窄槽結(jié)構(gòu)電液束加工特性分析及參數(shù)匹配

潘志福，傅軍英，張明岐

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

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窄槽結(jié)構(gòu)電液束加工特性分析及參數(shù)匹配

潘志福，傅軍英，張明岐

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

介紹了采用電液束工藝加工窄槽結(jié)構(gòu)的原理和方法。結(jié)合電液束加工機(jī)理，闡述了窄槽加工技術(shù)特性和工藝難點(diǎn)，分析了參數(shù)控制過(guò)程及機(jī)理，探尋了參數(shù)匹配值與窄槽尺寸精度控制之間的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了窄槽入、出口尺寸的精確控制，獲得了入、出口尺寸精度和深寬比較高的窄槽結(jié)構(gòu)，為后續(xù)渦輪葉片尾緣窄槽類結(jié)構(gòu)的電液束加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

渦輪葉片；窄槽；電液束加工；形狀控制；參數(shù)匹配

高壓渦輪葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端的核心部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大，其中葉片承溫能力是影響渦輪前燃?xì)鉁囟戎笜?biāo)的重要技術(shù)點(diǎn)[1-2，5]。提高葉片承溫能力除了可通過(guò)提高材料自身的工作溫度之外，也可通過(guò)增強(qiáng)葉片冷卻效果來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-5]。在冷卻技術(shù)方面，已由最早采用的對(duì)流冷卻發(fā)展到現(xiàn)在的氣膜冷卻，即通過(guò)許多小孔或窄槽[3]，使冷卻氣流從葉片的內(nèi)腔流到外表面，從而在葉片表面形成一道溫度較低的隔熱氣膜。氣膜冷卻技術(shù)能大幅提高冷卻效率，但采用氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片不僅內(nèi)腔形狀復(fù)雜，而且小孔、窄槽結(jié)構(gòu)繁多，使其在制造過(guò)程中遇到了諸多困難，如：小孔加工的品質(zhì)與形貌、高深寬比窄槽加工的截面尺寸等方面，至今沒(méi)有良好且通用的解決辦法。

近年來(lái)，電液束加工技術(shù)在氣膜冷卻小孔的制造中得到了深入應(yīng)用[6-7]，很好地解決了直徑在0.2~ 0.8 mm范圍內(nèi)的高品質(zhì)小孔加工的難題，但國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展電液束加工葉片窄槽的相關(guān)工作。本文基于電液束加工原理，通過(guò)“橫行縱進(jìn)”的進(jìn)給模式，實(shí)現(xiàn)了窄槽的高品質(zhì)加工，并結(jié)合窄槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，深入分析了電液束加工窄槽的工藝特性和參數(shù)匹配問(wèn)題，為高精度深窄槽加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 電液束加工窄槽的工藝特性分析

高壓渦輪葉片中，典型窄槽結(jié)構(gòu)位于葉片尾緣處，俗稱為“劈縫”（圖1）。窄槽往往為“跑道型”結(jié)構(gòu)，其寬度為0.4~1 mm，長(zhǎng)度為2~6 mm，最大深度可超過(guò)8 mm，最大深寬比可達(dá)20∶1。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)窄槽的制造精度要求較高，窄槽入、出口的尺寸精度要求控制在0.04 mm以內(nèi)。

電液束加工窄槽的原理見(jiàn)圖2。加工由起點(diǎn)a開(kāi)始，此時(shí)電極和工件之間設(shè)定一個(gè)初始間隙Δ0，在加工過(guò)程中，電極與工件不接觸。電極以合適的速度vd沿著窄槽長(zhǎng)度方向進(jìn)行水平移動(dòng)，而在窄槽深度方向無(wú)進(jìn)給；當(dāng)電極到達(dá)預(yù)設(shè)窄槽長(zhǎng)度的另一端b后，再沿著窄槽深度方向步進(jìn)Δ；然后，控制電極沿著窄槽長(zhǎng)度方向水平移動(dòng)至起點(diǎn)a，由此完成第一個(gè)加工循環(huán)。電極回到起點(diǎn)a后，再沿著窄槽深度方向步進(jìn)Δ，開(kāi)始新的加工循環(huán)；如此往復(fù)，直到加工達(dá)到窄槽設(shè)計(jì)要求的深度為止。加工模式見(jiàn)圖3。

在電液束加工小孔時(shí)，僅需考慮電極沿小孔深度方向的送進(jìn)；而加工窄槽時(shí)，除了窄槽深度方向送進(jìn)外，還需同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度方向的去除，其加工過(guò)程中的流場(chǎng)狀態(tài)、去除模式與小孔加工完全不同。此外，電極的雙向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了一系列的技術(shù)難點(diǎn)，其中最主要的便是窄槽入、出口尺寸的精確控制。

由于電極進(jìn)給采用的是往復(fù)疊加步進(jìn)的方式，故電極水平方向與窄槽深度方向的進(jìn)給參數(shù)（主要包括水平方向的移動(dòng)速度vd和深度方向的單次進(jìn)給量Δ）的匹配極為關(guān)鍵，它直接影響窄槽入、出口尺寸的控制精度。在加工過(guò)程中，若參數(shù)匹配不當(dāng)，如：vd過(guò)大、Δ過(guò)小時(shí)，易形成錐形側(cè)壁（即窄槽入口尺寸大于出口尺寸）；相反，vd過(guò)小、Δ過(guò)大時(shí)，加工過(guò)程可能中斷。

2 電液束加工過(guò)程參數(shù)匹配理論分析

2.1 加工過(guò)程中的去除溶解規(guī)律

為了進(jìn)一步探究vd和Δ之間的關(guān)系，先從電化學(xué)加工機(jī)理入手，深入分析加工過(guò)程中的材料溶解規(guī)律。

工件在被加工表面法線方向的去除速度，以面積為π的平面加工為例，由式（1）可得到垂直平面方向的陽(yáng)極金屬工件的溶解速度為：

考慮到實(shí)際電化學(xué)加工時(shí)的電流效率，則有:

式中：va為工件被加工表面法線方向的溶解速度，mm/min；η為電流效率，一般認(rèn)為是常數(shù)；ω為體積電化學(xué)當(dāng)量，mm3/(A·min)；i為電流密度，A/mm2；V為溶解量體積；It為溶解作用的電量。

影響電解加工間隙的因素非常復(fù)雜。首先以最簡(jiǎn)單的情況分析加工間隙的過(guò)渡過(guò)程，如圖4所示，將電極和工件均簡(jiǎn)化為平板，同時(shí)基于如下假設(shè)進(jìn)行分析研究[8]：① 電極與工件的電導(dǎo)率比電解液的電導(dǎo)率大得多，可認(rèn)為電極與工件的各自表面為等電位面；②電解液的電導(dǎo)率在加工間隙內(nèi)是均勻的，且不隨時(shí)間而變化；③與加工間隙相比，加工面積足夠大，故可忽略邊界效應(yīng)。

2.2 加工過(guò)程中的間隙變化

假設(shè)初始間隙中的電解液流速為ū，電極與工件之間的外加電壓為U，電極以速度vc恒速進(jìn)給，此時(shí)工件表面的溶解速度為va，電解液的電導(dǎo)率為κ，則：

圖4 電解加工示意圖

在整個(gè)電解加工過(guò)程中，電極表面形狀、尺寸都不改變。同時(shí)，電極沿y方向進(jìn)給，x方向?yàn)殡娊庖毫鲃?dòng)方向，工件被加工表面相對(duì)電極的間隙為Δ，初始間隙為Δ0；經(jīng)時(shí)間t后，加工深度為h，此時(shí)間隙Δ可表示為：

將式（4）進(jìn)行微分，并注意到Δ0、vc（電極在被加工表面法向上的進(jìn)給速度）為常數(shù)，則可得到：在dt時(shí)間內(nèi)，陰極溶解深度dh與加工間隙的變化量dΔ之間的關(guān)系為：

令C=ηωκU，且知C為常數(shù)，可得：

如前所述，電液束加工窄槽與電解加工過(guò)程的陽(yáng)極溶解特性類似，溶解規(guī)律符合材料溶解機(jī)理特性。但是，窄槽加工又與傳統(tǒng)電解加工過(guò)程在電極運(yùn)行方式上有很大區(qū)別。在窄槽加工的每一個(gè)步進(jìn)循環(huán)中，電極在被加工表面法向的進(jìn)給速度vc為0，電極水平移動(dòng)速度為vd。如圖2所示，電極在工件上執(zhí)行步進(jìn)式往復(fù)拉槽動(dòng)作程序。在一個(gè)移動(dòng)循環(huán)內(nèi)，電極以速度vd在工件上作平移，同時(shí)工件的單次去除量為Δ（平衡狀態(tài)下，工件的單次去除量與電極的單次進(jìn)給量相等），因此，在電極移動(dòng)距離S（窄槽長(zhǎng)度）內(nèi)，可細(xì)分為無(wú)數(shù)段網(wǎng)格，且有：

即：

將式（9）代入上述間隙變化過(guò)渡過(guò)程的基本微分方程（vc=0時(shí)），可得：

由此可得：

由式（12）可知，電極水平移動(dòng)速度vd與單次去除量（決定電極的單次進(jìn)給量）Δ之間呈二次反比關(guān)系。如果vd較大，則在一個(gè)循環(huán)內(nèi)，工件去除量必然較小，電極的單次進(jìn)給量也必然較小；反之，vd較小，則單次去除量較大，電極的單次進(jìn)給量也較大。

3 加工實(shí)驗(yàn)

基于上述理論分析，開(kāi)展了窄槽加工實(shí)驗(yàn)，尋找出vd與Δ之間的最佳匹配關(guān)系，進(jìn)而得到C值。

以加工長(zhǎng)2 mm、寬0.6 mm、深14.7 mm的窄槽為例，取初始間隙為0.2 mm，電極水平移動(dòng)速度為4 mm/min，電極沿窄槽深度方向的單次進(jìn)給量為0.18 mm，循環(huán)加工至電極進(jìn)給深度達(dá)到14.7 mm。加工后的窄槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，測(cè)量其入、出口寬度分別為0.62、0.59 mm，尺寸偏差為0.03 mm，窄槽的深寬比為14.7/0.605=24.2。該組參數(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了窄槽入、出口尺寸的控制精度指標(biāo)，是較理想的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。將其代入上述公式，求得C=0.0324 mm2/min。

圖5 電液束加工的窄槽結(jié)構(gòu)

通過(guò)實(shí)際加工結(jié)果驗(yàn)證得到電極水平移動(dòng)速度vd與窄槽深度方向的電極單次進(jìn)給量Δ之間的關(guān)系方程式為（窄槽長(zhǎng)度取2 mm）：

由此可得到vd與Δ的最佳參數(shù)匹配圖（圖6）。

圖6 參數(shù)匹配關(guān)系圖

4 結(jié)論與展望

高深寬比窄槽的電液束加工是一項(xiàng)新的加工技術(shù)，目前雖已在部分領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用，但需解決的技術(shù)問(wèn)題仍較多。本文針對(duì)電液束加工窄槽工藝特性分析和參數(shù)匹配進(jìn)行了探索，為加工過(guò)程中的基礎(chǔ)參數(shù)選取與優(yōu)化提供了方向。研究結(jié)論如下：

（1）采用電液束往復(fù)疊加步進(jìn)式加工工藝可實(shí)現(xiàn)窄槽類結(jié)構(gòu)的加工，窄槽的深寬比可達(dá)20∶1，適合加工寬度較窄（小于0.8 mm）的高深寬比窄槽。

（2）在多個(gè)加工參數(shù)中，以電極水平移動(dòng)速度和單次進(jìn)給量對(duì)加工過(guò)程及結(jié)果的影響最大。實(shí)驗(yàn)證明，為實(shí)現(xiàn)較理想的尺寸精度，二者之間成二次反比的匹配關(guān)系。

電液束加工方法能有效解決渦輪葉片尾緣窄槽結(jié)構(gòu)加工的技術(shù)難題，可大幅提高渦輪葉片制造合格率，從而降低加工成本，提升葉片類零件的質(zhì)量，對(duì)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制具有很大的促進(jìn)作用。該工藝目前主要針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的深細(xì)窄槽，未來(lái)可擴(kuò)展應(yīng)用到航天、船舶、兵器等軍用及民用零部件的窄槽類（“跑道型”、曲線槽等）結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Characteristic Analysis and Parameter Matching of Narrow Groove Structure in Electro-stream Machining

PAN Zhifu，F(xiàn)U Junying，ZHANG Mingqi
（Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

The principle and method of machining narrow groove structures by means of electrostream machining are introduced.Based on the mechanism of electro-stream machining，this paper focuses on the technical characteristics and difficulties of narrow groove machining.And the mechanism of parameter control process is analyzed in detail.The relationship between the parameter matching and the precision controlling of the narrow groove size is explored.The precise controlling of outlet size of narrow groove is realized.The narrow groove structure with high precision and depth-to-width ratio is obtained.It lays a technical foundation for the subsequent machining of the narrow groove structure of turbine blade.

turbine blade；narrow groove；electro-stream machining；shape controlling；parameter matching

TG662

A

1009－279X（2017）03－0057-04

2017-04-04

潘志福，男，1986年生，工程師。