提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片反拷法電解加工精度的實(shí)驗(yàn)研究

方 越，劉 嘉，徐正揚(yáng)

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

提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片反拷法電解加工精度的實(shí)驗(yàn)研究

方 越，劉 嘉，徐正揚(yáng)

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

反拷法電解加工涉及不可逆的二次電解加工過(guò)程，加工精度很難控制，無(wú)法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造需求。在分析反拷法電解加工誤差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，以提升加工精度為目的，提出了小加工間隙反拷法電解加工方法。以加工典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，開展不同加工間隙條件下的反拷法電解加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：加工間隙由拷貝工具0.49 mm/反拷工件0.53 mm減小至拷貝工具0.23 mm/反拷工件0.23 mm，葉片型面輪廓精度由0.14 mm提升至0.05 mm，該結(jié)果驗(yàn)證了提出方法的有效性。

電解加工；航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；反拷法；精度提升

電解加工具有無(wú)機(jī)械切削力、加工表面質(zhì)量好、加工效率高、工具無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合難切削材料復(fù)雜曲面構(gòu)件成形，目前已成為葉片、葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要結(jié)構(gòu)件的主要制造方法之一[1-7]。電解加工屬于非接觸式加工，陰、陽(yáng)二極存在加工間隙，且受電場(chǎng)、流場(chǎng)、電化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多場(chǎng)的作用，精確預(yù)測(cè)間隙分布并設(shè)計(jì)工具電極非常困難[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電極設(shè)計(jì)開展了大量研究，提出了許多方法，如：基于cosθ法的有限元模型法[8]、拉普拉斯方程的數(shù)值解析法[9-10]、二維兩相的復(fù)合場(chǎng)模型法[11]及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能法[12]。雖然這些設(shè)計(jì)方法進(jìn)步顯著，陰極設(shè)計(jì)精度也明顯提升，但還是無(wú)法一次性快速獲得精準(zhǔn)的工具電極，仍需經(jīng)過(guò)數(shù)次試驗(yàn)修整才能用于生產(chǎn)，周期長(zhǎng)、成本高。因此，工具電極的快速、精確制備一直是電解加工技術(shù)的難點(diǎn)，亟需深入研究。

反拷法電解加工是利用標(biāo)準(zhǔn)葉片拷貝工具，再用制備的工具反拷加工工件的工藝方法。該方法利用拷貝工具和反拷工件二次相近的電解加工過(guò)程，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工件快速獲得一致性很高的多個(gè)工具電極，具有產(chǎn)品研制周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)[13-14]。然而，拷貝工具與反拷工件二次電解加工過(guò)程為非可逆過(guò)程，其加工誤差影響了反拷法加工的精度與重復(fù)性，故該方法通常用于加工精度較低的零件，無(wú)法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高精度復(fù)雜曲面零件的制造需求。

為了發(fā)揮反拷法加工周期短、成本低的突出優(yōu)勢(shì)，提升反拷法加工精度，使其滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高精度復(fù)雜曲面零件的制造需求，開展了提升反拷法加工精度的實(shí)驗(yàn)研究。在分析反拷法誤差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，提出了促進(jìn)反拷法加工精度提升的小加工間隙反拷法加工方法。以典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，開展了不同加工間隙條件下的加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法的有效性。

1 反拷法誤差產(chǎn)生原因分析

反拷法電解加工和常規(guī)電解加工的不同之處在于反拷法不需預(yù)測(cè)加工間隙分布，通過(guò)確定的標(biāo)準(zhǔn)葉片即可獲得一致性較好的工具陰極，且標(biāo)準(zhǔn)葉片可長(zhǎng)期使用，簡(jiǎn)化了陰極設(shè)計(jì)、修整及制備過(guò)程。然而，標(biāo)準(zhǔn)葉片拷貝工具與工具反拷葉片的二次電解加工過(guò)程并非可逆過(guò)程。由于顛倒極性產(chǎn)生的電場(chǎng)分布反向，引起電場(chǎng)方向與強(qiáng)度分布的前后差異，導(dǎo)致了反拷加工誤差；產(chǎn)物與氣泡分布反向，導(dǎo)致加工間隙內(nèi)產(chǎn)物分布差異，影響電導(dǎo)率分布，造成了反拷加工誤差；同時(shí)，電解加工過(guò)程存在隨機(jī)性，反拷法的二次加工產(chǎn)生的隨機(jī)誤差都會(huì)影響最終反拷加工的重復(fù)精度。因此，有必要深入分析反拷法電解加工誤差產(chǎn)生的原因。

1.1 電場(chǎng)分布反向?qū)庸ぞ鹊挠绊?/p>

電場(chǎng)分布是影響反拷法電解加工精度的重要因素。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，葉片必定存在葉盆（凹面）與葉背（凸面）型面，以葉背型面反拷法加工為例，拷貝工具時(shí)，其電場(chǎng)仿真分布見(jiàn)圖1。

圖1 電場(chǎng)線分布

由于凹面與凸面的曲面效應(yīng)，電場(chǎng)線在凸面呈聚集趨勢(shì)，在凹面呈發(fā)散趨勢(shì)。因此，凸面上的電流密度顯然高于凹面。電解加工時(shí)，電流密度高的區(qū)域材料溶解速度高，電流密度小的區(qū)域材料溶解速度低。在反拷加工中，拷貝工具與反拷工件二次加工的工件與工具互為凹面與凸面。在拷貝工具時(shí)凹面被電解，在反拷葉片時(shí)凸面被電解，由于凹、凸面的電流密度差異會(huì)引起溶解速度變化，因此從電場(chǎng)分布來(lái)看，拷貝工具和反拷工件并非可逆過(guò)程，勢(shì)必存在反拷誤差。

1.2 產(chǎn)物與氣泡分布反向?qū)庸ぞ鹊挠绊?/p>

電解加工時(shí)，連接電源正極的陽(yáng)極表面發(fā)生氧化反應(yīng)使材料溶解，連接電源負(fù)極的陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)而析出氫氣。在拷貝工具電極時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)葉片作為陰極，待加工的工具作為陽(yáng)極，故氣泡分布在標(biāo)準(zhǔn)葉片一側(cè)，電解產(chǎn)物分布在待加工的工具一側(cè)；而在反拷加工工件時(shí)，氣泡分布在工具電極一側(cè)，電解產(chǎn)物分布在工件一側(cè)，二次加工的間隙內(nèi)產(chǎn)物分布截然相反。

氣泡和產(chǎn)物在加工間隙中堆積，影響加工間隙中的電導(dǎo)率，從而影響加工間隙分布。由于氣泡在加工間隙中的體積遠(yuǎn)大于電解產(chǎn)物，所以氣泡在加工間隙中的分布對(duì)加工間隙分布的影響最顯著。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面為曲面，葉片電解加工間隙也呈彎曲的曲面。電解液高速流過(guò)彎曲的加工間隙時(shí)，高速流體在離心力作用下會(huì)由小曲率半徑曲面向大曲率半徑曲面運(yùn)動(dòng)，使加工間隙內(nèi)的液體壓力呈梯度分布。利用流場(chǎng)分析軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，設(shè)置入口壓力為0.8 MPa，出口壓力為0.2 MPa，對(duì)流場(chǎng)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加工區(qū)的電解液壓力仿真結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)，曲率半徑較小的凸面和曲率半徑較大的凹面的壓力存在較大差異。

圖2 電解液壓力分布云圖

由凹面和凸面的壓力曲線（圖3）可看出，凸面到凹面的電解液壓力在0～0.75 MPa范圍內(nèi)變化；曲率半徑較小的凸面壓力小，曲率半徑較大的凹面壓力大；凹面和凸面的壓力在入口處差異很明顯，而出口處則趨于一致，且發(fā)現(xiàn)凸面部分的壓力值可能小于大氣壓。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程：

可知，氣體的體積V與壓力p呈反比。由于在反拷法加工中，拷貝工具與反拷工件二次加工的工件與工具互為曲率半徑小的凸面與曲率半徑大的凹面，通過(guò)上述分析可知，凹面和凸面的壓力存在差異。以葉背反拷法加工為例，拷貝工具加工時(shí)氣泡產(chǎn)生在壓力較小的凸面，反拷工件時(shí)氣泡產(chǎn)生在壓力較大的凹面，因此在凸面產(chǎn)生的氣泡體積比在凹面產(chǎn)生的氣泡體積大，氣泡在電解液中的體積大小直接影響著電解液的電導(dǎo)率，導(dǎo)致反拷前、后的加工間隙大小存在差異，因此，反拷法二次加工中的產(chǎn)物分布反向會(huì)引起加工誤差。

圖3 電解液壓力分布曲線

1.3 二次電解加工隨機(jī)誤差對(duì)重復(fù)精度的影響

電解加工為非接觸式加工，陰極與陽(yáng)極之間存在加工間隙，其中的電場(chǎng)、流場(chǎng)、電化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化都會(huì)對(duì)加工間隙產(chǎn)生隨機(jī)影響，因此，加工中存在隨機(jī)誤差，它是平衡間隙的分散度。反拷法涉及拷貝工具和反拷工件二次電解加工，其過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，且第一次拷貝工具時(shí)的隨機(jī)誤差會(huì)直接影響第二次反拷工件的加工精度，所以隨機(jī)誤差也是影響反拷精度的重要原因。

2 減小加工間隙對(duì)反拷誤差的影響

若在加工中減小加工間隙，間隙內(nèi)的電場(chǎng)線分布、電解液壓力分布會(huì)隨著間隙的減小變得更均勻，能減少反拷前后電場(chǎng)分布反向和氣泡分布反向的差異。因此，提出通過(guò)減小加工間隙來(lái)減少反拷法加工誤差的方法。

2.1 減少電場(chǎng)分布反向引起的誤差

加工間隙減小時(shí)，在工具和工件表面電場(chǎng)線的密集程度也趨于相同，間隙內(nèi)的電場(chǎng)分布會(huì)更均勻（圖4），此時(shí)工具表面的電流密度和工件表面的電流密度的差異也將隨著加工間隙的減小而減小?？梢耘袛啵?dāng)加工間隙小到一定程度時(shí)，凹面和凸面的電流密度基本接近，可減少反拷前后電場(chǎng)分布反向的差異，提升反拷法精度。

2.2 減少產(chǎn)物氣泡分布反向引起的誤差

在小間隙狀態(tài)下，對(duì)加工流場(chǎng)區(qū)進(jìn)行流場(chǎng)仿真，發(fā)現(xiàn)其間隙內(nèi)從凸面到凹面的壓力值變化差異在減?。▓D5）。從壓力分布曲線（圖6）可看出，凸面到凹面的電解液壓力在0.45～0.7 MPa范圍內(nèi)變化，該變化范圍明顯小于大間隙時(shí)的壓力變化范圍。

圖4 間隙減小時(shí)的電場(chǎng)線分布

圖5 間隙減小時(shí)的電解液壓力分布云圖

圖6 間隙減小時(shí)的電解液壓力分布曲線

因此，加工間隙減小時(shí)，間隙內(nèi)的壓力分布較均勻，拷貝工具時(shí)在工件表面生成氣泡的體積大小和反拷工件時(shí)在工具表面生成氣泡的體積大小的差異也會(huì)減小，氣泡體積大小帶來(lái)電解液電導(dǎo)率的差異也隨之減小，由此減少了反拷法加工中產(chǎn)物分布反向帶來(lái)的誤差。

2.3 減少二次電解加工的隨機(jī)誤差

隨機(jī)誤差主要由工藝參數(shù)的分散度影響，根據(jù)平衡間隙公式：

式中：Δ為加工平衡間隙；η為電流效率；ω為體積電化學(xué)當(dāng)量；κ為電解液電導(dǎo)率；UR為極間歐姆壓降；v為陰極進(jìn)給速度；θ為工件型面法向與陰極進(jìn)給方向的夾角。

重復(fù)誤差可由式（2）進(jìn)行微分得到：

由式（3）可知，重復(fù)誤差公式前的系數(shù)（即加工間隙Δ）是影響加工間隙變化的首要因素，減小Δ能大大減少重復(fù)誤差帶來(lái)的影響。因此，反拷法加工中減小加工間隙，能顯著減少二次隨機(jī)誤差，提高反拷重復(fù)精度。

綜上，反拷法的誤差會(huì)受到電場(chǎng)分布反向、氣泡和產(chǎn)物分布反向及前后二次隨機(jī)誤差的疊加影響；減小加工間隙后，反拷前后的電場(chǎng)分布更均勻，電解液壓力更均勻，隨機(jī)誤差同時(shí)減小，由此減小了反拷法加工的誤差。

3 變間隙反拷電解加工實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證減小加工間隙對(duì)反拷法精度的實(shí)際影響，開展了相應(yīng)的電解加工工藝實(shí)驗(yàn)。由式（2）可知，加工間隙與極間歐姆壓降成正比，與進(jìn)給速度成反比。脈沖電源的占空比D是一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)通電時(shí)間所占的比例，減小D即減小脈沖循環(huán)內(nèi)的通電時(shí)間，即可減小陰陽(yáng)極的平均極間歐姆壓降，由此可減小加工間隙值。因此，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)僅調(diào)整電源占空比參數(shù)值的加工方式改變加工間隙，調(diào)節(jié)方案見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)方案

3.1 反拷電解加工實(shí)驗(yàn)

葉片反拷電解加工實(shí)驗(yàn)在自行研制的葉片電解加工機(jī)床上進(jìn)行（圖7）。標(biāo)準(zhǔn)葉片拷貝工具電極實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)葉片采用銑削成形，與電源正極連接的工具采用矩形方料毛坯；拷貝制得的工具反拷葉片實(shí)驗(yàn)的工件毛坯為矩形方料毛坯，標(biāo)準(zhǔn)葉片、拷貝工具毛坯、葉片工件毛坯材料相同，均為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。

圖7 電解加工機(jī)床

標(biāo)準(zhǔn)葉片拷貝工具與反拷葉片實(shí)驗(yàn)采用相同的工裝夾具（圖8），該夾具可實(shí)現(xiàn)葉盆、葉背分別進(jìn)液的主動(dòng)控制電解液流場(chǎng)方式（圖9）。標(biāo)準(zhǔn)葉片拷貝工具與反拷葉片實(shí)驗(yàn)采用相同的進(jìn)給參數(shù)、電解液流場(chǎng)、電源參數(shù)及初始間隙參數(shù)，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 反拷電解加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖8 夾具與工件實(shí)物圖

圖9 電解液流場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)減小電源占空比，實(shí)現(xiàn)加工間隙由大到小變化。當(dāng)占空比為100%、80%和60%時(shí)，三組實(shí)驗(yàn)順利完成，加工過(guò)程穩(wěn)定。加工結(jié)束后，用對(duì)刀法分別檢測(cè)葉盆、葉背處的加工間隙，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，加工間隙隨著占空比的減小而減小。當(dāng)占空比減小至40%時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)葉片拷貝工具實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了短路，其原因主要是加工間隙過(guò)小，導(dǎo)致電解產(chǎn)物來(lái)不及排出而堵塞加工間隙，隨著工具陰極不斷進(jìn)給，陰、陽(yáng)極接觸引起了短路。因此，葉片反拷電解加工實(shí)驗(yàn)僅比較占空比為100%、80%、60%三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反拷葉片見(jiàn)圖10。

表3 加工間隙測(cè)量結(jié)果

圖10 反拷葉片的三維對(duì)比圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 尺寸精度

利用TESA micro hite 3D型三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)反拷出的三組葉片進(jìn)行檢測(cè)，該測(cè)量?jī)x的空間重復(fù)精度≤1.5 μm。葉背、葉盆的測(cè)量截面線分別見(jiàn)圖11和圖13。不同占空比下的葉背、葉盆反拷測(cè)量結(jié)果分別見(jiàn)圖12和圖14。

圖11 葉背加工結(jié)果

由圖12和圖14所示曲線可直觀地看出，隨著占空比的減小，曲線波動(dòng)幅度在減小，即葉背、葉盆的輪廓度誤差逐漸減小。將誤差最大的P1和B1二條截面線進(jìn)行比較，可見(jiàn)當(dāng)占空比逐漸減小時(shí)，葉盆、葉背的輪廓度誤差也逐漸減小，表明減小占空比方案可明顯提高反拷法的加工精度。

3.2.2 表面質(zhì)量

圖12 不同占空比時(shí)的葉背反拷測(cè)量結(jié)果

圖13 葉盆加工結(jié)果

電解加工一般能比切削加工獲得更好的表面層質(zhì)量及表面粗糙度。采用表面粗糙度儀對(duì)葉片表面進(jìn)行粗糙度精準(zhǔn)測(cè)量，用輪廓算術(shù)平均偏差（Ra值）作為評(píng)定參數(shù)，該表面粗糙度儀的輪廓分辨率達(dá)12 nm。在取樣長(zhǎng)度L=5.6 mm上進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)反拷葉片的表面粗糙度值基本保持在Ra0.5 μm以下。在不同加工間隙下的表面粗糙度也會(huì)不同，加工間隙越小，表面粗糙度值越低。直流狀態(tài)下的表面粗糙度值為Ra0.454 μm，80%占空比下的表面粗糙度值為Ra0.386 μm，而60%占空比下的表面粗糙度值為Ra0.351 μm。隨著加工間隙的減小，電流密度得到提升，有助于獲得更好的表面質(zhì)量。因此，減小加工間隙不僅提高了葉片的加工精度，同時(shí)提高了表面質(zhì)量。

圖14 不同占空比時(shí)的葉盆反拷測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

（1）反拷法是快速獲得工具電極的工藝方法，但由于拷貝工具和反拷工件的二次電解存在電場(chǎng)分布反向、氣泡和產(chǎn)物分布反向、二次隨機(jī)誤差疊加等影響，導(dǎo)致反拷法精度不高，無(wú)法滿足葉片等高精度復(fù)雜曲面零件的生產(chǎn)需求。

（2）減小加工間隙時(shí)，工具凹面和工件凸面的電流密度差異減小，電場(chǎng)反向所帶來(lái)的差異減??；加工間隙內(nèi)的壓力梯度差異減小，氣泡和產(chǎn)物分布反向所帶來(lái)的差異減?。煌瑫r(shí)，隨機(jī)誤差隨加工間隙的減小而減小，提高了反拷法的重復(fù)精度。因此，提出了通過(guò)減小間隙來(lái)提升反拷法精度的方法。

（3）開展不同加工間隙下的反拷法加工實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著加工間隙的減小，反拷的加工精度和表面質(zhì)量均明顯提高，驗(yàn)證了加工間隙減小法的可行性。采用合適的加工參數(shù)，葉片的反拷加工精度可達(dá)0.05 mm，滿足了航空葉片的加工要求。

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Experimental Study on Anti-copy ECM of Aero-engine Blades for Higher Machining Accuracy

FANG Yue，LIU Jia，XU Zhengyang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Anti-copy electrochemical machining (ECM)is difficult to control machining accuracy because it involves two irreversible ECM processes.So it can′t meet the precision requirements of aero-engine blades.The study aims to increase the accuracy of anti-copy ECM and find the factors which influence the machining accuracy.The anti-copy ECM experiments under different machining gaps were launched.The results show that when the machining gap changes from 0.49 mm(copying tool)/0.53 mm(anti-copying workpiece)to 0.23 mm(copying tool)/0.23 mm(anti-copying workpiece)，the accuracy of blade profile changes from 0.14 mm to 0.05 mm，the results verify the validity of the proposed method.

ECM；aero-engine blades；anti-copy；improve accuracy

TG662

A

1009－279X（2017）03－0041-06

2016-11-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405230）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（BE2015160）；國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃

方越，男，1991年生，碩士研究生。