分步分区法整体叶轮电解加工工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种航空航天发动机整体叶轮叶片电解加工的工艺及其装置,属于叶轮电解加工技术领域。
背景技术
随着国防工业的发展,航空发动机性能不断提升,到2015~2020年,未来航空发动机推重比将会从目前的8~10提高到15~20,在风扇、压气机和涡轮上采用整体结构是发动机发展的一个趋势。叶轮是航空发动机压气机部件的主要零件之一,其叶片通常是在气动及传热分析、静强度分析、振动分析、寿命分析基础上进行多学科的优化设计出的,形状越来越复杂,通常为自由曲面,因此加工也变得十分困难。
整体叶轮的加工方法主要有精密铸造、数控切削加工、电解加工等方法。整体叶轮的电解加工方法在国内已研究了十多年,取得一定的加工经验。最初采用单步加工法,这种加工方法以叶盆为基准计算加工轨迹,采用一个阴极同时加工出叶盆与叶背,加工后的叶背加工误差大,叶根过切严重。为了提高叶片的加工精度,研究人员提出了阴极摆动法和叶背修正加工法。阴极摆动法是使阴极在展成加工过程中增加阴极摆动提高叶背的精度,此方法能够去除更多的叶背加工余量,消除了加工方法形成的误差,在一定程度上提高了叶背的加工精度,但阴极在工件表面的停留时间长,加工过程控制难,杂散腐蚀程度严重,加工表面质量不好。叶背修正加工法把叶片的加工分为两道工序,首先以叶盆为基准进行加工,然后再用一个修正阴极经多次往复才能去除叶背的残留余量,该方法加工的叶盆、叶背精度虽然提高了,但叶背的加工次数多,时间长,叶根部过切问题也没有得到解决。用上述电解加工方法加工整体叶轮叶片存在的问题归结为:由于运动轨迹与加工电场影响,叶背加工存在过切,加工误差大;加工中造成叶根过切或欠切,加工精度低;叶片边缘杂散腐蚀严重,加工表面质量差;叶片加工的工装设计复杂。
发明内容
本发明针对整体叶轮叶片加工难题,提出了一种高效且具有较高加工精度的叶片电解加工工艺以及与之相配套的加工装置,用于解决目前整体叶轮叶片电解加工中存在的叶背、叶根加工精度低、存在过切或欠切问题,为航空发动机整体叶轮叶片加工提供实用、高效、高精度的分步分区法整体叶轮电解加工工艺及装置。
本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
本发明分步分区法整体叶轮电解加工工艺,整体叶轮的电解加工分为叶盆、叶背、叶根三道加工工序,采用先加工叶背、后加工叶盆、再加工叶根的顺序进行加工;
对叶背、叶盆、叶根的加工区域进行划分,使叶盆、叶背加工区域的截面为梯形状,叶背宽度大于叶盆宽度,叶根加工区域从左到右的分布是两侧小中间大,从上到下分布为两头大中间小;
叶背、叶盆、叶根分别采用扫掠成形法加工,叶背加工利用叶背阴极沿着叶背型面的外偏置面扫掠成形,叶盆加工利用叶盆阴极沿着叶盆型面的外偏置面扫掠成形,叶根加工利用叶根阴极沿着叶根圆柱面的外偏置面扫掠成形,叶背、叶盆、叶根加工偏置距离为电解加工间隙。
分步分区法整体叶轮电解加工工艺的电解加工装置,加工装置包括X轴滑台、Y轴滑台、Cw轴回转台、分度盘、加工电源、阳极导电板、中心轴、阴极、阴极导电板、压力表、球阀、水泵、过滤器和电解槽,其中X轴滑台上部与Y轴滑台底部滑动连接,Y轴滑台上部与Cw轴回转台滑动连接,X轴滑台沿纵向直线运动,Y轴滑台沿横向直线运动,Cw轴回转台作旋转运动,分度盘安装在机床Cw轴回转台上,整体叶轮毛坯安装在分度盘上并通过中心轴定位;加工电源正极通过阳极导电板连接到整体叶轮毛坯上,加工电源负极通过阴极导电板连接到阴极上,阴极在Z轴主轴部件的带动下作直线移动,由阴极与工件运动合成叶片的加工轨迹;电解液从电解槽中经过滤器过滤后由水泵抽出,通过球阀送到阴极。
本发明采用分步法加工叶片,对叶盆、叶背、叶根分别按各自的型面为加工基准,从加工方法上保证了叶片的加工精度。该方法克服了以往加工方法中存在的叶盆、叶背、叶根加工精度不能同时兼顾的缺点,提高了叶片加工精度,特别是叶背、叶根的加工精度;
借助于专用软件工具可高效地完成电解加工数据提取、运动轨迹计算、数控加工编程、运动干涉检查、阴极初步设计等工作,使叶片电解加工准备的时间大缩短。对叶盆、叶背、叶根的加工区域进行划分,找出合理的加工区域,保证三道工序加工连续性;在区域划分同时完成了阴极的刀刃形状设计;利用该软件完成叶盆、叶背、叶根加工轨迹设计与加工运动计算,通过模拟检验加工的干涉情况;最后通过后置处理程序完成叶盆、叶背、叶根的数控加工编程,加工程序由软件自动生成,工作效率高,可以大大节省电解加工准备时间,使整个电解加工的周期大大缩短。
叶背、叶盆、叶根阴极流场设计合理,由于叶背、叶盆采用了补液方法,加工区域供液充分,不会发生短路,叶根阴极采用正向冲液方式,加工过程稳定;从实际加工结果来看,叶背、叶盆加工形状与理论叶形一致,叶背加工过切小,叶顶圆二次腐蚀极小,叶片电解加工误差可控制在0.1mm以内,加工表面质量好;
采用四坐标联动、直流或脉冲电源、分度装置、一组阴极完成叶片加工,加工可靠性好、加工精度较高,加工工艺装置简单、使用方便。
附图说明
图1是整体叶轮叶片电解加工示意图,图(a)为叶背加工,图(b)为叶盆加工,图(c)为叶根加工。
图2是整体叶轮叶片电解加工装置的结构示意图。
图3是叶背、叶盆加工阴极的结构示意图。
图4是叶根加工阴极的结构示意图。
图1中标号名称:1、叶盆,2、叶根,3、叶背,4、叶背加工阴极,5、叶盆加工阴极,6、叶根加工阴极;
图2中标号名称:7、X轴滑台,8、Y轴滑台,9、Cw轴回转台,10、分度、定位盘,11、加工电源,12、阳极导电板,13、中心轴,14、整体叶轮毛坏,15、阴极,16、阴极导电板,17、Z轴主轴部件,18、压力表,19、球阀,20、压力阀,21、水泵,22、过滤器,23、电解槽;
图3中标号名称:24、阴极底座,25、底板侧面联接螺钉,26、补液口,27、底板上部联接螺钉,28、阴极盖板,29、阴极底板,30、出液口,31、主刃,32、前刃,33、侧刃;
图4中标号名称:34、阴极接杆,35、阴极刀杆,36、紧固螺钉,37、刀头。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
如图1所示。是整体叶轮叶片电解加工示意图,图(a)为叶背加工,图(b)为叶盆加工,图(c)为叶根加工。本发明所述的分步分区法整体叶轮叶片电解加工工艺,整体叶轮的电解加工分为叶盆、叶背、叶根三道加工工序,采用先加工叶背、后加工叶盆、再加工叶根的顺序进行加工;
对叶背、叶盆、叶根的加工区域进行划分,使叶盆、叶背加工区域的截面为梯形状,叶背宽度大于叶盆宽度,叶根加工区域从左到右的分布是两侧小中间大,从上到下分布为两头大中间小;
叶背、叶盆、叶根分别采用扫掠成形法加工,叶背加工利用叶背阴极沿着叶背型面的外偏置面扫掠成形,叶盆加工利用叶盆阴极沿着叶盆型面的外偏置面扫掠成形,叶根加工利用叶根阴极沿着叶根圆柱面的外偏置面扫掠成形,叶根、叶盆、叶根加工偏置距离为电解加工间隙。
所述叶盆、叶背、叶根电解加工中的成形运动采用数控四轴联动实现,由三个直线运动与一个回转运动组成,三个直线运动即以整体叶轮毛坯(14)为基准横向、纵向和上下直线运动,回转运动即以整体叶轮毛坯(14)为基准旋转运动。
如图2所示,电解加工装置包括X轴滑台7、Y轴滑台8、Cw轴回转台9、分度盘10、加工电源11、阳极导电板12、中心轴13、阴极15、阴极导电板16、压力表18、球阀19、水泵21、过滤器22和电解槽23,其中X轴滑台7上部与Y轴滑台8底部滑动连接,Y轴滑台8上部与Cw轴回转台9滑动连接,X轴滑台7沿纵向直线运动,Y轴滑台8沿横向直线运动,Cw轴回转台9作旋转运动,分度盘10安装在机床Cw轴回转台9上,整体叶轮毛坯14安装在分度盘10上并通过中心轴13定位;加工电源11正极通过阳极导电板12连接到整体叶轮毛坯14上,加工电源11负极通过阴极导电板16连接到阴极15上,阴极15在Z轴主轴部件17的带动下作上下直线移动,由阴极与工件运动合成叶片的加工轨迹;电解液从电解槽23中经过滤器22过滤后由水泵19抽出,通过球阀19送到阴极15。其核心在于阴极的形状与流场设计。
在工序划分上,采用先叶背、后叶盆,再叶根的加工顺序加工整体叶轮叶片,对加工区域进行划分,加工方案如图1所示。首先建立或导入整体叶轮的三维CAD模型,采用整体叶轮数控电解加模拟与编程专用软件工具的数据采集功能,即等距平行切割法对叶片实现自动切片,获取了叶片数据;利用获取的叶背、叶盆型面数据,按叶背、叶盆的型面计算叶背、叶盆加工运动轨迹,再利用上述数据计算叶根加工的运动轨迹,分别求出用于叶背、叶盆、叶根加工的机床各坐标轴的运动分量,进行加工模拟,生成数控加工的程序。
根据叶盆、叶背、叶根之间的叶间空间大小,设计出叶盆、叶背、叶根阴极的初始形状,利用该阴极外形在工具软件中对叶盆、叶背、叶根的区域划分,通过修正阴极宽度及主刀、侧刃与前刃的夹角,实现叶盆、叶背加工的拼接,并使叶背、叶盆加工后的叶根加工余量分布呈倒三角分布。
在加工运动的合成方法上,利用设计的阴极与生成的加工程序在电解加工装置上进行加工,加工装置如图2所示,包括X轴滑台7、Y轴滑台8、Cw轴旋转工作台9、分度盘10、加工电源11、阳极导电板12、中心轴13、整体叶轮14、阴极15、阴极导电板16、Z轴主轴部件17、压力表18、球阀19、压力阀20、水泵21、过滤器22、电解槽23。X轴滑台7、Y滑台8作直线移动、Cw轴旋转工作台9作旋转运动,这三个坐标轴共同带动整体叶轮工件作复合运动,阴极15在Z轴主轴部件的带动下作直线移动,由阴极与工件运动合成叶片的加工轨迹。分度盘10安装在旋转工作台9上,整体叶轮毛坯14安装在分度盘上,由分度盘10完成分度。阴极15通过不同的对刀块实现叶盆、叶背、叶根加工对刀。
在加工过程中,加工电源11采用直流电源或脉冲电源,直流加工电压区间为12~15之间;电源正极通过导电块12连接到整体叶轮14上,电源负极通过导电块16连接到阴极15上;通过电流传感器、压力传感器、温度传感器对加工过程进行检测。
电解液从电解槽23中经过滤器22过滤后由水泵21抽出,通过球阀19送到阴极中。叶盆、叶背加工阴极由阴极底座24、阴极盖板28、阴极底板29、底板上部联接螺钉27,底板侧面联接螺钉25组成。叶背、叶盆加工时,电解液通过阴极底座24进行分流,一部分通过阴极盖板28与阴极底板29之间的流道送到电解液出口处;另一部分通过分流道流到阴极底板29的补液口26,两股电解液流入到加工区,充满整个加工区域,不会产生加工短路。叶根阴极结构如图4所示,由阴极接杆34、阴极刀杆35、刀头37,紧固螺钉36组成。电解液由接杆34中的圆形通道流入阴极刀杆35中,通过其中的通道流入到刀头37下方,再通过刀头37下底面上的流道形成扇形,进入到加工区域,由于采用的是正向冲液方式,流场好,不会发生加工短路。
所述水泵21的输出端串接压力阀20后返回电解槽23。
所述Y轴滑台8上还设置多个回流孔,电解液通过回流孔返回电解槽22。
如图3所示,所述阴极15包括叶背、叶盆、叶根加工阴极,叶盆、叶背加工阴极由阴极底座24、阴极盖板28、阴极底板29组成;阴极盖板28与阴极底板29配合后一起安装在阴极底座24之上;阴极底板29上包括主刃31、前刃32、侧刃33,在底板中部开设出液口30,另外在后端开设补液口26;
如图4所示,叶根加工阴极由阴极接杆34、阴极刀杆35、紧固螺钉36、刀头37组成;刀头37安装在阴极刀杆35上的刀槽中,通过紧固螺钉36固定;阴极刀杆35安装在阴极接杆34前端。
在阴极形状与流场设计上,首先通过加工编程与模拟工具软件实现工艺数据提取,提取方式通过交互方式实现;利用压力平衡原则对叶背、叶盆的加工区域进行了划分,使叶背、叶盆加工的区域形状满足于叶盆、叶背加工压力对称分布条件,保持两侧加工压力基本平衡,从而满足叶背半闭式与叶盆开式加工环境的需要,使加工区域电解液供液充分;在叶根加工区域划分上,采用阴极刃尖角度修正法使叶背、叶盆加工后的叶根加工余量从左到右呈现两侧少中间多,从上到下呈现两头多中间少的分布,满足叶根的加工要求;通过对叶盆、叶背加工区域的划分确定了叶背、叶盆阴极的外形尺寸,再通过电场、流场分析完成阴极设计。