CN100377820C - 三轴柔性进给叶片电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴柔性进给叶片电解加工方法，属于电解加工领域。它采用相向同轴线放置的自动进给的叶盆阴极和叶背阴极，和一个与阴极垂直的可自动进给阳极。叶片毛坯通过夹具与阳极相连。加工时，叶盆阴极、叶背阴极和阳极同时进给，进给速度可调，以保证叶盆和叶背阴极按各自最佳进给角度或最佳进给曲线进行加工。对于型面扭曲程度较大的叶片，还可采取分段进给的方法。采用本发明的方法可以实现叶身、缘板、进(排)气边一次成型的全方位电解加工，提高叶片的加工精度和表面质量。同时，本发明还提供了一种新的电解液供液方式，即：使电解液沿叶片缘板，流经叶身叶尖，最后流回电解液槽。这样可以起到稳定流场的作用，进一步提高加工质量。

Description

三轴柔性进给叶片电解加工方法

技术领域

本发明的三轴柔性进给叶片电解加工方法，属电解加工技术领域。

背景技术

电解加工是一种特种加工技术，它是利用电化学阳极溶解原理去除材料的加工方法。其具有加工速度快，表面质量好，工具无损耗，不受材料强度、韧性、硬度等限制以及无宏观切削力等突出优点，在航空航天、兵器、汽车、模具等行业中得到了广泛的应用。尤其在航空发动机叶片的制造过程中，由于叶片材料不断向高强度、高硬度、高韧性方向发展以及钛合金和高温耐热合金等新材料的应用，电解加工技术更加显示出其优越性。然而，电解加工技术也存在着一些缺点，由于电解加工的阳极溶解过程处于电场、流场、电化学等多种作用之中，多项参数相互耦合，加工状态十分复杂，故存在杂散腐蚀等现象，电解加工的加工精度有待提高。

叶片是航空发动机的关键零件之一，其形状越来越复杂，出现了超薄、扭曲、低展弦比叶片，且加工精度和表面质量要求都较高，所以对电解加工设备，包括机床、夹具等也提出了更高的要求。国内外一直致力于提高叶片电解加工精度和表面质量方面的研究。

在叶片电解加工生产实践中，目前常采用的主要是双面相向进给方法和侧向供液方式，该方法是将叶片毛坯固定在夹具上，夹具静止不动，两个工具阴极分别从叶片两侧同时进给，在阴极进给过程中完成叶盆、叶背和缘板的加工。在这种加工方式中，阴极进给方向平行于缘板，没有对缘板的进给分量。缘板和阴极之间为侧面间隙，由电解加工可知，使用侧面不绝缘阴极时存在侧面二次扩张(使用侧面不绝缘阴极，随着阴极进给，先加工好的型面会被再次腐蚀，造成过切等现象，称为二次扩张)，使得先加工完毕的缘板面易被杂散腐蚀，形成曲面，缘板成型精度低。

在以往的叶片电解加工中，通常采用的电解液流动形式是侧流式，即电解液从叶身进气(或排气)边流入，从排气(或进气)边流出，整个加工区近似于平行流动，基本在一条比较圆滑、平缓变化的通道中流过，流场均匀性较好。但其主要利于加工叶身型面，对于叶身、缘板和进排气边的全方位加工并不适合，同时其夹具设计比较复杂，需要注意阴极两侧面的密封，以防出现贫液区。另外这种流动形式对加工形状的适应性差，加工稳定性和流场分布的可控性较差，因此侧流式并不适用于全方位叶片加工，有必要研究新的电解液流动方式以适应新的需要。

为了避免缘板的精度不符合要求，南京航空航天大学特种加工教研室采用了三面进给方式，并通过选择最佳进给角度，使阴极的进给方向与缘板之间呈某一固定的夹角，使阴极相对于缘板端面有一定的进给分量，以维持缘板端面的恒间隙加工，消除了二次扩张，从而有助于提高缘板加工精度(见文章“李志永，朱荻，王蕾.电解加工发动机叶片阴极进给方向的优化.航空学报，2003(6)：563-567”及“史先传，朱荻，李志永.三轴进给的叶片电解加工研究.华南理工大学学报(自然科学版)，2004(7)：70-73”)。其斜向进给的角度是固定的30度，但由于叶片的叶盆和叶背在空间型面上有很大不同，因此其进给角度也必然有所差异，采用叶盆、叶背相同进给角度，即使经过优化也并非真正意义上的最佳解；同时在加工过程中采用一个固定的角度，违背了加工的真实过程。在叶片电解加工中，被加工的叶身从开始加工到最终完成，其曲面是逐渐成型的，因此在不同时刻，其加工曲面也不同，而根据现有技术按最终成型曲面优化得出的进给角度并不适合整个加工过程中的各个状态，需要按加工的不同状态采用不同的进给角度，现有设备和技术显然无法充分发挥电解加工的潜力，因此有必要研制新的加工设备和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服叶片电解加工技术中存在的进给方向固定、无法完成叶身、缘板及进(排)气边的全方位电解加工，加工精度不高，效率较低等不足，提供一种三轴柔性进给叶片电解加工方法。

一种三轴柔性进给叶片电解加工方法，包括以下步骤：

(1)、采用相向放置的自动进给的叶盆阴极、叶背阴极，和一个与它们垂直并在同一个平面内的可自动进给阳极；

(2)、阳极通过阳极夹具与叶片毛坯相连，并使叶片毛坯处于两阴极头之间，使叶片的叶盆、叶背实现同时加工；

(3)、电解加工过程中，阴极和叶片毛坯作相对运动，以实现三轴柔性进给叶片电解加工，即：

①.当所加工叶片型面扭曲程度不大时，采用叶盆、叶背阴极以不同进给角度直线匀速进给加工方式：即使叶盆阴极与叶背阴极相向匀速进给，速度分别为V₁、V₂，使叶片毛坯垂直于阴极进给方向匀速进给，速度为V₀，则叶盆阴极对叶片毛坯的相对速度为 $V_1^{\′}=\sqrt{V_0^2+V_1^2},$ 方向为α＝arctan(-V₀/V₁)，叶背阴极对叶片毛坯的相对速度为 $V_2^{\′}=\sqrt{V_0^2+V_2^2},$ 方向为β＝arctan(-V₀/V₂)，同时，根据下列(a)、(b)、(c)判断准则，先确定最佳的α、β大小，再确定最佳的V₁、V₂、V₀大小，以得到优良的加工精度：

(a)、分别对叶片的叶盆曲面和叶背曲面采样，采样点数分别为N、M，叶盆曲面N个采样点的法线与叶盆阴极对叶片毛坯的相对进给方向的夹角为θ_α1……θ_αN，叶背曲面M个采样点的法线与叶背阴极对叶片毛坯的相对进给方向的夹角为θ_β1……θ_βM，其中所有夹角均须小于45度，N、M为自然数，范围为100～10000；

(b)、使θ_α1……θ_αN，θ_β1……θ_βM分布均匀，即方差 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[{({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;i}}-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&alpha;}})}^2\right]}{N}$ $<C,{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&beta;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[{({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;i}}-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&beta;}})}^2\right]}{M}<C,$ 其中

为θ_α1……θ_αN的平均值，

为θ_β1……θ_βM的平均值，C为有理数，范围为1～6；

(c)、因为夹角θ_α1……θ_αN，夹角θ_β1……θ_βM近似服从正态分布，所以在满足上述(a)、  (b)条件的所有α、β中，夹角总体分布值越小，即

值越小，加工精度越好，所以取进给方向夹角α、β，令E(θ_α)＝min(E(θ_盆))，E(θ_β)＝min(E(θ_背))，其中θ_盆、θ_背分别是任取α、β计算出的叶盆，叶背θ角总体分布；

②.当所加工叶片型面扭曲程度较大时，采用叶盆、叶背阴极以不同进给路径曲线变速进给加工方法：即首先将叶片曲面分成n份，再分别按第①步方法分段加工，由n段直线加工路径拟合出加工曲线，其中n根据叶片大小及扭曲程度选择，范围为10～100；

(4)、电解加工过程中，使电解液沿着叶片缘板，流经叶身叶尖，最后流回电解液槽。

本发明的有益效果在于：

1、采用了三轴柔性进给叶片电解加工方法，对于扭曲程度不大的叶片，采用叶盆，叶背阴极按各自角度直线匀速进给加工方法。加工叶盆、叶背所用阴极可按各自叶盆、叶背的形状分别优化得出最佳的进给角度，并以这两个角度分别进给，这样符合叶型的成型过程，减少侧面间隙出现(侧面间隙会造成加工精度下降)，可有效提高叶身、缘板的加工精度。

2、对于型面扭曲较大的叶片，上述进给方法无法满足型面变化的需要，应采用曲线变速进给的加工方法。通过计算各状态的最佳进给角度，在加工过程中不断调整阴、阳极的速度，使两阴极按各自的最佳曲线进给，更加适应叶型扭曲的变化情况，更加符合加工的实际过程，大幅提高实际加工过程中叶盆叶背型面、进排气边以及缘板的加工精度，可实现叶片的全方位电解加工，提高加工效率，降低加工成本。

3、电解液的供液方式是沿叶片缘板流经叶身叶尖，最后从电解加工夹具的出液口流回电解液槽。通常电解液在流入加工区初期流场较紊乱，稳定性差，对加工精度有影响，因此将叶片精度要求相对较低的部分放在靠近进液口处先接触电解液较为合适。这样叶身部分的流场比较稳定，有助于加工精度的提高。依靠阴极和阳极相对运动，对流过的电解液产生挤压，使电解液流向叶身和缘板的拐角，避免出现贫液区和空穴现象，使拐角过渡更符合要求。

附图说明

图1是三轴柔性进给叶片电解加工机床整体结构示意图。

图2是三轴柔性进给叶片电解电解加工夹具工作原理图。

图3是阳极夹具及叶片毛坯结构示意图。

图4为叶盆、叶背直线匀速进给方法示意图。

图5为叶盆、叶背曲线变速进给方法示意图。其中图5(a)为叶盆型面划分图；图5(b)为叶盆阴极进给曲线示意图。

图1中标号名称：1、机床平台，2、阳极主轴，3、阳极夹具，4、电解加工夹具，5、阴极主轴，6、叶盆阴极，7、球阀，8、电解液槽及电解液，9、加热器，10、热电偶，11、温控仪，12、过滤器，13、止回阀，14、多级离心水泵，16、截止阀，18、精过滤器，30、叶背阴极。

图2中标号名称：19、电解液进口管，20、叶片毛坯，21、电解液出口法兰，22、摄像头，23、聚氨酯密封环，24、电解液流入通道，28、电解液流出通道，29、电解区。

图3中标号名称：25、叶片缘板，26、叶片叶背，27、叶片叶盆。

具体实施方式

如图1所示，三轴进给叶片电解加工机床包括了机床平台1、阳极主轴2、阳极夹具3、电解加工夹具4、阴极主轴5、叶盆阴极6、叶背阴极30，它们组成了机床本体。由两个球阀7装满电解液的液槽8、两级过滤器12、18、两个止回阀13不锈钢多级离心泵14、截止阀16以及管道组成了机床的电解液循环系统，供给加工用的电解液及排出电解产物。加热器9由热电偶10和温控仪11控制，对液槽8中的电解液进行加热。

如图2、3所示，三轴柔性进给叶片电解加工夹具4的主体为绝缘材料，如环氧树脂、玻璃钢等。夹具主体上带有三个在一个平面内的主轴通道，其中两个相向同轴放置的阴极通道分别安装叶盆阴极6、叶背阴极30，一个与阴极通道垂直放置的阳极通道安装阳极夹具3。由于采用三主轴通道结构，方便阴阳极运动；中部存在空腔式电解区，加工过程在此进行，隔离外部干扰，有利于加工的稳定进行。夹具的主轴进给通道端部安装4个聚氨酯密封环23。供液方式采用电解液三流道结构，即：两个电解液流入通道24位于阳极夹具两侧，其大小由电解液进液管19向内逐渐收敛；一个电解液流出通道28位于夹具的中部，其两端与电解区29和电解液出口法兰21相通，其端部也呈收敛状。电解液流道的收敛结构，有助于电解液压力的稳定和提高。在电解液流入通道24的一端装有不锈钢电解液进液管19，在电解液流出通道28端部装有不锈钢电解液出口法兰21。电解区29上方装有微型摄像头22。

下面结合图1、2、3、4、5，说明本发明方法的具体实施过程：

1、参考图1，由绝缘材料(如环氧树脂、玻璃钢等)制成的电解加工夹具4安放在叶片电解加工机床的工作箱中。

2、参考图2、3，夹具4有三个主轴通道，分别供阳极主轴2和两个阴极主轴5进给所用；三主轴通道端部安装聚氨酯密封环23，密封整个加工区域，防止电解液泄漏；叶片毛坯20安装在阳极夹具3上，阴极主轴5带动阴极6、30，阳极主轴2带动阳极夹具3，使得阴极和叶片毛坯在电解加工夹具4中产生相对运动，进行叶片加工。

3、参考图1，电解液循环过滤装置，并由温控加热装置保持温度恒定；加工时，阴阳极通直流或脉冲电源，叶盆阴极6、叶背阴极30和叶片毛坯20之间保持一定的间隙，并在电解加工夹具4中作相对运动，电解液从加工间隙中流过，使阴阳极间发生电解反应，蚀除阳极金属，并带走电解产物，当蚀除量达到要求后，断电断液，取出叶片清洗，即可得到符合要求的叶片型面。

4、参考图1、2、3，电解加工时，多级离心水泵14将电解液输送至电解加工夹具4，首先流经电解液进口管19，沿着夹具4两侧的电解液流入通道24流向电解区29，当流过缘板25与阴极6、30的间隙，以及叶盆27、叶背26与阴极6、30的间隙后，从电解液流出通道28流出，经出口法兰21流回电解液槽8；电解液流入通道24和流出通道28的大小均沿着流程方向逐渐收敛，使流场保持稳定均匀。

5、参考图2、3、4，阴极6、30和阳极夹具3在电解加工夹具4中作相对运动以实现直线进给和曲线进给。

(1)、当所加工叶片型面扭曲程度不大时，可采用叶盆、叶背阴极以不同进给角度直线匀速进给的加工方法。由图4可知，当阴阳极在夹具4中运动时，阳极夹具3带动叶片毛坯20垂直于阴极进给方向匀速进给，运动速度为V₀，叶盆阴极6与叶背阴极30相向匀速进给，速度分别为V₁、V₂，则叶盆阴极6对叶片毛坯20的相对速度为 $V_1^{\&prime;}=\sqrt{V_0^2+V_1^2},$ 方向为α＝arctan(-V₀/V₁)，叶背阴极30对叶片毛坯20的相对速度为 $V_2^{\&prime;}=\sqrt{V_0^2+V_2^2},$ 方向为β＝arctan(-V₀/V₂)；根据下列(a)、(b)、(c)三步，先确定α、β大小，再确定V₁、V₂、V₀大小，以得到优良的加工精度：

(a)、对叶片叶盆27、叶背26曲面采样，采样点数可为数百至数千(这里取40×40＝1600个点)，叶盆27型面1600个采用点的法线与叶盆阴极30进给方向的夹角为θ_α1……θ_α1600，叶背26型面1600个采用点的法线与叶背阴极6进给方向的夹角为θ_β1……θ_β1600，所有夹角θ均需要小于45度；

(b)、叶盆27、叶背26所得θ角分布均匀，即按给定的α、β角求出的所有θ角的方差较小，即：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{1600}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[{({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;i}}-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&alpha;}})}^2\right]}{1600}<C---\left(1\right)$ ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&beta;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{1600}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[{({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;i}}-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&beta;}})}^2\right]}{1600}<C---\left(2\right)$

上式中C为一较小的常数，在这里取4。

(c)、  因为夹角θ近似服从正态分布，在满足上述a、b条件的所有α、β中，令夹角θ总体分布值越小，即θ角正态分布的均值越小，加工精度越好。所以取进给方向夹角α、β，令E(θ_α)＝min(E(θ_盆))，E(θ_β)＝min(E(θ_背))。其中θ_盆、θ_背分别是任取α、β计算出的叶盆，叶背θ角总体分布。

根据上述a、b、c三条最佳方案确定准则，可以得出叶盆、叶背阴极以不同进给角度直线进给所需的角度，进而可以确定叶盆阴极6、叶背阴极30和阳极夹具3的进给速度。

例如对于某型发动机叶片，采用该最佳方案准则可得出如下最佳解：

叶盆阴极6最佳进给角度为20度；

叶背阴极30最佳进给角度为25度；

阳极夹具3进给速度为0.2mm/min；

则叶盆阴极6的进给速度为0.55mm/min；

叶背阴极30的进给速度为0.43mm/min。

(2)、对于型面扭曲较大的叶片，适合采用曲线变速进给的加工方法。由于加工过程中，无论是叶盆或叶背，其加工面积均是由零逐渐增大到整个叶型，因此在某一时刻的加工曲面并不等同于整个叶盆或叶背曲面，只有在加工完前的较短时间范围内和整个叶型(叶盆或叶背)曲面近似相等。而前述叶盆、叶背阴极直线进给方法优化得出的进给角度是按整个叶盆或叶背曲面计算得出的，对于扭曲较大的叶片并不适合，因此有必要采用曲线变速进给的加工方法。

曲线变速进给加工方法的步骤如下(以叶盆27为例，叶背26的方法与此完全相同)。

a、首先沿进给方向，按叶盆、叶背的曲面形状将其分成若干份，图5(a)以叶盆27为例，将其等分为10份，分割的方法可以是多种多样的，既可以按照曲面形状分，也可以按照进给速度分；既可以等分，也可以分为若干大小不等的几份；且份数可任意，但不宜太多；

b、按图5(a)的分法，即将加工过程分为了10个状态。由实际加工可知，加工时最初的加工状态所加工的曲面为I，随着加工的进行，第二个状态时加工曲面为I+II，第三个加工状态为I+II+III，直到最终状态为I+II+......+X，即为整个叶盆27；

c、对于每一个加工状态时的加工曲面，应用前述叶盆、叶背阴极以不同进给角度直线进给方法中的最佳角度优化准则，可以得到每个加工状态时的最佳进给角度α_i，i＝1，2，......，10。这表明依靠阴阳极的速度比，叶盆阴极6在加工过程当中每经过一个加工状态改变相应的最佳进给角度，而在单个加工状态中，保持该进给角度不变。按照进给角度的变化画出进给方向的变化图，就得到了曲线进给加工方式中的进给曲线。

下表为计算得出的叶盆27各个加工状态的最佳进给角度和进给速度，按进给角度得出的进给曲线图参见图5(b)。

加工状态	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
											阳极速度	0.2mm/min
最佳角度	35	33	33	30	25	25	21	20	37	14
											阴极速度(mm/min)	0.29	0.31	0.31	0.35	0.43	0.43	0.52	0.55	0.27	0.80

Claims (2)

1.一种三轴柔性进给叶片电解加工方法，包括以下步骤：

(1)、采用相向放置的自动进给的叶盆阴极、叶背阴极，和一个与它们垂直并在同一个平面内的可自动进给阳极；(2)、阳极通过阳极夹具与叶片毛坯相连，并使叶片毛坯处于两阴极头之间，使叶片的叶盆、叶背实现同时加工；(3)、电解加工过程中，阴极和叶片毛坯作相对运动，以实现三轴柔性进给叶片电解加工；其特征在于：

第(3)步所述步骤具体如下：

①.当所加工叶片型面扭曲程度不大时，采用叶盆、叶背阴极以不同进给角度直线匀速进给加工方式：即使叶盆阴极与叶背阴极相向匀速进给，速度分别为V₁、V₂，使叶片毛坯垂直于阴极进给方向匀速进给，速度为V₀，则叶盆阴极对叶片毛坯的相对速度为 $V_1^{\&prime;}=\sqrt{V_0^2+V_1^2}$ ，方向为α＝arctan(-V₀/V₁)，叶背阴极对叶片毛坯的相对速度为 $V_2^{\&prime;}=\sqrt{V_0^2+V_2^2}$ ，方向为β＝arctan(-V₀/V₂)，同时，根据下列(a)、(b)、(c)判断准则，先确定最佳的α、β大小，再确定最佳的V₁、V₂、V₀大小，以得到优良的加工精度：

(a)、分别对叶片的叶盆曲面和叶背曲面采样，采样点数分别为N、M，叶盆曲面N个采样点的法线与叶盆阴极对叶片毛坯的相对进给方向的夹角为θ_α1……θ_αN，叶背曲面M个采样点的法线与叶背阴极对叶片毛坯的相对进给方向的夹角为θ_β1……θ_βM，其中所有夹角均须小于45度，N、M为自然数，范围为100～10000；

(b)、使θ_α1……θ_αN，θ_β1……θ_βM分布均匀，即方差 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[{({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;i}}-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&alpha;}})}^2\right]}{N}<C,$ ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&beta;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[{({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;i}}-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&beta;}})}^2\right]}{M}<C,$ 其中

为θ_α1……θ_αN的平均值，为θ_β1……θ_βM的平均值，C为有理数，范围为1～6；

(c)、因为夹角θ_α1……θ_αN，夹角θ_β1c……θ_βM近似服从正态分布，所以在满足上述(a)、(b)条件的所有α、β中，夹角总体分布值越小，即

值越小，加工精度越好，所以取进给方向夹角α、β，令E(θ_α)＝min(E(θ_盆))，E(θ_β)＝min(E(θ_背))，其中θ_盆、θ_背分别是任取α、β计算出的叶盆、叶背θ角总体分布；

②.当所加工叶片型面扭曲程度较大时，采用叶盆、叶背阴极以不同进给路径曲线变速进给加工方法：即首先将叶片曲面分成n份，再分别按第①步方法分段加工，由n段直线加工路径拟合出加工曲线，其中n根据叶片大小及扭曲程度选择，范围为10～100；

(4)、还包括以下过程：电解加工过程中，使电解液沿着叶片缘板，流经叶身叶尖，最后流回电解液槽。

2.根据权利要求1所述的三轴柔性进给叶片电解加工方法，其特征在于：所述的将叶片曲面分成n份，是根据沿进给方向上曲面形状分布情况或按叶片大小和进给速度的匹配关系所分。

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