整體葉盤電解加工全過程電流控制方法研究

陳學(xué)振，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）

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整體葉盤電解加工全過程電流控制方法研究

陳學(xué)振，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）

摘要：提出了葉盤型面電解加工的全過程電流控制方法，基于電流控制思想，通過全程控制電流這一重要參數(shù)，使其在多次加工中基本保持一致，從而提高型面加工的重復(fù)精度。開展了電流控制方法的理論分析，掌握了工具進(jìn)給速度和電流變化的對應(yīng)關(guān)系，形成了加工過程中的電流調(diào)控策略，并設(shè)計(jì)了以電解加工電流為調(diào)控目標(biāo)的實(shí)時(shí)運(yùn)動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。針對Ti60整體葉盤開展了一系列對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：采用該電流控制方法可保證多次加工電流的一致性，進(jìn)而保證加工間隙及型面重復(fù)精度。葉盆、葉背受控線重復(fù)精度可控制在0.06 mm，有效地保證了每次加工精度的一致性。

關(guān)鍵詞：電解加工；整體葉盤；電流控制；重復(fù)精度

整體葉盤是新型航空發(fā)動機(jī)的核心部件，它將葉片與輪盤做成一體，替代了榫頭與榫槽通過鎖片連接的方式，減少了發(fā)動機(jī)零件數(shù)量，且降低了重量，從而可有效提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和推重比［1-4］。目前，整體葉盤的加工方法主要有電解加工［5］、高速銑削［6］和線性摩擦焊［7］等。由于整體葉盤的材料大多為鎳基高溫合金及高溫鈦合金，其加工難度較大，而電解加工具有工具無損耗、加工效率高且不受金屬材料本身力學(xué)性能的限制等特點(diǎn)［8-9］，所以在整體葉盤加工領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。歐美發(fā)達(dá)國家都將電解加工作為發(fā)動機(jī)整體葉盤制造的重要方法［10］，國內(nèi)也對整體葉盤葉片型面電解加工方法開展了許多研究，包括數(shù)控展成法加工［11］、振動電解葉片型面加工［12］、W型電解液流場葉片型面加工［13］等。

在電解加工過程中，加工精度的控制和提高一直是重點(diǎn)研究內(nèi)容。電解加工的精度主要包括型面復(fù)制精度和重復(fù)精度兩個(gè)方面。前者是工件型面與工具電極的吻合程度，主要由工具陰極型面和最終加工間隙決定；而后者是在相同參數(shù)下電解加工多個(gè)工件的一致性程度，往往受到工件毛坯的遺傳誤差、加工狀態(tài)波動所引起的誤差的影響。如何提高電解加工重復(fù)精度一直是研究的難點(diǎn)，特別是整體葉盤電解加工，由于其葉片數(shù)量多，每個(gè)葉片必須保證較高的加工精度，一個(gè)葉片的型面精度超差都會導(dǎo)致整個(gè)零件報(bào)廢，所以在提高單個(gè)葉片型面輪廓精度的同時(shí)，整體葉盤的重復(fù)精度至關(guān)重要。

在整體葉盤型面精密電解加工過程中，一方面，由于整體葉盤葉柵通道狹窄，在葉柵通道電解粗加工工序結(jié)束后，往往留給精加工的毛坯余量較小、余量差較大；同時(shí)，每個(gè)葉片毛坯的余量差也會有一定差別，這將造成電解加工遺傳誤差的波動，從而可能產(chǎn)生電解加工的重復(fù)誤差，因此需要分析整體葉盤電解粗加工后遺傳誤差的波動對重復(fù)精度的影響。更為重要的是，由于電解加工中不斷產(chǎn)生電解沉淀物、氣泡及熱量，同時(shí)，高速高壓的電解液從微小間隙中流過，電解加工過程十分復(fù)雜，需控制的參數(shù)眾多，每次加工的狀態(tài)往往存在差異，這也會對重復(fù)精度造成影響。如何盡可能保證每次電解加工過程的狀態(tài)一致，從而有效提高整體葉盤型面電解加工的重復(fù)精度，一直是亟需解決的關(guān)鍵問題。

本文重點(diǎn)針對整體葉盤型面電解加工的重復(fù)精度控制問題開展研究。一方面，分析了整體葉盤電解粗加工后毛坯遺傳誤差的波動情況，研究了遺傳誤差的波動量對型面電解精加工時(shí)重復(fù)精度的影響；同時(shí)，為了盡可能保證加工過程的穩(wěn)定和一致，控制和提高葉盤型面電解加工的重復(fù)精度，本文提出了葉盤型面電解加工的全過程電流控制方法，其思想在于全程控制加工電流這一重要參數(shù)，通過保持每次型面加工過程中的加工電流變化盡可能一致，進(jìn)而保證每次型面電解加工的狀態(tài)穩(wěn)定和一致，從而提高型面電解加工的重復(fù)精度。本文探討了電流控制方法的理論基礎(chǔ)，得出電解加工整體葉盤全過程中工具電極進(jìn)給速度變化與電流變化的關(guān)系，獲得了加工過程的電流控制策略；同時(shí)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，并對Ti60整體葉盤開展了一系列試驗(yàn)研究，有效地保證和提高了整體葉盤型面的重復(fù)精度。

1　電解加工重復(fù)性精度理論分析

本文首先通過分析遺傳誤差理論，研究整體葉盤電解加工的遺傳誤差對重復(fù)精度的影響。

在葉片型面電解加工達(dá)到平衡狀態(tài)前，加工間隙隨著時(shí)間不斷變化，屬于工件電解加工成形的間隙過渡過程（圖1）。加工結(jié)束時(shí)，剩余的δ0即為遺傳誤差。加工間隙從駐0向駐θ過渡的相關(guān)方程為：

式中：駐0為初始間隙；駐為去除余量h后的間隙；h為去除的余量；L為進(jìn)給深度；δ0為毛坯原始誤差；δ為去除余量h后存在的誤差；駐θ為θ處的法向平衡間隙；駐′、駐0′、L′為相應(yīng)符號的參數(shù)除以平衡間隙駐θ的無因次量。

圖1　電解加工整平過程示意圖

根據(jù)式（3）可得到加工間隙與進(jìn)給深度的對應(yīng)曲線（圖2）?？煽闯觯S著加工進(jìn)給距離L增大，即去除的余量h增加，加工間隙逐漸趨向平衡；當(dāng)L達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，加工間隙已非常接近平衡間隙，在工程應(yīng)用角度可認(rèn)為達(dá)到近似平衡間隙。當(dāng)加工進(jìn)入平衡狀態(tài)后，原有的毛坯遺傳誤差可得到有效去除，對重復(fù)精度的影響很小。

圖2　加工間隙與進(jìn)給距離的關(guān)系

在葉片精加工前，由于葉柵通道預(yù)加工后所剩的精加工余量約為3.0 mm，其余量差約為1.0 mm，余量差的波動量為±0.1 mm，此余量差及其波動量即為葉盤粗加工后的遺傳誤差及其波動量。因此，需計(jì)算當(dāng)精加工進(jìn)給量為3 mm時(shí)，能否消除該遺傳誤差及其波動量。通過電解加工平衡間隙公式可得此時(shí)的平衡間隙Δθ為0.5 mm，考慮遺傳誤差后的初始加工間隙Δ0為1.0 mm。整體葉盤型面誤差為±0.05 mm，故當(dāng)加工間隙Δ為0.55 mm時(shí)，即Δ′= 1.1時(shí)，可認(rèn)為加工進(jìn)入平衡狀態(tài)。上述數(shù)值代入式（3）可得L′=3.202 mm，即進(jìn)給深度L=1.601 mm時(shí)加工進(jìn)入平衡狀態(tài)，遺傳誤差可得到有效去除。此外，進(jìn)給深度L遠(yuǎn)小于實(shí)際加工深度3.0 mm。同理，在考慮遺傳誤差波動量的情況下，通過計(jì)算可知進(jìn)給深度L也遠(yuǎn)小于實(shí)際加工深度3.0 mm。

通過上述理論分析可知，整體葉盤葉柵通道電解粗加工后的毛坯遺傳誤差及其波動對電解加工重復(fù)精度的影響很小，所以導(dǎo)致加工產(chǎn)生重復(fù)誤差的主要因素為加工間隙的波動。在葉盤電解加工過程中，高速高壓的電解液從微小的加工間隙中流過，直接對其檢測較困難；同時(shí)，加工間隙受到電解液流動、電解產(chǎn)物分布及加工參數(shù)波動的影響，其在加工過程中往往不斷變化，如何保證每次加工過程中間隙大小的一致是電解加工的難點(diǎn)，而加工間隙的大小往往可通過加工電流反映出來。

由電解加工成形規(guī)律可知，當(dāng)工具電極進(jìn)給速度與陽極腐蝕速度基本一致時(shí)，電解加工達(dá)到平衡狀態(tài)。根據(jù)歐姆定律和法拉第定律，電解加工平衡間隙基本方程為：

工件電解速度與電流密度的關(guān)系方程為：

由式（4）和式（5）可得：

式中:vθ為工件在θ處的法向電解速度，mm/min；Δθ為θ處的法向平衡間隙，min；U為陰、陽極之間的電壓，V；δE為陰、陽極的極化電位值總和，或近似為分解電壓，V；κ為電解液電導(dǎo)率，1/（Ω·mm）；ηω為實(shí)際體積電化學(xué)當(dāng)量，mm3/（A·mm）；i為電流密度，A/mm2；ι為占空比。

由此可知，加工電流與加工間隙密切相關(guān)，電流變化導(dǎo)致電解加工間隙的波動，使每次加工后的葉片厚度及型面輪廓產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響整體葉盤型面電解加工的一致性。當(dāng)材料成分不變時(shí)，實(shí)際電化學(xué)當(dāng)量ηω可認(rèn)為是常數(shù)。由式（5）可知，陽極工件的腐蝕速度與電流密度具有線性關(guān)系。所以在加工過程中，根據(jù)電流變化實(shí)時(shí)地改變工具電極進(jìn)給速度，從而保持每次加工電流的一致性，可有效地控制加工間隙的波動，進(jìn)而保證重復(fù)精度。

2　整體葉盤電解加工電流控制策略

在整體葉盤型面電解精加工過程中，葉背、葉盆工具陰極深入葉柵通道內(nèi)相向進(jìn)給，同時(shí)加工出葉背、葉盆型面（圖3）。加工前，工具陰極對刀接觸陽極最高點(diǎn)并回退一定距離作為初始間隙，由于工具陰極型面與整體葉盤葉柵毛坯型面有差異，故初始間隙在葉柵毛坯表面各處有較大的差異，導(dǎo)致初始加工電流相對較小。當(dāng)工具陰極進(jìn)給時(shí)，工件表面輪廓與陰極工具逐漸吻合，工件初始余量差逐漸被整平，大間隙逐漸變小，加工電流逐步增加；當(dāng)各處加工間隙逐漸相同或相似時(shí)，電流趨于穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)入電解加工平衡狀態(tài)，且工具陰極運(yùn)動速度等于陽極工件腐蝕速度。由此可見，在葉片電解加工過程中，主要包括非平衡狀態(tài)和平衡狀態(tài)，其電流變化趨勢有差異，故針對這兩種狀態(tài)下的加工電流與工具陰極進(jìn)給速度的關(guān)系分別進(jìn)行了研究。

圖3　整體葉盤型面電解精加工方法示意圖

首先，對平衡狀態(tài)下的電流變化δI與工具電極運(yùn)動速度變化δvf的關(guān)系進(jìn)行分析。此時(shí)，工具電極運(yùn)動速度vf等于陽極腐蝕速度vθ，由式（5）可得：

假設(shè)整體葉盤葉片面積為S，則實(shí)際的電流密度變化量為：

由此可得到電流變化δI與工具電極運(yùn)動速度變化δvf的關(guān)系：

式中：δi為電流密度變化量；δI為電流變化量。故由式（9）可知，電解加工處于平衡狀態(tài)時(shí)，電流變化δI與工具電極運(yùn)動速度變化δvf具有線性關(guān)系。

其次，對于電流上升階段（非平衡狀態(tài)）的調(diào)節(jié)控制，主要考慮隨著加工進(jìn)行時(shí)陽極表面面積S的變化。加工初期，陰極工具與陽極工件型面吻合度不高，即型面各處加工間隙有較大差異；隨著加工的進(jìn)行，各處加工間隙逐漸相似或相同，工件型面與工具逐漸吻合，所以在非平衡狀態(tài)時(shí)，工件表面形狀和加工面積逐漸變化。考慮到非平衡狀態(tài)時(shí)加工面積的變化，引入α作為實(shí)時(shí)面積系數(shù)（或調(diào)節(jié)系數(shù)），采用αS代表非平衡狀態(tài)下的實(shí)時(shí)加工面積，將其代入式（9），可得：

為了獲得準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)系數(shù)α，采用工具陰極進(jìn)給速度分別為0.45、0.50、0.55 mm/min進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)分3次進(jìn)行，并求平均值排除誤差。其中，將速度0.50 mm/min時(shí)所得的電流作為標(biāo)準(zhǔn)電流，同時(shí)由于正常情況下，每次加工時(shí)的電流波動范圍不會過大，否則就意味著加工出現(xiàn)異常情況，因此，將與速度0.50 mm/min時(shí)得到的電流曲線較接近的電流作為參考電流（即速度0.45、0.55 mm/min時(shí)得到的電流）用于獲得電流調(diào)節(jié)系數(shù)。試驗(yàn)采用脈沖電源和NaCl電解液，具體參數(shù)見表1；不同進(jìn)給速度下的電流曲線見圖4。

表1　試驗(yàn)參數(shù)

圖4　試驗(yàn)電流

針對上述加工分別進(jìn)行電流信號的采集，電流變化劇烈處自動調(diào)節(jié)次數(shù)較多，電流變化平緩處調(diào)節(jié)次數(shù)相對較少。如圖4所示，當(dāng)加工電流＞標(biāo)準(zhǔn)電流時(shí)，分別選取進(jìn)給距離為0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm時(shí)、速度為0.50、0.55 mm/min加工的電流差值，并作為電流變化量δI代入式（10）中，此時(shí)工具電極運(yùn)動速度變化量δvf為0.05 mm/min，實(shí)際電化學(xué)當(dāng)量ηω為1.66 mm3/（A·min），葉片加工面積S為20.04 cm2，則由式（10）可計(jì)算出不同進(jìn)給距離下所對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)α1；同理，當(dāng)加工電流＜標(biāo)準(zhǔn)電流時(shí)，電流變化量δI可由速度為0.50、0.45 mm/min時(shí)加工的電流獲得，其他參數(shù)不變，則由式（10）可計(jì)算出不同進(jìn)給距離下所對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)α2。調(diào)節(jié)系數(shù)α1、α2的具體數(shù)值見表2。

表2　調(diào)節(jié)系數(shù)α

在確定調(diào)節(jié)系數(shù)α后，即可開展整體葉盤的全過程電流控制試驗(yàn)。以速度0.50 mm/min加工時(shí)的電流為標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)定的進(jìn)給距離處檢測實(shí)際電流與標(biāo)準(zhǔn)電流的差異，并按式（10）獲得進(jìn)給速度的變化量。其中，當(dāng)加工電流＞標(biāo)準(zhǔn)電流時(shí)，調(diào)節(jié)系數(shù)采用α1；當(dāng)加工電流＜標(biāo)準(zhǔn)電流時(shí)，調(diào)節(jié)系數(shù)采用α2。通過自行編制的控制軟件進(jìn)行陰極工具運(yùn)動速度的自動增減調(diào)節(jié)，使加工電流與標(biāo)準(zhǔn)曲線盡可能吻合，進(jìn)而獲得較一致的加工間隙，保證重復(fù)精度。

3　整體葉盤葉片電解加工過程中的電流調(diào)節(jié)方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用自主研制的六軸雙通道電解精加工專用機(jī)床（圖5），毛坯為帶葉柵通道的扇段試驗(yàn)件，其材料為高溫鈦合金Ti60。工具陰極初始進(jìn)給速度為0.5 mm/min，其他試驗(yàn)參數(shù)同表1。試驗(yàn)分二組進(jìn)行，第一組未采用電流調(diào)節(jié)方法，全程加工速度為0.5 mm/min，加工2個(gè)葉片（圖6）；第二組采用電流調(diào)節(jié)方法，加工速度根據(jù)電流變化進(jìn)行主動調(diào)節(jié)，加工4個(gè)葉片（圖7）。

圖5　整體葉盤六軸雙通道電解精加工機(jī)床

在上述加工過程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)電流信號采集。未采用電流調(diào)節(jié)方法時(shí)，兩次試驗(yàn)的電流變化差異較大，特別是在加工接近結(jié)束時(shí)，其電流最大差值約為18 A；而采用電流調(diào)節(jié)方法時(shí)，每次電解加工的電流值與標(biāo)準(zhǔn)電流值相差較小，全過程的電流偏差不超過10 A。故由分析可知，采用電流調(diào)節(jié)方法可有效地提高加工電流的一致性。

圖6　未采用電流調(diào)節(jié)方法電解加工扇段的葉柵通道及精加工葉片

圖7　采用電流調(diào)節(jié)方法電解加工扇段的葉柵通道及精加工葉片

采用三坐標(biāo)測量機(jī)對上述二組葉片進(jìn)行檢測，每個(gè)葉片的葉盆與葉背均檢測6條受控線。以每組葉片葉背與葉盆的第3條線的檢測結(jié)果為例進(jìn)行對比（第3條線的曲率變化較大，精度較難控制），試驗(yàn)結(jié)果見圖8、圖9?？梢?，第一組未采用電流調(diào)節(jié)方法的2個(gè)葉片，其葉盆受控線重復(fù)精度誤差的最大值為0.123 mm，葉背受控線重復(fù)精度誤差的最大值為0.121 mm；第二組采用電流調(diào)節(jié)方法的4個(gè)葉片，其葉盆、葉背受控線重復(fù)精度誤差的最大值分別為0.064、0.052 mm，相比于未采用電流調(diào)節(jié)方法得到的葉片葉盆、葉背的重復(fù)精度提高了40%以上。因此，采用電流調(diào)節(jié)方法的葉片受控線可獲得較好的一致性。

4　結(jié)論

（1）本文提出了電解加工的全過程電流控制方法，開展了電解加工電流控制方法的理論分析，獲得了工具陰極進(jìn)給速度與電流變化的關(guān)系，建立了加工過程中的電流調(diào)控策略。通過控制多次加工電流在確定的進(jìn)給距離處保持一致，保證了多次試驗(yàn)加工間隙的一致性，進(jìn)而獲得較高的型面加工重復(fù)精度。

圖8　未采用電流調(diào)節(jié)方法的扇段葉片部分受控點(diǎn)檢測結(jié)果

圖9　采用電流調(diào)節(jié)方法的扇段葉片部分受控點(diǎn)檢測結(jié)果

（2）針對Ti60整體葉盤進(jìn)行了葉片電解加工的全過程電流控制試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用該電流控制方法可保證多次加工電流的一致性，每次加工最終電流偏差可控制在10 A以內(nèi)，葉片葉盆與葉背的重復(fù)精度均在0.06 mm以內(nèi)，有效地保證了整體葉盤電解加工的重復(fù)精度。若能更為精確地控制加工電流的波動量，重復(fù)精度還能進(jìn)一步提高。

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Study on Current Control of Whole Process in Electrochemical Machining of Blisk

Chen Xuezhen，Xu Zhengyang，Zhu Di
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：The method of the current control is proposed in the whole process of electrochemical machining for blisk profiles. With making the current almost consistent in the multiple-processing，the repeatability of the profile precision will be improved. The theory of the current control method was carried out，and the relationship between the tool feeding rate and the current changing was established. Furthermore，the strategy of the current control was attained and the automatic regulating system of cathode feeding based on the changing current was developed. A series of contrast experiments were carried out for Ti60 titanium alloy blisk. The results show that the consistency of the current in multiple processing was guaranteed with the current control method，leading a good consistency of the machining gap. Finally，the repeated accuracy of the control lines in the basin and back was effectively ensured，and the repeated accuracy could be controlled under 0.06 mm.

Key words：electrochemical machining；blisk；current control；repeated accuracy

中圖分類號：TG662

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0025-06

收稿日期：2015-12-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475237）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET-12-0627）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（CXLX13_141）

第一作者簡介：陳學(xué)振，男，1988年生，博士研究生。