航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜扭曲葉片分步電解加工研究

余凌國(guó)，吳澤剛，朱棟，楊宇俊，張榮輝

(1. 南京航空航天大學(xué), 江蘇 南京 210016; 2. 中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150066)

0 引言

葉片是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一。因發(fā)動(dòng)機(jī)的研制不斷追求高功重比和高推重比，使葉片形狀變得越來(lái)越扭曲且精度要求不斷提高[1-2]。電解加工是一種通過(guò)復(fù)制陰極輪廓獲得工件輪廓的加工方式，具有不受金屬材料力學(xué)性能限制、加工效率高、工具電極無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造中有著廣泛的應(yīng)用[3-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)電解加工開(kāi)展了相關(guān)研究。房曉龍等人研究了脈動(dòng)流場(chǎng)在電解加工中的應(yīng)用，提高了工件材料的去除率和加工表面的質(zhì)量[5]。秦艷芳等人利用COMSOL軟件完成了基于脈沖電源和直流電源條件下的耦合場(chǎng)仿真研究，表明高頻脈沖電解加工條件下加工過(guò)程能夠更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[6]。張礦磊等人采用數(shù)值仿真，對(duì)葉柵通道電解加工中電解液側(cè)流式下的正向流動(dòng)與反向流動(dòng)的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，揭示了兩種流動(dòng)方式下流場(chǎng)的穩(wěn)定性[7]。KLOCKE等人基于加工區(qū)域中電場(chǎng)、流場(chǎng)等各物理場(chǎng)之間的關(guān)系，建立了仿真模型，并通過(guò)逆向仿真對(duì)陰極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了求解[8]。王寧峰等人采用添加輔助陽(yáng)極的方式有效抑制了旋印電解加工過(guò)程中雜散腐蝕問(wèn)題，提高了加工精度[9]。徐正揚(yáng)等人提出了從葉根至葉尖的供液方式，該種供液方式可提高電解液的可控性和穩(wěn)定性[10]。此外，減小端面加工間隙可以提高電解加工型面精度[11]，常用的減少端面加工間隙的方式包括混氣電解加工[12-13]、振動(dòng)電解加工[14]、脈沖電解加工[15]等。

目前單個(gè)葉片電解加工通常采用一步到位的連續(xù)加工方式。針對(duì)復(fù)雜扭曲葉片較小間隙的電解加工，本文提出了分步式加工的工藝方案，即在加工的開(kāi)始階段采用大間隙加工工藝參數(shù)進(jìn)行加工，待流道變化趨勢(shì)穩(wěn)定后，采用小間隙加工工藝參數(shù)進(jìn)行加工。利用UG建立復(fù)雜扭曲葉片小間隙流道和大間隙流道的模型。采用有限元法對(duì)兩種流道的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。在仿真的基礎(chǔ)上開(kāi)展小間隙連續(xù)式加工和分步式加工的工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證分步加工技術(shù)方案的可行性和有效性。

1 分步式葉片電解加工原理

葉片的電解加工原理圖如圖1所示。葉片工件、工具電極和電解液構(gòu)成電解加工反應(yīng)系統(tǒng)，其中葉片工件與電源正極連接并固定安裝在夾具中；葉背陰極和葉盆陰極同時(shí)連接電源負(fù)極，且2個(gè)電極朝葉片工件以相同的速度作相向直線運(yùn)動(dòng)；電解液從工件根部高速流向尖端，帶走電解產(chǎn)物和焦耳熱。整個(gè)加工過(guò)程，復(fù)雜扭曲葉片從方形坯料逐漸成型為所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形狀。

圖1 復(fù)雜扭曲葉片電解加工原理圖

圖2所示的復(fù)雜扭曲葉片，其結(jié)構(gòu)整體扭曲，特別在葉盆排氣邊附近，葉根與葉身過(guò)渡區(qū)域和葉尖與葉身過(guò)渡區(qū)域的型面都極為扭曲，故所對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的工具陰極型面也特別扭曲。

為了分析葉片排氣邊附近電解加工過(guò)程流道的變化情況，運(yùn)用UG對(duì)葉片排氣邊附近加工過(guò)程的流道進(jìn)行了建模，模型如圖3所示。葉片的加工流道通常分為葉根流道、葉身流道和葉尖流道。該復(fù)雜扭曲葉片葉盆排氣邊附近的葉根與葉身過(guò)渡區(qū)域和葉尖與葉身過(guò)渡區(qū)域的型面都極為扭曲，加工的初始階段，葉根流道、葉尖流道與葉身流道過(guò)渡區(qū)流道也極為扭曲，本文定義該區(qū)域流道為扭曲流道。由于葉根流道與葉身流道過(guò)渡區(qū)域的流道結(jié)構(gòu)更為扭曲，所以對(duì)該部分流道進(jìn)行詳細(xì)分析如下：

圖2 復(fù)雜扭曲葉片與對(duì)應(yīng)葉盆陰極型面示意圖

葉片加工的毛坯為方形毛坯，加工過(guò)程中陰極少量進(jìn)給后，流道內(nèi)間隙因結(jié)構(gòu)突變會(huì)引發(fā)流場(chǎng)不均。建立了小間隙和大間隙流道的模型分別如圖3(a)和圖3(b)所示。采用圖3(a)所示流道進(jìn)行加工時(shí)，沿流程方向，流道由窄變寬形成突變結(jié)構(gòu)；垂直流程方向，葉片排氣邊加工區(qū)域的間隙大于葉身型面加工區(qū)內(nèi)的間隙，使得扭曲流道在該截面內(nèi)也形成突變結(jié)構(gòu)。扭曲流道內(nèi)的突變結(jié)構(gòu)會(huì)使加工區(qū)域產(chǎn)生渦流、空穴和死水區(qū)等不良現(xiàn)象，從而誘發(fā)短路打火問(wèn)題。采用圖3(b)所示大間隙扭曲流道進(jìn)行電解加工時(shí), 流道間隙明顯增大，沿流程方向和垂直流程方向加工區(qū)內(nèi)的流道間隙差異均顯著減小，使得葉根流道與葉身流道之間的扭曲流道間隙差異性減小，改善了加工區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)質(zhì)量，保障復(fù)雜扭曲葉片加工的穩(wěn)定進(jìn)行。

圖3 復(fù)雜扭曲葉片電解加工流道模型

基于上述分析，制訂了復(fù)雜扭曲葉片分步式加工工藝方案如下：

第1步，采用大間隙流道工藝參數(shù)進(jìn)行加工，直至工件毛坯型面接近成型為葉片型面結(jié)構(gòu)，此時(shí)流道如圖3(c)所示，沿流程和垂直流程方向流道間隙均基本一致，達(dá)到圓滑過(guò)渡，此時(shí)流場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

第2步，采用小間隙流道工藝參數(shù)加工至復(fù)雜扭曲葉片完全成型。

2 葉片電解加工的仿真與分析

針對(duì)上述兩種流道模型開(kāi)展了流體動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)仿真研究。將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。采用N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型建立控制方程組[11]。本文以壓力作為仿真邊界條件，邊界條件如表1所示。

圖4 扭曲流道網(wǎng)格模型三維圖

表1 復(fù)雜扭曲葉片電解加工流場(chǎng)仿真邊界條件

仿真獲得的小間隙流道速度流線圖如圖5所示。分析可知：1) 葉根流道內(nèi)流場(chǎng)流線方向基本一致，流速差別??；2) 葉根流道與葉身流道過(guò)渡區(qū)內(nèi)流場(chǎng)紊亂，流線方向雜亂；不同區(qū)域流速高低不一，變化劇烈；3) 扭曲流道中有渦流產(chǎn)生，且流線發(fā)散，流速較高且波動(dòng)較大。

由于葉根流道和葉身流道過(guò)渡區(qū)流道結(jié)構(gòu)的突變，使得電解液的流動(dòng)方向和流速均發(fā)生大幅度變化，導(dǎo)致渦流產(chǎn)生。渦流的存在將嚴(yán)重影響葉片加工的順利進(jìn)行。首先，渦流干擾流道內(nèi)電解液沿流程的正常流動(dòng)，使得排氣邊附近垂直流程的下方區(qū)域流速降低；其次，渦流中心形成的負(fù)壓區(qū)可能導(dǎo)致電解液難以流走，加工產(chǎn)物堆積無(wú)法排出；再次，渦流中心較高的負(fù)壓區(qū)可能造成電解液氣化，形成積聚氣泡，產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。流道中電解液流速降低、產(chǎn)物堆積以及空穴現(xiàn)象均容易引發(fā)短路打火，導(dǎo)致葉片加工無(wú)法正常進(jìn)行。

圖5 小間隙扭曲流道流場(chǎng)流線分布

為了解決上述問(wèn)題，開(kāi)展了大間隙流道的流體動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)仿真，獲得的速度流線圖如圖6所示。葉根流道、葉身流道和扭曲流道內(nèi)的流場(chǎng)分布穩(wěn)定，流線方向基本一致，流速變化小，且沒(méi)有渦流現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，通過(guò)增加流道間隙可以解決因流道結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生的不良流場(chǎng)問(wèn)題。

圖6 大間隙扭曲流道流場(chǎng)流線分布

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，針對(duì)復(fù)雜扭曲葉片開(kāi)展了連續(xù)式加工和分步式加工的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)條件見(jiàn)表2，加工系統(tǒng)見(jiàn)圖7。

兩種試驗(yàn)條件下的加工電流變化情況如圖8所示。加工開(kāi)始時(shí)由于連續(xù)式加工條件的初始間隙更小，所以初始電流稍大。隨著陰極的進(jìn)給，兩種試驗(yàn)條件下的加工電流均穩(wěn)定上升。當(dāng)陰極進(jìn)給至3.8mm時(shí)，連續(xù)式加工過(guò)程發(fā)生短路打火，加工過(guò)程無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于分步式加工條件，第1步加工過(guò)程的電流變化可以分為兩個(gè)階段。1) 從試驗(yàn)開(kāi)始至陰極進(jìn)給至8mm處，該階段加工電流持續(xù)穩(wěn)定上升；2) 陰極從8mm位置進(jìn)給至8.6mm處，該階段加工電流基本不變，加工達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)工件毛坯加工面已經(jīng)基本成型，沿流程和垂直流程方向陰極與工件毛坯間的流道間隙基本一致，達(dá)到圓滑過(guò)渡，此時(shí)極間間隙內(nèi)的流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。第2步加工過(guò)程的電流變化可以分為3個(gè)階段。①陰極從8.6mm位置進(jìn)給到10.2mm位置，該階段加工電流穩(wěn)定上升，加工穩(wěn)定進(jìn)行；②陰極從10.2mm位置至11mm位置，此時(shí)電流穩(wěn)定不變，加工達(dá)到平衡狀態(tài)；③ 陰極從11mm進(jìn)給至試驗(yàn)結(jié)束，該階段葉片進(jìn)排氣邊逐漸成型，加工面積變小導(dǎo)致加工電流持續(xù)下降。綜上所述，采用分步式加工方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜扭曲葉片在較小間隙下的穩(wěn)定加工。

表2 復(fù)雜扭曲葉片電解加工試驗(yàn)條件

圖7 復(fù)雜扭曲葉片電解加工系統(tǒng)圖

圖8 試驗(yàn)電流變化情況

采用連續(xù)式加工方式，短路打火的工件毛坯如圖9所示。短路打火發(fā)生在工件靠近葉根排氣邊附近流道扭曲處，短路處形貌如圖9(a)所示，工件短路打火處有明顯燒焦的痕跡，未發(fā)生短路處的表面形貌如圖9(b)所示。試驗(yàn)結(jié)果與小間隙流道流場(chǎng)仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。采用分步式加工方式，將復(fù)雜扭曲葉片的加工分為兩步進(jìn)行，加工過(guò)程穩(wěn)定，未出現(xiàn)短路打火現(xiàn)象，最終加工成型葉片如圖10所示。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片葉根處的截面線進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示，葉片的全型面輪廓達(dá)到比較高的加工精度，葉盆和葉背加工誤差在0.03mm以?xún)?nèi)。

圖9 連續(xù)式加工條件下短路打火工件

圖10 分步式電解加工條件下成型葉片

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜扭曲葉片電解加工時(shí)，若直接采用小間隙加工參數(shù)連續(xù)加工，在加工初期會(huì)因?yàn)榱鞯澜Y(jié)構(gòu)突變引發(fā)流場(chǎng)紊亂，形成渦流，導(dǎo)致短路打火情況發(fā)生，無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片的穩(wěn)定電解加工。使用分步式加工方式，可以解決加工過(guò)程流場(chǎng)紊亂的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)葉片的穩(wěn)定加工。本文研究結(jié)論如下：

1) 針對(duì)復(fù)雜扭曲葉片電解加工過(guò)程因流道結(jié)構(gòu)突變引發(fā)流場(chǎng)紊亂，影響加工過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行的問(wèn)題，提出了分步式加工的工藝方法。

2) 采用ANSYS軟件完成了小間隙流道和大間隙流道的流體動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)仿真，驗(yàn)證了增加流道間隙可以解決流道突變產(chǎn)生的不良流場(chǎng)問(wèn)題。

3) 開(kāi)展了復(fù)雜扭曲葉片連續(xù)式加工和分步式加工的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了分步加工工藝方案的可行性。驗(yàn)證結(jié)果表明，通過(guò)分步式加工得到的葉片能夠達(dá)到較高的精度。