CN101249577B - 叶片加工中主动控制式电解液流动方法及电解液循环系统 - Google Patents

Abstract

一种叶片加工中主动控制式电解液流动方法及电解液循环系统，属于电解加工技术领域。该方法特征在于：(1)整个叶片加工区域被叶片分隔成叶盆加工区和叶背加工区；(2)采用了主动分流方法，即分成叶盆加工电解液流道和叶背加工电解液流道两股相互独立的流道。其电解液循环系统关键在于：工装夹具(9)内部四周从边缘伸向加工区域设有4条流道，每条流道分别与一流量控制管路相连。且该系统还设有电解液换向阀(20)以实现电解液流动方向转换。本发明能够使叶片加工中流场更稳定，叶片加工不同部位的流场状态更均匀，加工精度和表面质量更好。

Description

叶片加工中主动控制式电解液流动方法及电解液循环系统

技术领域

本发明涉及一种叶片加工中主动控制式电解液流动方法及电解液循环系统，属于电解加工技术领域。

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，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，使得叶片的制造更加困难，电解加工技术由此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，且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。

电解加工过程中电解液起到了非常重要的作用，只有电解液的存在，工件和工具之间才能发生电解反应，从而蚀除工件材料。同时高速流动的电解液还起到带走电解产物和电解热的作用。如果电解液流场不稳定、流动不均匀，或者局部存在缺液、空穴、分离等流动问题，将会严重影响电解加工的稳定性，甚至造成短路烧伤等缺陷的发生，也会对加工精度和表面质量产生很大影响，特别是对叶片这样型面扭曲程度大，加工精度要求高的零部件，电解液的流动问题就显得尤为重要了，因此研究合理有效的电解液流动方式是十分必要的。

在以往的叶片电解加工过程中，通常采用叶盆、叶背处电解液不分开流动的方式，即电解液从叶身进气(或排气)边流入，从排气(或进气)边流出，该方式存在一些问题。特别是对采用方料毛坯进行加工时，问题更加突出。这些问题主要包括了以下几点：

(1)当电解液高速(约15-60m/s)进入流道，会被进气(或排气)边切分成两股液流，由于毛坯较厚(约6-9mm)而加工间隙很小(约0.2-0.3mm)，整个流道基本被毛坯所占据，大部分电解液通过撞击毛坯侧面而被分开，有的液流撞击在毛坯上反弹回来，又被后面的液流挤压，重新撞击在毛坯表面，因此流场在该处非常紊乱，造成加工过程不稳定，加工间隙不均匀，影响加工精度，甚至会引起短路等意外情况发生。

(2)加工间隙中流过的电解液通常为高压高速，压力一般为0.5-1.0Mpa，流速为15-60m/s。这些高速高压的电解液随机性地撞击毛坯单侧，将会引起毛坯的振动，导致加工精度降低，加工过程不稳定。

(3)采用传统的汇聚式流动，电解液被毛坯分成两股液流，这种切分是一种被动式的分开，各自流经叶盆和叶背的流量无法控制，流场分布的可控性较差，每次加工过程中流经叶盆、叶背的流量也不会相同，必然造成重复精度的降低。有鉴于上述缺点，传统的流动方法并不能很好符合叶片加工的需要。

在此基础上，有研究者提到了从叶尖进液的流动方式(参见史先传，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)，使得电解液先流过叶尖，再流过叶身、缘板、然后从缘板两侧流出。这种方法虽然改变了电解液的流动方式，但其与传统的方法相比，仍有很大的相似之处，即电解液在进口处依然是汇聚在一起，然后被毛坯分成两股液流，且这种切分依然是一种被动式的分开，流经叶盆和叶背的流量依然无法控制，流场分布的可控性较差。且大量的电解液依然是撞击在毛坯表面，流场依然非常杂乱、并造成毛坯的振动。

从另一个角度考虑，通常电解液在流入加工区初期流场较紊乱，稳定性差，会对加工精度和表面质量产生影响，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。叶片各部分中，对缘板的精度要求比对叶身的要求低，电解液应先流经缘板，再流过叶身，当流经叶身部位时，流场已相对均匀稳定，有助于叶身处加工精度的提高。因此从该角度考虑，采用叶尖进液的方式也并不合适。

电解加工中，目前叶片电解加工过程中，电解液是被动分流，即电解液被毛坯切分成叶盆、叶背两股液流，所以尚没有关于精确设定两股流道中电解液流量和流速的研究。由于电解液的流速对于加工过程起到很大的作用，其变化会导致电解液的温升、气泡率的变化以及电解产物的排出，温升和气泡率的变化又会引起电解液电导率的波动，而电导率又和加工间隙紧密联系，引起加工间隙在加工过程中的不断改变，从而最终影响加工精度这一叶片加工的最重要指标。因此控制流经叶盆、叶背的电解液流速，是提高加工精度，稳定加工过程的有效手段，但以往加工中由于被动的分流方式，使得每次加工时分别流过叶盆、叶背流道的流量均产生波动，也就无法准确地控制电解液流速。同时叶片的叶盆、叶背型面扭曲程度不同，型面造型有所差异，因此其流道的形状和大小也不相同，要使得两股流道中的电解液流速均匀一致，就要分别依据其流道大小和形状对流量进行调节，原有的被动分流方式显然无法对叶盆、叶背的流量进行分别控制。

在已有的研究中，有的研究者提出了进液处采用两股流道的方法(三头柔性进给叶片电解加工夹具申请号：200610040555.4公开号：CN1857858)，采用该方法可以使得电解液在大部分区域里分开流动，改变了以往在进口处电解液被动分开的方式，有助于改善流场，消除流场杂乱现象，提高加工精度。但在出液口处电解液依然是汇聚在一起流出，这样造成出口处的流场杂乱无章，流场变化较大，不利于提高叶片在出液口部位的加工精度和表面质量。同时由于进液和出液处流场不同(进口为两股流道，出口为单股流道)，因此电解液的流动方向被限定，无法依据不同叶片以及叶片不同部位的加工需要作出合理调节，也不能消除电解液的状态由于随着流程变化而使得前后加工精度和效果不一致的问题。因此流动方式的适应性和柔性较弱，故需要研究合理有效的电解液流动方法。

发明内容

本发明的目的在于满足叶片电解加工技术的需要，克服叶片电解加工中电解液流动不均匀，大量液体撞击毛坯造成加工区域流场杂乱，毛坯振动，流经叶盆、叶背的流量无法主动控制，流动方向无法改变，适应性和柔性较弱等问题，以提高叶片的加工精度和表面质量为目标，提供一种可以精确控制叶盆、叶背的流量、流场状态稳定且均匀、适应面更加广泛的的叶片加工中主动控制式电解液流动方法及电解液循环系统。

一种叶片加工中主动控制式电解液流动方法，其特征在于：整个叶片加工区域被叶片分隔成叶盆加工区和叶背加工区；采用了主动分流方法，即分成叶盆加工电解液流道和叶背加工电解液流道两股相互独立的流道，两个流道分别设有相互独立的进液口、出液口。这样，电解液在流动过程中完全在各自的流道里运动，消除了原有的在进液口(或出液口)处电解液的汇聚，这样做有助于减少或消除汇聚的电解液所造成的流场杂乱、不均等现象。

还可以根据需要，采用进液和出液口互换的方法实现变流向流动。由于在进液口和出液口均设置了分流装置，使得进液或出液口可以互换，且均可实现电解液在加工区域分开流动的效果。这样在单次加工过程中，可以实时变换电解液的流向。电解液沿流程流动时，由于电解反应的发生，其状态(如温度、气泡率等参数)发生了变化，对叶片的不同加工部位会产生影响，而采用了换向流动的方式，这样的影响就相互抵消了，有助于提高电解加工的成型精度。且该方式也更适应不同叶片及叶片不同部位的加工需要，当需要采用不同流向时，可以不必重新设计夹具等设备，仅仅通过换向装置调节流向即可实现所需要求，且互换后依然可以保持叶盆、叶背的分流和均流状态，因此提高了该流动方式的适应性和柔性。

另外，还可以根据需要，使叶盆加工电解液流道和叶背加工电解液流道流量分别设定，流量大小分别根据叶盆、叶背的流道截面积大小确定。这样使得分别流经叶盆、叶背流道的电解液流速和流量保持稳定，消除了原有流动中随机性分流导致的流量不均现象。

叶盆、叶背流道中流量和流速的设定依据如下：

(a)、叶盆、叶背流道截面积相似时，两股流道中的电解液流量一致，即：Q_盆＝Q_背；

(b)、由于叶盆、叶背曲面均为空间曲面，且不完全相同，因此加工区域中两股流道的截面积是不断变化的，若叶盆、叶背流道的截面积相差较大，则两者的流量也可分别调节，电解液流量之比可通过计算两股流道在加工区域的体积比得到。由于叶盆、叶背为空间曲面，则两股流道在加工区域的体积分别为：

V_盆＝∫∫∫f(x，y，z)dxdydz，V_背＝∫∫∫g(x，y，z)dxdydz。

其中f(x，y，z)，g(x，y，z)分别为叶盆、叶背的型面方程。

故：Q_盆/Q_背＝V_盆/V_背

一种叶片加工中主动控制式电解液循环系统，其特征在于：

在工装夹具内部四周从边缘伸向加工区域设有4条流道，分别为叶盆加工电解液进入通道、叶盆加工电解液流出通道、叶背加工电解液进入通道、叶背加工电解液流出通道；

离心泵一端连接电解液槽、另一端依次连接止回阀、过滤器、电解液换向阀的A端口，电解液换向阀的B端口分成两条流量控制支路，分别与叶盆加工电解液进入通道、叶背加工电解液进入通道相连；

叶盆加工电解液流出通道、叶背加工电解液流出通道分别与另两条流量控制支路连接，并且这两条流量控制支路合并后再与电解液换向阀的C端口相连，电解液换向阀的D端口与电解液槽相连；

上述四条流量控制支路均安装有调节阀、流量计、压力表；

通过电解液换向阀换向，实现叶盆加工电解液进入通道与叶盆加工电解液流出通道，叶背加工电解液进入通道与叶背加工电解液流出通道的转换。

附图说明

图1是叶片结构示意图。

图2是电解液分流装置示意图。

图3是电解液均流及换流装置示意图。

图1中标号名称：1、叶尖，2、进气边，3、叶根，4、榫头，5、缘板，6、叶身，7、排气边，8、阳极夹具，9、工装夹具，10、电解液流入(流出)通道，11、电解液进(出)液口，12、工具阴极，13、电解液流出(流入)通道，14、叶背，15、叶盆，16、电解液出(进)液口，17、压力表，18、流量计，19、调节阀，20、电解液换向阀，21、电解液流入通道，22、电解液流出通道，23、过滤器，24、止回阀，25、不锈钢离心泵，26、电解液槽。

具体实施方式

如图1、2所示，电解液分流装置包含在工装夹具9之中，工装夹具9的主体部分为环氧树脂等绝缘材料。在工装夹具9内部四周有从边缘伸向加工区域的4条流道，其两两对应，分别为电解液流入(流出)通道10和电解液流出(流入)通道13，电解液流入(流出)通道10和电解液流出(流入)通道13的端部与4个电解液的进液或出液口相连，通过电解液的进液或出液口将电解液引入电解液流入(流出)通道10和电解液流出(流入)通道13中。

如图3所示，为电解液均流和换向装置示意图。包含了17、压力表，18、流量计，19、调节阀，20、电解液换向阀，21、电解液流入通道，22、电解液流出通道，23、过滤器，24、止回阀，25、不锈钢离心泵，26、电解液槽。其中均流装置的核心为压力表17，流量计18，调节阀19；换向装置的核心为电解液换向阀20。

下面结合图1、2、3，说明本发明方法的具体实施过程：

1、参考图1、2，图1所示的叶片安装在阳极夹具8中，随阳极夹具8伸入工装夹具9中，两个工具阴极12相向伸入工装夹具9中，分别加工叶背14和叶盆15。工装夹具9两侧分别有4个进(出)液口，其两两对应，当电解液进(出)液口11作为进液口时，电解液出(进)液口16则为出液口；反之，当电解液进(出)液口11作为出液口时，电解液出(进)液口16则为进液口。与此相对应的是，工装夹具内部的4条电解液流道分别与相应的通道口匹配，当电解液进(出)液口11作为进液口时，电解液流入(流出)通道10即作为进液通道，电解液流出(流入)通道13即作为出液通道；当电解液出(进)液口16作为进液口时，电解液流出(流入)通道13即作为进液通道，而电解液流入(流出)通道10则作为出液通道。由于在进液口和出液口均为双流道流动，这样叶盆、叶背的流道从进口开始，直到电解液出口，均被分隔开来，消除了彼此电解液的交错和干扰，起到了防止电解液扰动，稳定流场的作用。同时流道有助于电解液的平滑流动，不会造成电解液对毛坯的冲击而产生的振动以及流场杂乱等现象，这也有助于提高叶片加工的精度和表面质量。

参考图2、3，可依据叶盆、叶背的流道截面积大小分别设定两条流道的流量，使得分别流经叶盆、叶背流道的电解液流速和流量保持稳定，消除了原有流动中随机性分流导致的流量不均现象。

叶盆、叶背流道中流量和流速的设定的依据如下：

(a)、叶盆、叶背流道截面积相似时，两股流道中的电解液流量一致，即：Q_盆＝Q_背；

(b)、由于叶盆、叶背曲面均为空间曲面，且不完全相同，因此加工区域中两股流道的截面积是不断变化的，若叶盆、叶背流道的截面积相差较大，则两者的流量也可分别调节，电解液流量之比可通过计算两股流道在加工区域的体积比得到。由于叶盆、叶背为空间曲面，则两股流道在加工区域的体积分别为：

V_盆＝∫∫∫f(x，y，z)dxdydz，V_背＝∫∫∫g(x，y，z)dxdydz。

其中f(x，y，z)，g(x，y，z)分别为叶盆、叶背的型面方程。

故：Q_盆/Q_背＝V_盆/V_背

计算得出流入叶盆、叶背流道中的电解液的流量和流速，通过调节阀19可以分别调节叶盆、叶背流道中的电解液流量，使之与计算得到的数据相匹配，相应的数值可以从流量计18和压力表17中得到。这样流入叶盆、叶背流道的电解液可以做到较为精确的控制，避免了以往完全被动的，电解液通过撞击毛坯侧面而被切分成两股液流，从而导致流量分布不均的方式，使得叶盆和叶背的流量可以依据其需要均匀控制，有助于提高加工精度和表面质量。

3、参考图2、3，通常情况下电解液的流向是从电解液进(出)液口11电解液流入(流出)通道10，经过加工区域，从电解液流出(流入)通道13流出电解液出(进)液口16，即电解液流向是从叶片的缘板流向叶尖。但某些情况下需要改变电解液的流向，以均化电解液流动状态，或者为了满足叶片不同部分的加工要求，使得从叶尖流向缘板的方式更加合理时，由于在进液和出液口处均设置了双流道形式，则两个流道就可以通过简单的换向装置调换电解液的进口和出口，实现电解液的变流向流动，且这样的反向流动依然保证了电解液的分流状态和均流状态。该换向装置即为电解液换向阀20，通过阀门的通和闭，可以使得电解液的流向发生改变，更好的适应实际加工中的不同需求，从而提高了该流动方式的适应性和柔性。

Claims (4)

1. 一种叶片加工中主动控制式电解液流动方法，其特征在于：

(1)、整个叶片加工区域被叶片分隔成叶盆加工区和叶背加工区；

(2)、采用了主动分流方法，即分成叶盆加工电解液流道和叶背加工电解液流道两股相互独立的流道，两个流道分别设有相互独立的进液口、出液口。

2. 根据权利要求1所述的叶片加工中主动控制式电解液流动方法，其特征在于：采用进液和出液口互换的方法实现变流向流动，并根据加工需要实现交替互换。

3. 根据权利要求1或2所述的叶片加工中主动控制式电解液流动方法，其特征在于：叶盆加工电解液流道和叶背加工电解液流道流量分别设定，流量大小分别根据叶盆、叶背的流道截面积大小确定。

4. 一种叶片加工中主动控制式电解液循环系统，其特征在于：

在工装夹具(9)内部四周从边缘伸向加工区域设有4条流道，分别为叶盆加工电解液进入通道、叶盆加工电解液流出通道、叶背加工电解液进入通道、叶背加工电解液流出通道；

离心泵(25)一端连接电解液槽(26)、另一端依次连接止回阀(24)、过滤器(23)、电解液换向阀(20)的A端口，电解液换向阀(20)的B端口分成两条流量控制支路，分别与叶盆加工电解液进入通道、叶背加工电解液进入通道相连；

叶盆加工电解液流出通道、叶背加工电解液流出通道分别与另两条流量控制支路连接，并且这两条流量控制支路合并后再与电解液换向阀(20)的C端口相连，电解液换向阀(20)的D端口与电解液槽(26)相连；

上述四条流量控制支路均安装有调节阀(19)、流量计(18)、压力表(17)；

通过电解液换向阀(20)换向，实现叶盆加工电解液进入通道与叶盆加工电解液流出通道，叶背加工电解液进入通道与叶背加工电解液流出通道的转换。

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