整體葉盤電解旋轉(zhuǎn)套料加工實(shí)驗(yàn)研究

張志金，張明岐，傅軍英，黃明濤，郭駿豐

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

整體葉盤電解旋轉(zhuǎn)套料加工實(shí)驗(yàn)研究

張志金，張明岐，傅軍英，黃明濤，郭駿豐

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

為了提高整體葉盤的加工效率、降低加工成本，開展了整體葉盤扭曲葉片電解預(yù)加工實(shí)驗(yàn)研究。通過分析葉型結(jié)構(gòu)及對電極片內(nèi)孔尺寸進(jìn)行理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了整體式加工陰極，并針對TC17鈦合金材料開展了加工實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：采用整體式加工陰極的電解加工方法能一次性去除大部分金屬，實(shí)現(xiàn)整體葉盤大扭曲葉片的小余量一次性成形加工，葉型單邊最小余量為2 mm。

整體葉盤；電解加工；旋轉(zhuǎn)套料

整體葉盤是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中普遍采用的最新的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局形式，相比于傳統(tǒng)的葉片和輪盤裝配結(jié)構(gòu)，省去了連接榫頭、榫槽和鎖緊裝置，避免了榫頭氣流損失，提高了氣動(dòng)效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡化，推重比和可靠性進(jìn)一步提高[1-3]。但整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常常出現(xiàn)葉片輕薄、彎扭度大、葉間通道開敞性差等問題[4-6]，且由于廣泛采用鈦合金、高溫合金甚至金屬間化合物等難加工材料，使其加工成為了一個(gè)世界性難題。

整體葉盤加工技術(shù)主要有數(shù)控銑削加工、電解加工及線性摩擦焊等。國內(nèi)普遍采用數(shù)控銑削加工技術(shù)[7-10]，但在加工鈦合金、高溫合金等難加工材料時(shí)，加工效率低、周期長、成本高等問題在粗加工階段尤為突出。目前，整體葉盤的粗加工方法主要有數(shù)控開槽加工、電火花線切割加工、射流切割等。然而，數(shù)控開槽加工柔性好，但加工過程中的刀具損耗大、成本高；電火花線切割加工效率低，只能加工直窄通道，對彎扭度較大的葉型無法加工；射流切割只適用于具有直紋展成特征的切割對象，且不能控制加工深度。

電解加工技術(shù)具有加工效率高、電極無損耗、加工成本低等優(yōu)勢[11-12]，能大幅提高整體葉盤的加工效率、降低加工成本，特別適合批量生產(chǎn)。電解套料加工是電解加工技術(shù)的一種典型應(yīng)用，加工過程中的電解液通過電極片的內(nèi)孔流出，在陰陽極之間施加直流電壓，而電極則以一定速度進(jìn)給，電極片內(nèi)孔外的材料逐漸被加工，最后“套出”一個(gè)完整的葉型[13]。傳統(tǒng)的電解套料工藝無法實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤大扭曲葉型的加工，故研究整體葉盤大扭曲葉型的電解套料加工技術(shù)對于提高整體葉盤的預(yù)加工效率具有重要意義。本文通過等速螺旋體整體陰極一次性進(jìn)給去除大部分金屬，獲得小余量等截面葉型，能大幅提高整體葉盤的預(yù)加工效率，降低加工成本，結(jié)合后續(xù)的精密電解加工技術(shù)，有望成為解決整體葉盤加工效率低、成本高的一條有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用三坐標(biāo)多軸聯(lián)動(dòng)電解加工設(shè)備，其Y軸和B軸可聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，B軸控制旋轉(zhuǎn)角度、Y軸控制進(jìn)給深度。主輸液系統(tǒng)額定壓力為2.5 MPa、額定流量為45 m3/min，保證了電解液的流量要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)對象與材料

以某風(fēng)扇2級整體葉盤扭曲葉片為研究對象（圖1）。其材料為TC17鈦合金，尺寸為200 mm×100 mm×100 mm。該整體葉盤葉片尺寸大，最大加工面積達(dá)100 cm2；且扭轉(zhuǎn)角度大，從進(jìn)氣邊到排氣邊的最大扭角為50.1°。

圖1 扭曲葉片模型

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 加工陰極設(shè)計(jì)

加工陰極的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到試件的形狀與加工成敗。設(shè)計(jì)時(shí)，需分析成形規(guī)律，保證試件具有一定的剛性，避免其在加工過程中變形，從而影響加工精度。在結(jié)構(gòu)上，還要保證整個(gè)加工軌跡無干涉、過切現(xiàn)象，必要時(shí)應(yīng)采取絕緣措施。

實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)葉片包絡(luò)線，利用三維數(shù)模分析軟件設(shè)計(jì)了等速螺旋體整體式加工陰極組件 （圖2），包括電極片、等速螺旋體水套、集液腔三部分。其中，電極片的內(nèi)孔形狀及尺寸決定了葉片的形狀精度；水套對加工完成的型面進(jìn)行絕緣保護(hù)，同時(shí)形成供給加工區(qū)電解液的通道；集液腔具有電解液匯集、均化初始壓力區(qū)的作用。為了適應(yīng)旋轉(zhuǎn)套料加工的特點(diǎn)，水套被設(shè)計(jì)為等速螺旋體結(jié)構(gòu)，中間為等速螺旋方孔，材料為不銹鋼；為了便于零件加工，水套還被設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，以螺釘聯(lián)接，且外表面、內(nèi)方孔的表面噴絕緣涂層以達(dá)到絕緣要求，水套結(jié)構(gòu)見圖3。

2.2 電極片內(nèi)孔尺寸的計(jì)算

根據(jù)電解加工的基本規(guī)律，理論上由葉型截面的法向擴(kuò)大一個(gè)加工間隙就可得到電極片的內(nèi)孔尺寸。在加工過程中，決定工件尺寸的是側(cè)面間隙，故將其作為設(shè)計(jì)電極片內(nèi)孔尺寸的依據(jù)。根據(jù)葉型數(shù)模計(jì)算后得到的等截面葉型尺寸見圖4，電極片的內(nèi)孔尺寸和幾何形狀見圖5。圖4、圖5所示尺寸的對應(yīng)關(guān)系為[14]：

圖2 整體式陰極

圖3 等速螺旋體絕緣水套

式中：ΔS為側(cè)向間隙；Δb為底面間隙；b為陰極片的加工邊厚度。

圖4 截面葉型尺寸

圖5 電極片內(nèi)孔尺寸

根據(jù)加工特點(diǎn)及葉型要求，初步確定底面間隙為0.5 mm，加工邊厚度為2 mm，則由式（4）計(jì)算得出的側(cè)向間隙理論值為1.5 mm，同時(shí)還需根據(jù)電解液的流量、流速對內(nèi)孔尺寸進(jìn)行修整。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

以理論計(jì)算為依據(jù)確定加工參數(shù)后，對TC17鈦合金方料進(jìn)行電解預(yù)加工，并根據(jù)實(shí)際加工效果對電極片進(jìn)行修整，同時(shí)調(diào)整加工參數(shù)。實(shí)驗(yàn)基本加工參數(shù)如下：電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaCl溶液，進(jìn)液口壓力0.6 MPa，初始加工間隙0.5 mm，初始進(jìn)給速度0.4 mm/min，加工電壓15 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

第一次試加工的進(jìn)給速度為0.4 mm/min，得到的葉型見圖6?？梢?，試件已加工出葉型形狀，但葉根、葉尖邊緣圓弧很大。這是由于進(jìn)給速度偏低、電極片加工邊厚度大導(dǎo)致側(cè)向電解加工時(shí)間長、葉尖部位側(cè)向間隙大而造成的，故需提高進(jìn)給速度、減小電極片加工邊厚度。

圖6 第一次試加工葉型

第二次試加工將進(jìn)給速度提高至0.6 mm/min，得到的葉型見圖7?？梢?，試件已加工出旋轉(zhuǎn)葉型形狀，但葉尖尖角呈錐形。這是由于初始間隙過大（0.5 mm）導(dǎo)致葉尖部位過度加工而造成的。同時(shí)，葉型根部邊緣存在放射性條紋（圖7所示A處），原因是在加工過程中，出水口附近間隙內(nèi)的壓力突降，使該處壓力低于流場條件下的氣化壓力，電解液隨之氣化形成氣泡，并逐漸積聚形成空穴，空穴處的電解去除量少，故而形成了放射性條紋。

圖7 第二次試加工葉型

第三次試加工將進(jìn)給速度提高至1 mm/min，初始加工間隙減小至0.4 mm，并將電極加工邊修成圓弧狀、水套結(jié)合面倒角，得到的葉型見圖8?？梢?，葉片已出現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)葉型形狀，且葉型符合加工要求，單邊最小余量為2 mm。

4 結(jié)論

（1）利用電解旋轉(zhuǎn)套料加工技術(shù)，通過等速螺旋體加工陰極的一次進(jìn)給，成功實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇整體葉盤大扭曲葉型的高效初成形加工，獲得了小余量等截面葉型。

圖8 第三次試加工葉型

（2）電解旋轉(zhuǎn)套料通過等速螺旋體加工陰極的一次性進(jìn)給去除大量金屬，葉型單邊最小余量達(dá)到2 mm，并可預(yù)留較小的加工余量，提高了后續(xù)精加工效率，降低了成本。

（3）電解旋轉(zhuǎn)套料加工技術(shù)可作為整體葉盤葉型初成形加工的重要方法，為整體葉盤的高效、低成本加工提供了一條有效的技術(shù)途徑。

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Experimental Study on Rotary Trepanning Electrochemical Machining for Blisk

ZHANG Zhijin，ZHANG Mingqi，F(xiàn)U Junying，HUANG Mingtao，GUO Junfeng
（ Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China ）

In order to increase the machining efficiency and reduce cost，electrochemical machining method is used in this paper.The whole cathode is designed by analyzing blade structure and calculating the inner hole dimension of cathode slice，and the TC17 titanium alloy is used for electrochemical machining.The result shows that the whole cathode is used in electrochemical machining blisk to remove a majority of metal，and then the twist blade with least allowance was

.The minimum allowance of the blade is 2 mm.

bilsk；ECM；rotary trepanning

TG662

A

1009－279X（2017）05－0031-03

2017-07-06

張志金，男，1980年生，高級工程師。