精密電解套料陰極設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110043）

新型軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開始廣泛采用整體結(jié)構(gòu)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能與壽命。整體葉盤是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的一種典型的整體結(jié)構(gòu)部件，它將葉片和葉盤做成一體，省去常規(guī)葉盤連接的榫頭、榫槽和鎖緊裝置，避免了榫頭氣流損失、減少了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和零件數(shù)量，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、推重比和可靠性。近年來，隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，整體葉盤結(jié)構(gòu)在國(guó)外新研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已得到廣泛應(yīng)用，不僅是在軍用發(fā)動(dòng)機(jī)，在民用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)中也開始出現(xiàn)[1]。

整體葉盤由于其幾何構(gòu)形復(fù)雜，材料特別難加工，其制造已成為世界級(jí)制造技術(shù)難題。目前，整體葉盤制造有以下幾種技術(shù)途徑：數(shù)控銑削，最早被采用且應(yīng)用最廣的加工方法；電子束焊接法，EJ200即采用此法制造；鍛接法，即用鍛壓植入葉片+擴(kuò)散連接，普惠公司試用鍛接法制造整體渦輪轉(zhuǎn)子；多軸數(shù)控電解加工技術(shù)，德國(guó)MTU采用精微電解加工整體葉盤[2]。

多軸數(shù)控電解加工技術(shù)對(duì)于模鍛的高溫合金或鈦合金實(shí)體整體葉盤毛坯切掉大量金屬材料，價(jià)格低廉,加工時(shí)間短，制造周期大大縮短，是整體葉盤制造的優(yōu)選方法。國(guó)外企業(yè)已采用電解加工方法制造整體葉盤，加工精度可實(shí)現(xiàn)≤0.06mm、高溫合金材料粗糙度Ra≤0.2μm，技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到8級(jí)以上[3]。歐洲航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商MTU公司已將高頻窄脈沖精微電解加工技術(shù)應(yīng)用于鈦合金、高溫合金整體葉盤加工（如圖1所示），較數(shù)控銑削加工可提高加工效率3～5倍以上，取得了較好效果。

電解加工的原理是利用金屬在電解液中可以發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理而去除材料，將工件加工成形的一種非傳統(tǒng)切削加工方法。電解加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）表面質(zhì)量好，可獲得一定的加工精度和較低的表面粗糙度；（2）生產(chǎn)效率高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制，電解加工能以簡(jiǎn)單的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出復(fù)雜的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和電流密度成比例地增加；（3）無工具損耗；（4）無切削應(yīng)力，可用于加工薄壁和易變形零件。電解加工過程中工具和工件不接觸，不存在機(jī)械切削力，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，沒有飛邊毛刺。[4-6]。電解加工核心技術(shù)在于突破陰極設(shè)計(jì)、流場(chǎng)計(jì)算和工藝參數(shù)選擇優(yōu)化等3大關(guān)鍵技術(shù)。

整體葉盤電解加工一般分粗加工和精加工2 道工序，粗加工采用套料電解方式，其難點(diǎn)在于套料陰極形狀設(shè)計(jì)、間隙計(jì)算以及軌跡計(jì)算；型面電解主要難點(diǎn)是型面間隙計(jì)算、流場(chǎng)設(shè)計(jì)和陰極優(yōu)化。套料電解雖然屬于粗加工，但其需要多軸聯(lián)動(dòng)、加工余量趨于均勻，才能保證最終加工的精度，因此難度更大。

本文以某型壓氣機(jī)高溫合金整體葉盤為研究對(duì)象，著重論述套料電解開槽陰極的設(shè)計(jì)方法及其優(yōu)化。

圖1 電解加工的壓氣機(jī)整體葉盤Fig.1 Compressor blisk by ECM

技術(shù)方案

1 零件類型及材料

整體葉盤是在壓氣機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)的部件，工作時(shí)處于高壓、高溫狀態(tài)，葉片承受負(fù)荷高，要求零件具有高的強(qiáng)度，高的耐熱性能，能夠在惡劣的工作環(huán)境中保持正常工作，根據(jù)零件的使用要求，某型壓氣機(jī)整體葉盤設(shè)計(jì)上選用了高溫鎳基合金材料，該材料在600℃工作溫度下可保持較高的機(jī)械性能，能在高溫、高壓下正常工作。

2 工藝方案確定

該葉盤屬于高鉻鎳含量的高溫合金，其材料的強(qiáng)度高、塑性好、韌性大、切削性能差、刀具磨損嚴(yán)重。但該材料電導(dǎo)率好、耐腐蝕，適宜電解加工。葉盤毛坯狀態(tài)為模鍛成型，固溶處理，毛坯余量較大，適于發(fā)揮電解優(yōu)勢(shì)。

葉盤的加工主要包括葉型加工和輪盤加工。電解工藝主要針對(duì)葉盤的葉身型面進(jìn)行電解粗開槽和電解終成型加工。電解開槽后的葉型余量其均勻性是決定葉身型面電解終成型加工成敗至關(guān)重要的因素。因此，套料陰極設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化是電解開槽工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。與原數(shù)控銑工藝路線相比，以電解工藝代替了粗銑、精銑葉身型面，并減少了后續(xù)的手工拋光加工，同時(shí)還避免了在葉片加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，更有利于保證葉型精度[7]。

套料陰極設(shè)計(jì)方法

用于整體葉盤零件葉型電解加工的工裝包括套料陰極、終成型陰極和裝夾定位夾具。對(duì)于葉型曲度較小的葉盤一般采用套料開槽方式進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行精密終成型電解加工，實(shí)現(xiàn)葉盤無余量加工。然而對(duì)于大型葉盤，尤其是葉型扭曲較大時(shí)，為了使終成型余量均勻，通常在套料電解加工后還要進(jìn)行半精加工，最后進(jìn)行無余量電解加工[8]。

雖然整體葉盤套料電解開槽屬于粗加工，只是在整體葉盤上加工出葉型雛形，但是其技術(shù)難度大，陰極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大。套料陰極設(shè)計(jì)步驟主要包括陰極總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作陰極型面設(shè)計(jì)以及軌跡計(jì)算、間隙計(jì)算，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，再優(yōu)化改進(jìn)等。

1 工作陰極型面設(shè)計(jì)

工作陰極型面設(shè)計(jì)主要是根據(jù)葉型及流道參數(shù)，對(duì)各設(shè)計(jì)截面數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)以及求取最小包絡(luò)等處理，完成工作陰極型面的計(jì)算。具體計(jì)算方法如下：

（1）首先需根據(jù)葉盤零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和葉型參數(shù)確定投影截面。若該葉盤零件流道傾斜角度不大，葉型扭角較小，則選擇靠近流道上方的設(shè)計(jì)截面線所在的平面為投影截面；若流道傾斜角度比較大，且葉型扭角也比較大，則要對(duì)投影截面進(jìn)行一定修正，可以選擇和流道斜面平行的截面作為投影平面。

（2）確定投影平面后，應(yīng)對(duì)各設(shè)計(jì)截面的弦線和葉盆中點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并建立投影基準(zhǔn)坐標(biāo)系。通常葉片型面共有N個(gè)設(shè)計(jì)截面，排除流道下方的0截面和葉尖上方的N-1截面，有效截面為Ⅰ～N-2截面，分別做N-2個(gè)截面線的弦線，并取出各個(gè)截面線葉盆曲線中點(diǎn)。選取截面Ⅰ為基準(zhǔn)截面，并以截面Ⅰ葉盆曲線中點(diǎn)為原點(diǎn)（記作O）建立投影基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

（3）以Ⅰ截面為基準(zhǔn)截面，將其余N-3個(gè)截面投影到基準(zhǔn)截面，并將每個(gè)投影截面葉盆曲線中點(diǎn)投影到基準(zhǔn)截面葉盆曲線中點(diǎn)O上，使所有截面投影到基準(zhǔn)截面，且葉盆曲線中點(diǎn)重合。這樣做的優(yōu)勢(shì)是葉型關(guān)于O點(diǎn)是相對(duì)對(duì)稱的，兩側(cè)的余量較均勻，有利于求取最小包絡(luò)曲線。

（4）完成設(shè)計(jì)截面投影后，通過旋轉(zhuǎn)、平移截面線等處理，求取最小包絡(luò)曲線。首先通過UG測(cè)量各截面的弦線和基準(zhǔn)截面弦線之間的角度α，并將各個(gè)截面線以投影坐標(biāo)系Z軸為旋轉(zhuǎn)中心，按測(cè)量角度α旋轉(zhuǎn)到和基準(zhǔn)截面弦線平行的位置；其次求取基準(zhǔn)截面弦線的中垂線；再依次將各旋轉(zhuǎn)后截面線沿中垂線向基準(zhǔn)截面線內(nèi)移動(dòng)一定的距離，各旋轉(zhuǎn)后截面線移動(dòng)距離根據(jù)基準(zhǔn)截面線的包容度決定。這樣做的目的是使所有葉型盡量包容于基準(zhǔn)截面線內(nèi)，以便求取最小包絡(luò)曲線；然后連接盆、背兩側(cè)最外側(cè)截面曲線作為陰極的葉盆、葉背，對(duì)于葉型包絡(luò)線中交叉處可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值導(dǎo)圓處理。進(jìn)、排氣邊圓弧可通過橋接曲線的方法補(bǔ)全包絡(luò)線。

（5）最后進(jìn)行工作陰極內(nèi)型孔曲線、圓角及厚度的計(jì)算。在提出擴(kuò)散算法前，首先引入加工間隙的概念。加工間隙與電解液構(gòu)成了電解加工的核心工藝因素，決定著電解加工工藝指標(biāo)——加工精度、材料去除率、表面質(zhì)量等，也是陰極設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)選擇的首要基本依據(jù)[9]。電解加工間隙：

其中，η為電流效率；ω為體積電化當(dāng)量（mm3/A·min）；δE為陰、陽(yáng)極極化電位值總和；σ為電解液電導(dǎo)率（1/Ω·mm）；va為工件的法向電解速度（mm/min）；Δ為法向平衡加工間隙（mm）；U為陰、陽(yáng)極之間的電壓（V）。

所謂擴(kuò)散算法，即cos間隙計(jì)算法則：

其中，Δn為法向平衡間隙；vc為陰極進(jìn)給速度（mm/min）；θ為進(jìn)給速度與法向的夾角；Δb為陰、陽(yáng)兩級(jí)間的法向間隙。

通過擴(kuò)散算法，可預(yù)先計(jì)算出陰極片內(nèi)型孔的規(guī)律延伸量、倒圓R值，以及陰極片的厚度值。規(guī)律延伸量為α（即套料加工后余量），Rc（即葉身根部與流道轉(zhuǎn)接R），陰極片厚度b。

以上是套料電解陰極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和計(jì)算方法，通過上述設(shè)計(jì)方法可以加工出理想的零件型面，然而合理實(shí)用的流場(chǎng)方式及穩(wěn)流結(jié)構(gòu)也是陰極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，它可以實(shí)現(xiàn)過程穩(wěn)定的加工工藝。

2 流場(chǎng)方式及穩(wěn)流密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體葉盤電解加工的關(guān)鍵技術(shù)在于陰極的設(shè)計(jì)，而陰極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于流場(chǎng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。陰極的電解液流場(chǎng)對(duì)葉片能夠穩(wěn)定加工起著決定性作用。因此，必須有效地控制和設(shè)計(jì)電解液的流場(chǎng)。為了保證流道的加工精度，采用正流式加工，即電解液由葉尖流進(jìn)，葉根流出，陰極的左右兩側(cè)（即葉片的進(jìn)排氣邊處）進(jìn)行補(bǔ)水裝置設(shè)計(jì)，并同零件葉根部共同構(gòu)成密封，保證電解液從加工區(qū)流過，并且加工區(qū)電解液流場(chǎng)流暢、均勻和穩(wěn)定。

3 軌跡計(jì)算規(guī)劃

在完成套料陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，可以按照工作陰極各層面上的設(shè)計(jì)截面平移距離和旋轉(zhuǎn)角度α，從而有規(guī)律地形成陰極與整體葉盤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡。這樣就可以按照一定的規(guī)律測(cè)算出每一個(gè)層面的工作陰極所在的位置值（X、Y、Z、C值）。具體測(cè)算方法如下：

（1）測(cè)算投影截面工作陰極位置坐標(biāo)（確定最終加工位置）。

以工作陰極導(dǎo)電圓柱端面為z方向基面A，測(cè)量A面至HSK夾頭中心線的距離為Z1,測(cè)量A面至盤體中心距離為Z2，則Z1+Z2即為工作陰極Z的坐標(biāo)值，盤體的積疊軸線和HSK夾頭中心線之間的y軸方向距離即為工作陰極的Y值，HSK夾頭定位端面距離積疊軸的x向的距離為X值。盤體面與y軸成角度（銳角），則該角度即為C值。

（2）依次測(cè)算各截面層工作陰極與投影面工作陰極坐標(biāo)值的變換值（確定各個(gè)步驟的加工位置）。

工作陰極按規(guī)律行程時(shí)，其對(duì)應(yīng)的積疊軸也是跟隨規(guī)律而形成的，所以在求X值變化值時(shí)，以法向投影測(cè)量?jī)蓚€(gè)積疊軸線之間的投影距離即為變化值。根據(jù)具體的變化方向求取X的坐標(biāo)值。

在求Y值變化值時(shí)，以法向投影方向測(cè)量?jī)蓚€(gè)積疊軸線之間的投影距離即為變化值。根據(jù)具體的變化方向求取Y的坐標(biāo)值。

在求Z值變化值時(shí)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)A面之間的差值即為變化值。根據(jù)具體的變化方向求取Z的坐標(biāo)值。

在求C值時(shí)，求取兩個(gè)C面之間的角度差，根據(jù)實(shí)際位置方向確定差值的變換符號(hào)以確定C的坐標(biāo)值。

依次類推，便可以求出所有層面的陰極片位置坐標(biāo)值，根據(jù)每個(gè)層面與初始層面的相對(duì)位置原則，計(jì)算出每一個(gè)步驟的對(duì)應(yīng)值便可以編寫出機(jī)床程序中的對(duì)應(yīng)值。

工藝試驗(yàn)及優(yōu)化

采用上述設(shè)計(jì)的套料陰極經(jīng)過多輪試驗(yàn)，初步確定并固化了工藝參數(shù)，然后對(duì)陰極進(jìn)行優(yōu)化。在首次試驗(yàn)時(shí)，采用直線形陰極。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加工過程中該結(jié)構(gòu)的型面陰極會(huì)產(chǎn)生死水區(qū)，導(dǎo)致流場(chǎng)不均勻，使加工由于火花短路而無法持續(xù)進(jìn)行，并且加工后流道表面凹凸不平，加工質(zhì)量較差。

在電解加工過程中，應(yīng)使加工間隙中加工面上各處的電解液流量充足、均勻，不發(fā)生流線相交及其他流場(chǎng)缺陷，否則可能會(huì)在加工表面上產(chǎn)生流紋等疵病，影響加工精度及表面質(zhì)量，嚴(yán)重的可能發(fā)生短路，使陰極和工件損壞[10]。

為了解決火花短路問題，針對(duì)陰極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改善流場(chǎng)的均勻性。分析認(rèn)為兩尖角處電解液流程過長(zhǎng)，且葉型葉身位置兩側(cè)有相鄰葉片封水，因此導(dǎo)致尖角處流場(chǎng)不平穩(wěn)。為此采取如下措施：

（1）將陰極改為“S”形結(jié)構(gòu)，縮短了加工區(qū)域距離出液口處電解液的流程，改善了整個(gè)加工區(qū)域的流場(chǎng)，使得電解液的流場(chǎng)分布趨于均勻。

（2）在陰極兩端增加補(bǔ)液結(jié)構(gòu)，采用不同壓力的電解液對(duì)端面“以水封水”，使流程更加均勻，避免了死水區(qū)的現(xiàn)象。

采用優(yōu)化后的陰極重新試驗(yàn)，避免了加工過程中的火花短路現(xiàn)象，提高了工藝過程穩(wěn)定性，并驗(yàn)證了工藝可行性和穩(wěn)定性。

經(jīng)采用三坐標(biāo)檢測(cè)，套料電解加工的整體葉盤葉身型面余量較為均勻，基本控制在 1.0～1.2mm，能夠滿足后續(xù)精密電解終成型加工要求。特別對(duì)于精密電解加工來說，余量的均勻性對(duì)于復(fù)制精度尤為重要，余量越均勻，其最終加工精度愈高。

結(jié)束語(yǔ)

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，套料電解加工的整體葉盤葉型一致性好，余量接近均勻，效率高，能夠滿足后續(xù)精密電解加工要求。

電解工藝優(yōu)化，每次都要對(duì)陰極進(jìn)行優(yōu)化，然后重新制造，再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，反復(fù)迭代試驗(yàn)。因此，電解工藝研發(fā)非常耗時(shí)，但工藝一旦成型，加工效率則非常高，工藝穩(wěn)定。

精密電解加工整體葉盤具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好，陰極無損耗，可加工任何難切削導(dǎo)電材料，加工中無機(jī)械切削力，可加工薄葉型，無變形且加工過程穩(wěn)定。因此，精密電解加工技術(shù)在整體葉盤加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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