閉式整體葉輪葉間流道電解加工陰極設(shè)計

王 軍 趙建社 劉 辰 徐家文

南京航空航天大學(xué),南京,210016

0 引言

閉式整體葉輪是一種新型的發(fā)動機葉輪,因其性能優(yōu)越而得到廣泛應(yīng)用。但是這類葉輪通常工作在高壓、高溫、高轉(zhuǎn)速條件下,選用材料多為不銹鋼、高溫耐熱合金和鈦合金等難切削材料,并帶有具有復(fù)雜型面的葉片,使得其制造非常困難[1]。目前,數(shù)控銑削、精密鑄造是整體構(gòu)件的常用加工方法,但是閉式整體構(gòu)件因其型腔、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得用直柄刀具進行加工很困難,甚至無法加工,即加工可達(dá)性差。若采用電火花加工,雖解決了能加工的問題,但又存在加工周期長、電極損耗大、生產(chǎn)率低、加工成本高的問題。如果在電火花加工之前,先用電解工藝加工出葉間預(yù)通道,去除大部分材料,并均勻留下一定余量,然后利用電火花進行精加工,則可大大提高加工效率,降低生產(chǎn)成本[2]。本文針對某型三元流閉式整體葉輪葉間預(yù)通道的數(shù)控電解加工,對其陰極設(shè)計進行研究。

1 葉間氣流通道分析

圖1所示三元流閉式整體葉輪圓周上均布若干個葉片,葉片曲面主要根據(jù)氣動特性計算確定,多以列表曲面的形式給出葉片型值點坐標(biāo),經(jīng)數(shù)據(jù)處理并擬合后即可得到葉片的實體造型,將葉片進行圓周復(fù)制并添加輪盤及輪蓋結(jié)構(gòu)后即得到零件的三維實體模型。從模型中可知：其葉間氣流通道較窄,且上下封閉;進氣口軸向較寬,周向較窄,出氣口軸向較窄,周向較寬。葉間通道空間彎扭度大,加工可達(dá)性差,僅用一個成形或近成形陰極根本無法完成加工,必須對葉間氣流通道進行分區(qū)域加工,使用多個陰極從進氣口、排氣口分別進入,才能完成整個葉間流道的加工。

圖1 三元流閉式整體葉輪

葉間氣流通道的加工區(qū)域劃分必須保證每個區(qū)域劃分實體均能從進氣口、排氣口按照一定軌跡撤出,同時使每個劃分實體盡可能大,使得所用陰極數(shù)目最少、剛性最好。按照以上原則,通過反復(fù)進行計算機仿真模擬,并綜合考慮運動軌跡設(shè)計和流場設(shè)計,最終將葉間氣流通道劃分為三個加工區(qū)域,如圖2所示。

2 陰極設(shè)計

對于復(fù)雜形狀零件的電解加工,有學(xué)者提出利用簡單形狀陰極輔以空間的數(shù)控運動展成出零件形狀[3-5]。但是通過對圖1所示三元流閉式整體葉輪葉間氣流通道的分析,認(rèn)為使用簡單形狀陰極加工該類零件生產(chǎn)效率很低,而采用多個近成形陰極輔以簡單數(shù)控運動的加工方式能有效解決該類閉式整體構(gòu)件的加工難題,又能獲得較高的加工效率和加工穩(wěn)定性。本文依照上述加工區(qū)域設(shè)計了3個近成形陰極,并以圖2所示加工區(qū)域1的電解加工為例,論述其陰極設(shè)計方法。

圖2 葉間氣流通道的加工區(qū)域劃分

2.1 陰極型面設(shè)計

為進行陰極型面設(shè)計,首先假設(shè)電解加工間隙是等間隙的。葉間氣流通道的電解預(yù)加工主要是為電火花加工去除余量,等間隙假設(shè)是能夠滿足工序要求的。

利用UG二次開發(fā)的電加工過程仿真平臺,根據(jù)一定的軌跡將氣流通道實體撤出,撤出的過程中與理論零件實體進行布爾減運算,對于每個加工區(qū)域,其撤出軌跡遵循陰極實體最終留下的該區(qū)域?qū)嶓w體積最大的原則,那么整個撤出的運動軌跡即為加工運動軌跡的反過程,而撤出后經(jīng)過數(shù)次布爾減運算的陰極實體再減去加工間隙和該工序的加工余量就是要設(shè)計的陰極形狀。1號陰極的實體模型如圖3所示。

圖3 1號陰極實體模型

對于按照上述方法得到的陰極實體,為消除各加工區(qū)域間存在的接刀痕跡,在各加工區(qū)域陰極邊緣設(shè)計中,增加2mm左右的重疊加工區(qū),陰極邊緣進行倒圓角處理。

在進行陰極型面設(shè)計時,要同時兼顧陰極運動軌跡的規(guī)劃,運動軌跡復(fù)雜將帶來流場設(shè)計的困難,導(dǎo)致流場不易穩(wěn)定,從而影響加工穩(wěn)定性。從圖3可以看出,區(qū)域1的前端部位扭曲嚴(yán)重,加工軌跡至少要涉及兩軸聯(lián)動,即Y軸(圖3中陰極長度方向)的進給和繞Z軸(工件的軸心)的轉(zhuǎn)動。如果將前端扭曲嚴(yán)重的部位截去,雖然氣流通道得不到完全加工,但是陰極軌跡卻簡化為單軸進給,流場大大改善,加工穩(wěn)定性得到了保障。對用于粗加工的數(shù)控電解工序,確保加工過程的穩(wěn)定性是最重要的工藝指標(biāo)。

同樣,再從流場角度考慮陰極的修正。圖4是1號陰極投影圖,從圖中可以看出,陰極側(cè)面并不與進給方向垂直,而是成一傾斜角θ,傾斜部分各點法向間隙計算公式為

式中,ηω為實際體積電化當(dāng)量,對于新材料,需要進行工藝試驗測定;U為施加在陰陽極之間的電壓;δE為陰陽極電極電位值總和;κ為電解液電導(dǎo)率;vaθ為工件在各點的電解速度,vaθ=v cosθ;v為陰極進給速度。

圖4 1號陰極傾斜角θ的變化

從圖4中還可以看出,隨著陰極的進給,θ角逐漸減小。θ角減小則vaθ將增大,由式(1)可知,進給方向上各點法向間隙將逐漸減小。因而,為保證加工間隙維持在一定范圍內(nèi),亦即保證加工過程穩(wěn)定,必須考慮降低陰極進給速度,而進給速度的降低又將導(dǎo)致陰極前端加工超差。綜合考慮的結(jié)果是：對陰極側(cè)壁部分進行處理,如圖5所示。去除部分側(cè)壁后,陰極后端θ增大,有利于進給速度的提升。1號陰極加工結(jié)束后,再以簡單片狀陰極去除剩余工件材料,最終完成整個氣流通道的加工。

圖5 陰極修正

2.2 陰極流場設(shè)計

電解加工中,流場不僅直接關(guān)系到電解加工精度的高低、表面質(zhì)量的好壞,甚至?xí)Q定電解加工能否實施。合理的流場設(shè)計是電解加工得以成功的基礎(chǔ)。本文采用的電解液流動方式為正流式,而正流式流道橫截面沿電解液流動方向呈擴張狀態(tài),或者說此時電解液的流動為擴散流。對于擴散式通道加工,電解液流道逐漸增大,容易導(dǎo)致局部區(qū)域電解液缺失,致使短路燒傷。另外,在加工間隙出口處流道面積突然增大,致使電解液壓力突降,有可能使局部壓力降到低于該處流場條件下的氣化壓力,此時加工過程中產(chǎn)生的氫氣將會迅速膨脹,從而使得局部區(qū)域氣相體積迅速增大,液相由連續(xù)狀態(tài)變得不連續(xù),電解液不足,陽極蝕除速度減小甚至停止,同樣容易發(fā)生短路,圖6所示是發(fā)生在間隙出口處的短路燒傷情況。因而,對陰極進行流場設(shè)計時,必須結(jié)合工裝夾具統(tǒng)一考慮。

圖6 加工間隙出口處的短路燒傷

夾具的設(shè)計需要施加適當(dāng)?shù)谋硥?在加工間隙出口設(shè)置導(dǎo)流段,以防止壓力突變。這樣不但提高了電解液工作壓力的穩(wěn)定性,而且還可使整個流程上的電導(dǎo)率均勻,從而使加工間隙均勻,這對提高電解加工的復(fù)制精度具有顯著效果。

在流體力學(xué)中橫斷流束與其中所有流線相垂直的曲面稱為過流斷面。從電解液供液系統(tǒng)進液口至加工間隙出口整個電解液的供液流程中,最小過流斷面的面積對電解液的流量有關(guān)鍵影響[6]。在相同的進口壓力下,最小過流斷面的面積越大則電解液流量越充足,電解產(chǎn)物越容易排除,利于電解加工過程的穩(wěn)定。因而陰極流場設(shè)計中,增大最小過流斷面面積也是保證流場穩(wěn)定的一個有效手段。圖7示出了一種增大最小過流斷面的工藝方法。從圖7a可以看出,工件正對陰極出液口的部分得不到加工,因而產(chǎn)生了微小的凸起,A處即是整個電解液流程中最小過流斷面。圖7b所示是電解加工之前,預(yù)先加工工藝孔的情形,可以看出,電解液從陰極流入預(yù)先鉆好的工藝孔,再從工藝孔反向流入加工間隙,B處是最小過流斷面,其通道面積大于A處(圖7a)通道面積,電解液流量相對較大,流場相對穩(wěn)定。

圖7 有無工藝孔的電解液流動對比

預(yù)鉆工藝孔可以提高電解加工速度及其加工穩(wěn)定性,每個工藝孔都包含在最終成形的葉間氣流通道之內(nèi),屬于待加工材料。工藝孔的尺寸確定要保證其直徑略大于陰極端部,以避免由于陰極端面進給而造成電解加工速度下降;孔的深度要與陰極進給距離一致。工藝孔的位置分布與葉間氣流通道分布保持一致即可。

2.3 陰極結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在完成陰極的外形設(shè)計和流場設(shè)計之后,還需要結(jié)合流場穩(wěn)定、陰極裝夾定位等因素對陰極的結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化和完善：①為保持整個流道光滑轉(zhuǎn)接,以適當(dāng)圓角過渡代替“尖棱角”,這樣有利于流場穩(wěn)定,提高工件表面質(zhì)量;②合理設(shè)計添加陰極定位、調(diào)整找正的工藝基準(zhǔn);③非加工區(qū)絕緣以防止雜散腐蝕,同時還可以起到背壓的作用。

3 工藝試驗

在數(shù)控電解機床上,對圖1所示三元流閉式整體葉輪使用NaNO3電解液進行實際加工試驗。對用于粗加工的數(shù)控電解工序,特別是在研制階段,確保加工過程穩(wěn)定是最重要的工藝要求。加工過程穩(wěn)定就是要確保加工間隙維持在一定范圍內(nèi),因而,加工參數(shù)的確定首先應(yīng)當(dāng)選定能夠使電解加工穩(wěn)定進行的加工間隙,然后再選取其余加工參數(shù)(陰極進給速度、加工電壓)及電解液參數(shù)。通過多次試驗摸索,最終確定主要加工參數(shù)如表1所示。

表1 主要電解加工參數(shù)

對于完整的氣流通道加工,還需要2號、3號陰極分別加工后共同完成,圖8所示即為電解預(yù)加工完成后的葉輪。

圖8 電解預(yù)加工完成后的葉輪

結(jié)果表明,當(dāng)全部3個陰極完成數(shù)控電解加工后,葉間通道內(nèi)大部分型面只剩下0.5～0.7mm的余量留待數(shù)控電火花精密加工。

4 結(jié)論

在閉式整體葉輪組合電加工工藝中,數(shù)控電解加工預(yù)通道是提高綜合加工效率、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵工序。本文對這一關(guān)鍵工序進行研究,主要解決了能加工和穩(wěn)定加工的問題：針對能加工問題,劃分了多個加工區(qū)域,設(shè)計了多個陰極及相應(yīng)的加工軌跡,分別從進氣口、排氣口處進給,最終共同完成葉間氣流通道的電解加工;針對電解加工穩(wěn)定性問題,在間隙出口處施加背壓以使流道內(nèi)電解液均勻,同時在夾具上設(shè)計導(dǎo)流段以防止間隙出口處壓力突降;另外在工件上增設(shè)工藝孔以增大流道中最小過流斷面面積,提高了加工穩(wěn)定性。

在解決上述問題的基礎(chǔ)上,設(shè)計了3個近成形陰極,成功加工出三元流閉式整體葉輪的預(yù)通道,去除了工件大部分材料,留下均勻余量待后續(xù)電火花精密加工,有效地提高了綜合加工效率,降低了生產(chǎn)成本。

[1] 徐家文.整體葉輪的特種加工方法[J].航空精密制造技術(shù),1992(4)：19-21.

[2] 趙建社,徐家文,云乃彰,等.異形型腔組合電加工數(shù)字化制造技術(shù)研究[J].航空學(xué)報,2006,27(1)：157-160.

[3] Kozak J.Computer Simulation System for Electrochemical Shaping[J].Journal of M aterials Processing Technology,2001,109：354-359.

[4] Xu Jiawen,Yun Naizhang,Tang Yangxin,et al.The Modeling of NC-electrochemical Contour Evolution Machining Using a Rotary Tool-cathode[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,159：272-277.

[5] Zawistowski F.New System of Electrochemical Shaping[J].Journal of Materials Processing Technology,2001,109：354-359.

[6] 劉潤生.水力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1987.