扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解余量均勻化加工技術(shù)研究

高偉正，趙建社，岳 磊，程新想，張昌昊

（ 1. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 江蘇集萃精密制造研究院有限公司，江蘇 南京 210016；3. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002 ）

扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤具有質(zhì)量輕、功重比大、氣動(dòng)性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中[1-3]。 然而，其葉間通道相對(duì)深而窄，葉片厚度變化大、彎扭程度大、受力易變形、開(kāi)敞性差，幾何精度和表面質(zhì)量要求苛刻，同時(shí)所用材料多為鈦合金、高溫合金等難加工材料，對(duì)加工制造帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4-6]。 相較傳統(tǒng)機(jī)械加工、線性摩擦焊加工而言，旋轉(zhuǎn)套料電解加工具有加工效率高、加工無(wú)變形、加工表面質(zhì)量好、工具陰極無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，適用于加工扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤。 然而在旋轉(zhuǎn)套料加工后，葉身余量分布均勻性對(duì)后續(xù)葉片精加工的精度控制至關(guān)重要，同時(shí)考慮到扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉片厚度變化大、扭曲度大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)套料電解加工后余量分布均勻性有待進(jìn)一步提高。

為提高整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工后余量分布的均勻性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。Scott 等[9]提出了采用分體式陰極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移加工串聯(lián)葉片整體葉盤的電解加工方法，與傳統(tǒng)電解加工相比，可有效改善葉身型面余量分布情況。 Platz 等[10]提出了采用片狀陰極進(jìn)行整體葉盤套料電解粗加工的方法，可有效改善葉片前后緣處余量分布。 Klocke 等[11]提出了使用螺旋階梯式陰極進(jìn)行整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工的方法，相較傳統(tǒng)套料方法改善了葉片全輪廓余量分布。Lei 等[12]提出了基于粒子群算法的容差最小化變旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)套料電解加工方法，加工出單邊最大余量差值0.96 mm 的整體葉盤。 于冰[13]提出了考慮整體葉盤葉型的旋轉(zhuǎn)套料最小包絡(luò)陰極設(shè)計(jì)方法，通過(guò)該方法設(shè)計(jì)的陰極可使得加工余量分布更加均勻。 張志金等[14]提出了采用等速螺旋水套搭配整體式陰極的旋轉(zhuǎn)套料電解加工方法，通過(guò)工藝試驗(yàn)加工出單邊平均余量為2 mm 的整體葉盤，一定程度上提高了余量分布均勻性。 孫倫業(yè)等[15]提出了陰極變中心整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工方法，并通過(guò)UG 軟件模擬加工過(guò)程，余量分布得到改善。翟士民等[16]通過(guò)分析整體葉盤葉型基疊軸和旋轉(zhuǎn)軸的空間關(guān)系，優(yōu)化了加工進(jìn)給方向，加工出單邊平均余量為1.1 mm 的整體葉盤。

學(xué)者們研究了陰極結(jié)構(gòu)、進(jìn)給方向、加工路徑等因素對(duì)整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工后余量分布情況的影響。 除此之外，加工電壓也是影響加工后余量分布的重要因素，在以往的研究中大都為恒定電壓加工，加工后得到近似等截面的整體葉盤。 針對(duì)扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉片上下截面厚度變化大、恒定電壓加工不易滿足余量分布需求，開(kāi)展變電壓旋轉(zhuǎn)套料電解加工分析加工電壓與余量分布之間的關(guān)系，結(jié)合工藝試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉間通道余量均勻高效去除，以滿足后續(xù)精加工要求。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉片薄而狹長(zhǎng)，為滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求，葉片多為復(fù)雜曲面，自葉頂截面至葉根截面其扭角和尺寸都相差較大， 其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示， 其中葉片總長(zhǎng)為30 mm， 葉片總扭轉(zhuǎn)角為28.8°，葉間距為10.4 mm，扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉片自上而下各截面葉型如圖2 所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)

圖2 扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉片不同截面葉型

旋轉(zhuǎn)套料電解加工方法理論上只可采用一個(gè)片狀陰極“套”出自上而下等截面的葉片，針對(duì)扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤葉片截面尺寸變化大的特點(diǎn)， 采用變電壓加工方式“套”出自上而下變截面的葉片，以滿足扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤不同截面余量分布均勻的需求。

圖3 是扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工方法示意， 其中工具陰極是根據(jù)扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤不同截面葉型投影獲得最小包絡(luò)線， 并將其偏置一定距離所設(shè)計(jì)[13]。旋轉(zhuǎn)套料加工過(guò)程中，片狀陰極接電源負(fù)極，扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤接電源正極，二者通過(guò)由電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)流出的高速電解液形成導(dǎo)電回路，機(jī)床帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤沿Z 軸進(jìn)給的同時(shí)繞C 軸旋轉(zhuǎn)，在電化學(xué)陽(yáng)極溶解作用下逐漸加工出扭轉(zhuǎn)葉片。

圖3 扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工示意圖

在旋轉(zhuǎn)套料電解加工過(guò)程中，側(cè)面間隙決定整體葉盤的余量情況，旋轉(zhuǎn)套料加工過(guò)程陰極屬于側(cè)面絕緣形式，側(cè)面間隙ΔS可由下式表示：

其中：

將公式（2）代入公式（1）可得：

式中：Δb為端面平衡間隙；vd為工件進(jìn)給速度，b 為陰極加工區(qū)域厚度；κ 為電導(dǎo)率；ω 為體積電化學(xué)當(dāng)量；η 為電流效率；UR為極間電壓。

由式（3）可知，側(cè)面間隙與工件進(jìn)給速度及加工電壓成比例關(guān)系，而當(dāng)其他加工條件不變時(shí)，側(cè)面間隙越大，說(shuō)明葉片余量越小，反之則余量越大。 為改善扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工后余量分布情況，設(shè)定工件進(jìn)給速度以及恒定工件旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)加工過(guò)程的仿真分析側(cè)面間隙和加工電壓之間的關(guān)系，制定可均化余量的變電壓加工方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證方案可行性，為后續(xù)葉片型面精加工奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 電場(chǎng)模型建立

為分析加工電壓對(duì)于側(cè)面間隙的影響規(guī)律，需通過(guò)建立幾何模型開(kāi)展電場(chǎng)仿真研究。 旋轉(zhuǎn)套料電解加工葉片成形過(guò)程可用直線進(jìn)給套料電解加工過(guò)程來(lái)體現(xiàn)，為提高仿真效率，以葉片縱向?yàn)榍忻娼D4 所示的幾何模型。 圖中：1 為工件陽(yáng)極邊界，3、4、8、9 為工具陰極邊界，5、7 為絕緣邊界，6 為電解液入口邊界，2、10 為電解液出口邊界。 工具陰極厚度為2 mm，電解液電導(dǎo)率為9.5 S/m，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取初始加工間隙Δ0為0.5 mm。

圖4 電解加工成形仿真幾何模型

假設(shè)仿真幾何模型內(nèi)電解液為各向同性， 則加工幾何模型間隙內(nèi)電位分布情況可用拉普拉斯方程表示：

式中：x 和y 分別為模型中點(diǎn)的坐標(biāo)；φ 為各點(diǎn)的對(duì)應(yīng)電位。 工件陽(yáng)極和工具陰極邊界條件分別為：

剩余絕緣邊界5、7 和自由邊界2、6、10 滿足：

為探究加工電壓對(duì)側(cè)面間隙的影響規(guī)律， 按照表1 中的電場(chǎng)仿真參數(shù)，利用Comsol 軟件針對(duì)加工電壓進(jìn)行單因素對(duì)比仿真， 掌握不同電壓下的扭轉(zhuǎn)葉片輪廓成形規(guī)律， 為制定變電壓加工方案提供理論依據(jù)。

表1 電場(chǎng)仿真參數(shù)

3 仿真分析及變電壓加工方案制定

3.1 仿真結(jié)果分析

旋轉(zhuǎn)套料電解加工進(jìn)給深度達(dá)到35 mm 時(shí)，葉片被全部“套”出，其中理論葉片輪廓位于5~35 mm處。 通過(guò)分析不同電壓下加工至最終時(shí)刻葉片輪廓情況，對(duì)應(yīng)側(cè)面間隙的分布規(guī)律，結(jié)合扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)特征制定變電壓加工方案，為工藝試驗(yàn)提供依據(jù)。

采用表1 中的電場(chǎng)仿真參數(shù)與圖3 中的電解加工成形仿真幾何模型，分別設(shè)置加工電壓U=20、24、28、32、36、40、44、48 V 進(jìn)行電場(chǎng)仿真， 得到不同電壓下縱向截面葉片輪廓仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同電壓葉片縱向輪廓仿真結(jié)果

圖5 中，ΔS1~ΔS8分別為加工電壓在20~48 V 時(shí)的側(cè)面間隙，由于工具陰極具有一定厚度，且其加工刃邊做倒圓處理，葉片會(huì)分別在葉尖和葉根處產(chǎn)生圓角。 隨著電壓逐漸增大，葉片輪廓厚度逐漸減小，側(cè)面間隙逐漸增大，除葉尖和葉根以外的葉片側(cè)壁輪廓近似呈線性變化，因此可僅對(duì)葉片側(cè)壁輪廓進(jìn)行分析。

圖6 是加工電壓為20 V 時(shí)的葉片輪廓仿真結(jié)果，對(duì)其成形情況進(jìn)行分析。 在H=5~32 mm 時(shí)，葉片側(cè)壁加工間隙趨于穩(wěn)定，其中H=5 mm 時(shí)，側(cè)面間隙ΔS1=1.16 mm，H=32 mm 時(shí)，ΔS1=1.12 mm， 上下僅差0.04 mm， 則可取平均值ΔS1=1.14 mm 作為20 V 電壓條件下對(duì)應(yīng)的側(cè)面間隙。

圖6 20 V 電壓條件下葉片輪廓仿真結(jié)果

以此類推，分別對(duì)20~48 V 加工電壓條件下葉片側(cè)壁輪廓成形情況進(jìn)行分析，取上下側(cè)面間隙平均值作為參考，得到圖7 所示加工電壓U 與側(cè)面間隙ΔS之間的關(guān)系，通過(guò)擬合可得到下式：

圖7 不同電壓與側(cè)面間隙的關(guān)系

通過(guò)計(jì)算得知擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.997， 曲線擬合度高，擬合公式可信，通過(guò)此關(guān)系可得到不同電壓下的葉片橫截面仿真結(jié)果。 圖8 是H=5 mm 時(shí)葉片橫向輪廓仿真結(jié)果，可見(jiàn)隨著電壓增大，側(cè)面間隙逐漸增大，葉片余量逐漸減??；但是，當(dāng)電壓過(guò)大時(shí)扭轉(zhuǎn)葉片葉緣處可能發(fā)生過(guò)切，如加工電壓達(dá)到48 V時(shí)，葉緣處余量?jī)H剩0.6 mm，葉背中點(diǎn)處最大余量為1.16 mm， 因此在制定變電壓加工方案時(shí)電壓不可過(guò)大，需同時(shí)考慮葉片縱、橫向輪廓仿真結(jié)果。

圖8 H=5 mm 時(shí)不同電壓下葉片橫向輪廓仿真結(jié)果

根據(jù)扭轉(zhuǎn)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合葉片縱、橫向輪廓仿真結(jié)果， 在H=5~32 mm 時(shí)可制定基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方案，在葉片不過(guò)切的前提下，提高余量分布均勻性。

3.2 變電壓加工方案制定

扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤在旋轉(zhuǎn)套料電解加工完成后需要留有一定余量用于精加工，余量過(guò)大精加工效率低下，余量過(guò)小精加工難以整平。 以葉片全輪廓最小余量1 mm 作為加工目標(biāo)，結(jié)合葉片縱向、橫向輪廓仿真結(jié)果，通過(guò)制定基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方案以提高葉片余量分布均勻性。 圖9 為葉片最小余量1 mm 時(shí)縱向截面輪廓在不同進(jìn)給深度H 下對(duì)應(yīng)側(cè)面間隙ΔS情況，通過(guò)擬合可得到二者關(guān)系曲線：

圖9 葉片最小余量1 mm 時(shí)縱向截面輪廓對(duì)應(yīng)側(cè)面間隙

通過(guò)計(jì)算得知擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.994， 曲線擬合度高，擬合公式可信。 將式（7）代入式（8）中可得到進(jìn)給深度H 在5~32 mm 與所需加工電壓U 之間關(guān)系：

根據(jù)式（9）可確定H=5~32 mm 時(shí)變電壓加工方案。而由圖5 可知當(dāng)H=32~35 mm（葉根）時(shí)，葉片輪廓成形過(guò)程較為復(fù)雜，因此以加工不過(guò)切作為準(zhǔn)則，確定葉根處不過(guò)切最大電壓為20 V。 理論葉片輪廓位于H=5~35 mm 處， 則H=0~5 mm 時(shí)以不發(fā)生過(guò)切為準(zhǔn)則， 采用H=5 mm 時(shí)的計(jì)算電壓即U=37.7 V 作為加工電壓，最終制定變電壓加工方案如圖10 所示。

圖10 基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方案

3.3 恒定電壓與變電壓加工仿真對(duì)比

為驗(yàn)證變電壓加工方案的可行性， 利用建立的電解加工成形仿真幾何模型進(jìn)行變電壓加工仿真，在Comsol 軟件中擬合圖10 所示的變電壓函數(shù)，其余仿真參數(shù)與20 V 恒定電壓加工成形仿真相同。將恒定電壓與變電壓仿真所得到的不同進(jìn)給深度H下的側(cè)面間隙數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G 軟件， 分別進(jìn)行三維加工過(guò)程仿真，得到的結(jié)果分別見(jiàn)圖11 和圖12。

圖11 20 V 電壓三維仿真結(jié)果

圖12 變電壓三維仿真結(jié)果

在圖11、圖12 中，水平截面A、B、C 分別對(duì)應(yīng)H=32、20、5 mm 處的截面， 縱向截面與第2 節(jié)中縱向截面相同， 可以看出基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方法相比于20 V 恒定電壓加工方法，縱向方向葉片總體余量分布情況得到明顯改善。 僅分析縱向仿真結(jié)果不足以確定不同截面之間葉片全輪廓余量分布情況， 因此制作圖13 所示的余量分布檢測(cè)模型，其中采樣線1 對(duì)應(yīng)H=5 mm 處截面，采樣線11對(duì)應(yīng)H=35 mm 處截面，對(duì)應(yīng)的葉片仿真全輪廓余量分布數(shù)據(jù)見(jiàn)圖14。

圖13 扭轉(zhuǎn)葉片全輪廓余量分布檢測(cè)模型

圖14 20 V 電壓、變電壓加工仿真葉片全輪廓余量分布

從圖14 可看出， 變電壓仿真相比于20 V 恒電壓仿真，余量最大值由2.87 mm 減小至2.22 mm，最大余量差值從1.73 mm 減小至1.21 mm， 這表明基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方案可有效均化葉片余量。

4 電解加工試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)條件

在精密電解加工設(shè)備中采用前文中仿真所用的加工參數(shù)開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)， 扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤毛坯材料為304 不銹鋼，工具陰極材料為304 不銹鋼。試驗(yàn)過(guò)程中工件進(jìn)給速度vd以及工件旋轉(zhuǎn)速度ωa恒定，只分析加工電壓對(duì)加工后余量分布的影響，當(dāng)進(jìn)給深度達(dá)到H=5 mm 時(shí)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，其中工件旋轉(zhuǎn)速度ωa根據(jù)下式計(jì)算：

式中：S 為葉片總長(zhǎng)度；ωs為葉片總扭轉(zhuǎn)角， 帶入可得ωa=0.013 4 rad/min。 主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)主要參數(shù)

4.2 恒定電壓和變電壓加工對(duì)比

分別采用20 V 恒定電壓以及變電壓加工方案開(kāi)展旋轉(zhuǎn)套料電解加工工藝試驗(yàn)，得到圖15 所示的加工結(jié)果， 可見(jiàn)采用變電壓加工可明顯提高葉尖處的材料去除率，更有利于提高余量分布均勻性。

圖15 不同電壓條件加工扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤實(shí)物圖

采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別對(duì)20 V 恒定電壓加工以及變電壓加工的扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤進(jìn)行余量測(cè)量，得到圖16 所示的葉片全輪廓余量分布情況。 可見(jiàn)， 采用20 V 電壓加工時(shí)余量最大值為2.77 mm，最小余量為1.14 mm，最大余量差值為1.63 mm；采用變電壓加工時(shí)余量最大值為2.13 mm， 最小余量為1.01 mm，最大余量差值為1.12 mm。 結(jié)果表明，采用基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方法更有利于均化扭轉(zhuǎn)葉片余量， 這為扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤后續(xù)精加工奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖16 20 V 電壓、變電壓加工試驗(yàn)葉片全輪廓余量分布

5 結(jié)論

以扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤為研究對(duì)象， 通過(guò)電場(chǎng)仿真和工藝試驗(yàn)探究了加工電壓對(duì)于旋轉(zhuǎn)套料電解加工后扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤余量分布情況的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1） 加工電壓是影響扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤加工后余量分布情況的重要因素， 合理采用變電壓加工方法能有效改善扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤加工后余量分布情況，進(jìn)而為其后續(xù)精加工提供保障。

（2） 建立了扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤旋轉(zhuǎn)套料電解加工成形仿真模型，得到了加工電壓與側(cè)面間隙之間的關(guān)系，并分別進(jìn)行了20 V 恒定電壓、變電壓加工仿真，結(jié)果表明采用基于側(cè)面間隙預(yù)測(cè)的變電壓加工方法時(shí)，更有利于均化余量。

（3）采用20 V 恒定電壓、變電壓加工方案開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)套料電解加工工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真結(jié)果的余量變化情況趨于一致，驗(yàn)證了電場(chǎng)仿真模型的正確性，最終加工出最大余量差值為1.12 mm 的扭轉(zhuǎn)葉片整體葉盤。