技術(shù)的研究，但無法解決加工效率低的問題，很難滿足實際生產(chǎn)需要[10-12]。

圖1 典型的閉式整體葉輪

國內(nèi)某高校的研究人員率先提出了先電解加工去除大余量、后電火花精成形加工的方法[13]，提高了加工效率。但采用的是通過機械加工方法進(jìn)行打孔或開槽、再設(shè)計2個甚至數(shù)個陰極進(jìn)行電解拷形，即開孔、拷形兩步完成電解加工的方法，需進(jìn)行多次安裝和拆卸。為進(jìn)一步提高異形渦道加工的效率，本文將在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對電解加工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和技術(shù)創(chuàng)新。

1 反流式電解加工的原理和裝置

1.1 電解液供液方式對流場的影響分析

實際應(yīng)用中，電解液的流動包括側(cè)流式、正流式和反流式3種典型形式[14]。一般情況下，型面加工采用側(cè)流式（圖2a），即電解液從一個側(cè)面流入，再從另一側(cè)面流出，流出端可添加一定的背壓，電解液流動的截面積沿流場方向的變化不大。該流動方式具有流場均勻的優(yōu)點，在條件允許的情況下，采用該種形式是最理想的，主要應(yīng)用于葉片和較淺型腔的加工。

圖2 電解液流動方式示意圖

如圖2b所示的正流式結(jié)構(gòu)相對簡單，電解液從陰極的中心孔流入，經(jīng)加工間隙向四周流出。電解液的流動為擴散流，易導(dǎo)致束流、空穴，局部區(qū)域電解液易缺失，導(dǎo)致陰極短路或燒傷。

如圖2c所示，反流式流場均勻，且加工區(qū)始終是新鮮的電解液，更利于電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，這對加工精度要求較高的異形渦道加工來說是最理想的選擇，有利于消除束流和空穴。但閉式整體構(gòu)件的異形渦道不具備類似模具型腔可自密封的零件毛坯或夾具平面，如需解決流道口弧形面和環(huán)形溝上、下壁三面同時密封的問題，實現(xiàn)開槽、拷貝一步電解成形，就必須在工裝夾具設(shè)計上進(jìn)行創(chuàng)新。

1.2 反流式電解加工工裝夾具一體化設(shè)計

異形渦道電解加工的工裝設(shè)計除了應(yīng)具備定位、夾緊等機械加工工裝夾具應(yīng)有的功能外，還應(yīng)解決供液、導(dǎo)流、導(dǎo)電、絕緣及可靠密封的問題。合理的工裝設(shè)計是保證電解加工間隙流場均勻和加工穩(wěn)定的重要條件。

將定位、夾緊、供液、導(dǎo)流、導(dǎo)電、絕緣及可靠密封的功能作通盤考慮的實質(zhì)是針對研究對象進(jìn)行陰極和工裝夾具的一體化設(shè)計。經(jīng)反復(fù)探索，本文采用密封導(dǎo)向式裝置，可實現(xiàn)3個異形面同時密封，在密封體一側(cè)提供一個能實現(xiàn)電解液流進(jìn)、流出及陰極移動進(jìn)給、定位、導(dǎo)向和移動密封的功能。如圖3所示，該密封導(dǎo)向式裝置主要包括密封導(dǎo)向座套、鎖緊密封套、軌道套、主軸連接桿、陰極導(dǎo)桿及鎖緊螺母等。整套工裝具備定位、夾緊、導(dǎo)向、供液、導(dǎo)流、導(dǎo)電、絕緣及可靠密封的功能，該裝置的可靠密封是實現(xiàn)電解加工開孔、擴槽、拷形一步完成的重要指標(biāo)，也是實現(xiàn)電解加工區(qū)域流場均勻的重要保證。密封導(dǎo)向座套和鎖緊密封套從上、下兩個方向抱緊工件，主軸連接桿的兩端分別與機床、陰極連接。電解液通過供液管流進(jìn)密封導(dǎo)向座套，反流進(jìn)入電解加工陰極，再流經(jīng)陰極導(dǎo)桿，最后從法蘭連接口流出。

圖3 一體化結(jié)構(gòu)的工裝夾具

2 電解液對加工效率和加工質(zhì)量的影響

2.1 電解液成分對加工效率的影響

采用45鋼材料制成的側(cè)面不絕緣的方孔或圓孔陰極（圖4），在電壓24 V、電解液壓力0.8 MPa、電解液溫度30～35℃的條件下，經(jīng)正交預(yù)試驗研究分析，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液試驗的基礎(chǔ)上添加NaCl，并逐漸提高陰極進(jìn)給速度，直至發(fā)生火花或短路現(xiàn)象，可得到不同電解液成分所能達(dá)到的最大陰極進(jìn)給速度。

由表1可見，采用12%NaCl電解液獲得的最大陰極進(jìn)給速度為3.6 mm/min；添加10%NaCl后的電解液獲得的最大陰極進(jìn)給速度為2.0 mm/min；添加5%NaCl后的電解液獲得的最大陰極進(jìn)給速度為2.4 mm/min。因此，在電解液中加入NaCl成分后，陰極進(jìn)給速度顯著提高。

圖4 電解加工用陰極

表1 電解液成分對陰極進(jìn)給速度的影響

2.2 電解液成分對加工質(zhì)量的影響

在電壓24 V、電解液壓力0.8 MPa、陰極進(jìn)給速度0.9 mm/min的條件下，不同電解液加工特種鋼材料后的工件表面形貌見圖5。

圖5 不同電解液加工后的工件表面形貌（800×）

由圖5b和圖5d可看出，晶界腐蝕現(xiàn)象隨著NaCl濃度的提高而變得越來越嚴(yán)重。經(jīng)測量，采用5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液加工后的工件表面粗糙度最佳，可達(dá)Ra0.8 μm。此外，從效率角度出發(fā)，雖然采用12%NaCl電解液的加工速度最高可達(dá)3.6 mm/min，但考慮到NaCl電解液的雜散腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，兼顧加工效率和加工質(zhì)量，最終確定采用5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液進(jìn)行異形渦道的成形加工試驗研究。

3 異形渦道的電解加工工藝試驗

異形渦道電解預(yù)加工現(xiàn)場見圖6。采用五軸四聯(lián)動數(shù)控電解加工機床，電解液為5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液。在電解液壓力為0.8 MPa、電解液溫度為32℃、電壓為20 V、陰極進(jìn)給速度為0.9 mm/min的條件下進(jìn)行異形渦道的加工，探索其成形規(guī)律。

圖6 異形渦道電解預(yù)加工現(xiàn)場

3.1 異形渦道的電解加工成形規(guī)律研究

閉式整體葉輪異形渦道的成形是型孔成形與型面拷貝成形的串聯(lián)，兩種成形同時進(jìn)行且相互影響，這增大了探討成形規(guī)律的難度。

當(dāng)陰極進(jìn)給36 mm時，陰極端片和錐頭繼續(xù)開槽、擴槽，陰極腰部加工面對渦道進(jìn)行拷形；當(dāng)陰極進(jìn)給64 mm時，渦道的排氣邊型面加工完成。將渦道曲面設(shè)計尺寸、按理論設(shè)計曲面預(yù)留1.0 mm余量的尺寸、所設(shè)計的陰極曲面段尺寸及加工后的曲面尺寸進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7?？煽闯?，加工的試件曲面段與按圖紙預(yù)留1.0 mm余量的曲面有交叉，說明渦道電解加工后的余量不均勻。為探索渦道成形規(guī)律，需對電解加工陰極型面進(jìn)行修形。

圖7 外流道加工后的數(shù)據(jù)處理

3.2 離散點法陰極型面修形研究

電解加工異形型腔的渦道型面不可能是陰極型面的完全拷貝，設(shè)計的陰極型面需通過工藝試驗進(jìn)行反復(fù)修正。將渦道型腔型面段的實際加工尺寸與圖紙設(shè)計尺寸進(jìn)行比較，通過計算得到補償量，修正前、后的陰極型面尺寸見圖8，可見修正后的陰極曲面長度較修正前的陰極長。

圖8 陰極型面修正前后的尺寸

將閉式整體葉輪異形渦道的理論設(shè)計型腔與修形后的陰極尺寸及實際加工型腔進(jìn)行比較，結(jié)果見圖9?？煽闯觯拚蟮年帢O曲面更光滑；經(jīng)測量，加工后的型腔尺寸基本在預(yù)留的1.0 mm余量范圍內(nèi)，且余量比用修形前的陰極加工所得的更均勻，也未出現(xiàn)過切，為后續(xù)電火花精加工留下1.0 mm左右的均勻余量。電解加工后的工件形狀見圖10。在完成異形渦道的電解加工初成形后，還須采用電火花加工方式進(jìn)行異形渦道的精加工。

圖9 修正陰極加工的型腔形狀精度

圖10 電解加工后的工件

4 結(jié)語

為進(jìn)一步提高電解電火花組合加工異形渦道的效率，提出了一種開孔、擴槽、拷型一步完成的電解加工方法。針對異形渦道的形狀設(shè)計了參數(shù)一體化的工裝夾具及電解加工陰極；針對新型的特種鋼材料研制了一種高效、高質(zhì)量加工復(fù)合電解液。通過試驗進(jìn)行了陰極修正，使單個異形渦道的加工時間僅需1 h20 min，為后續(xù)異形渦道的電火花精加工減少了電極更換次數(shù)，降低了電極設(shè)計成本。

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