CN105345178A - 一种电解开槽翼型阴极装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解开槽翼型阴极装置及其设计方法，包括带整体叶盘流道型面的工作阴极组件、电解液槽、转接座、液压夹头，其中工作阴极组件设于电解液槽中，电解液槽下方设有液压夹头和转接座，工作阴极组件通过液压夹头快速定位并精确地与机床进给运动轴连接；电解液槽的一个端面为可拆装的电解液槽前挡板；方法包括：确定基准截面线及投影平面；选取各设计截面线叶盆中点；投影截面线；旋转截面线；平移截面线；最小包络曲线；计算阴极片内型孔曲线、圆角及厚度；确定最终位置；分型线。本发明相对数控铣削等方法可提高效率50％，实现了大型整体叶盘成本低、高效能的开槽初成型加工，适于大批量生产，具有巨大的潜在效益。

Description

一种电解开槽翼型阴极装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机整体叶盘加工技术，具体的说是一种电解开槽翼型阴极装置及其设计方法。

背景技术

多年来，航空发动机整体叶盘的传统加工方法为机械加工，即采用数控机床技术实现加工的全过程，操作人员需掌握数控加工编程技术，并要求具有一定的操作技巧和经验，效率低，劳动强度大，虽然加工精度相对普通机床比较高，但仍存在一定差距，机床刀具易磨损，需经常检修、更换，存在质量不稳定的问题，是时也增加了生产运行成本和管理成本。

发明内容

针对现有技术中航空发动机整体叶盘加工技术存在效率低、成本高、质量不稳定等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种加工效率高，成本低，减少大量的刀具消耗和数控设备占用时间的电解开槽翼型阴极装置及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种电解开槽翼型阴极装置，包括带整体叶盘流道型面的工作阴极组件、电解液槽、转接座、液压夹头，其中工作阴极组件设于电解液槽中，电解液槽下方设有液压夹头和转接座，工作阴极组件通过液压夹头快速定位并精确地与机床进给运动轴连接；电解液槽的一个端面为可拆装的电解液槽前挡板。

工作阴极组件具有工作阴极、底板、绝缘补水挡板以及导流密封套，其中工作阴极安装于底板上，工作阴极两端连接绝缘补水挡板。

工作阴极具有翼型内孔即电解液出液口和导流密封套，电解液出液口根据整体叶盘工件的单个叶片的各个设计截面数据计算，确定翼型内孔型面、外型面的轮廓形状；导流密封套的一端为工作阴极的进液口，其连接电解液管，导流密封套的另一端连接工作阴极的电解液出液口，该电解液出液口即为电解液槽的进液口。

导流密封套的外形依据叶盘两叶片叶型间的空间确定，其内腔尺寸则依据叶片的叶型确定，保证包容叶型

所述电解液槽上规定高度设有电解液溢出口，底部设有电解液排放阀。

本发明一种电解开槽翼型阴极装置的设计方法，包括以下步骤：

1)确定基准截面线及投影平面；

2)在投影平面上建立投影的基准坐标系并选取各设计截面线叶盆中点；

3)投影截面线：以基准截面线为基准，使所有设计截面线的叶盆曲线中点投影到基准截面线叶盆曲线中点；

4)旋转截面线：将各个投影截面线以基准坐标系Z轴为旋转中心，按各个投影截面线的弦线和基准截面线弦线之间的角度，旋转到和基准截面线弦线平行的位置；

5)平移截面线：求取基准截面线弦线的中垂线，再依次将各旋转后投影截面线沿中垂线向基准截面线内移动一定的距离，各旋转后的投影截面线移动距离根据基准截面线的包容度决定；

6)最小包络曲线：连接盆、背两侧最外侧截面曲线做为阴极的叶盆、叶背，对于叶型包络线中交叉处可根据经验值导圆处理。进、排气边圆弧可通过桥接曲线的方法补全包络线；

7)计算阴极片内型孔曲线、圆角及厚度；

8)确定最终位置：在UG三维制图软件中将叶盘流道型面链接到距离该流道面上方△n+加工余量的位置，即为工作阴极型面的最终位置；

9)分型线：工作阴极在叶型盆背两向的边界曲线，单条分型线由3段曲线构成，中间一段为平行弦线的直线，两侧为平行X轴的直线，且3段直线相连的两处以圆弧进行连接。

计算阴极片内型孔曲线、圆角及厚度采用COS算法，即COS间隙计算法则：

Δn＝ηωσU_R/(vccosθ)＝Δb/cosθ，

其中△n为法向平衡间隙，η为电流效率，vc为阴极进给速度，ω为体积电化当量，U_R为阴、阳极之间的电压，θ为叶片型面法线方向与阴极进给方向的夹角，Δb为法向加工间隙。

在投影平面上建立投影的基准坐标系并选取各设计截面线叶盆曲线中点为：

整体叶盘零件的设计截面线为N个设，排除流道下方的一个设计截面线和叶尖上方的一个设计截面线，有效设计截面线为N-2个，分别做N-2个设计截面线的弦线，并取出各个截面线叶盆曲线中点，并以基准截面线叶盆曲线中点记为原点(记作O)建立投影的基准坐标系。

确定投影平面及基准截面线为：

1)若流道倾斜角度不大于5°，叶型各截面相对扭角不大于15°，则选择靠近流道上方的设计截面线做为基准截面线，并以其所在的平面为投影平面；

2)若流道倾斜角度大于10°，且叶型各截面相对扭角大于15°，则对投影截面做出修正，选择和流道斜面平行的叶型截面线做为基准截面线，并以其所在的平面作为投影平面。

本发明还包括电解开槽翼型阴极装置的稳流密封结构设计，即按照流程最短的原则，采用正流式加工，即电解液由阴极装置底部进入密封导流区，工作阴极的左右两侧即叶片进排气边处将电解液补充到加工区内，并同零件叶片型面共同构成密封。本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可应用于整体叶盘制造领域，相对数控铣削等方法可提高效率50％，降低成本20％以上，实现了大型整体叶盘成本低、高效能的开槽初成型加工，在解决了传统铣削方式加工周期长、成本高的难题，同时保证零件加工质量，适于大批量生产，具有巨大的潜在效益。

附图说明

图1A为本发明带电解液槽体的开槽翼型阴极装置图(45度视角)；

图1B为图1A的俯视图；

图2为本发明中开槽翼型阴极结构示意图；

图3为本发明中电解液流向示意图；

图4为本发明系统中的工作阴极结构示意图；

图5为本发明中整体叶盘工件及开槽阴极装置的工作位置。

其中，1为电解液槽，2为液压夹头，3为转接座，4为电解液排放阀，5为电解液溢流口，6为电解液槽前挡板，7A为第一绝缘补水挡板，7B为第二绝缘补水挡板8为工作阴极，9为导流密封套，10为底板，11为出液口，12为进液口，13为叶片，14为整体叶盘工件。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1、2所示，本发明电解开槽翼型阴极装置，包括带整体叶盘流道型面的工作阴极组件、电解液槽1、转接座3、液压夹头2，其中工作阴极组件设于电解液槽1中，电解液槽1下方设有液压夹头2和转接座3，工作阴极组件通过液压夹头2快速定位并精确地与机床进给运动轴连接；电解液槽1的一个端面为可拆装的电解液槽前挡板6；电解液槽1上规定高度设有电解液溢出口5，底部设有电解液排放阀4。

如图3所示，工作阴极组件具有工作阴极8、底板10、绝缘补水挡板7以及导流密封套9，其中工作阴极8安装于底板10上，工作阴极8两端连接绝缘补水挡板7。

如图3、4所示，工作阴极8具有翼型内孔即电解液出液口11和导流密封套9，电解液出液口11根据整体叶盘工件14的单个叶片13的各个截面数据计算，确定翼型内孔型面、外型面的轮廓形状；导流密封套9的一端为工作阴极8的进液口12，其连接电解液管，导流密封套9的另一端连接工作阴极8的电解液出液口11，该电解液出液口11即为电解液槽1的进液口。

导流密封套9的外形依据叶盘两叶片叶型间的空间确定，其内腔尺寸则依据叶片的叶型确定，保证包容叶型。

电解加工的原理是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理而去除材料，将工件加工成型的一种非传统切削加工方法。电解加工时，工具(刀具)作为阴极、工件作为阳极连接到直流电源。在电解液中，工具阴极以一定的速度移向工件阳极，工具和工件之间发生电荷交换，阳极工件材料被溶解，并被高速流动的电解液带走，从而达到非常精确的加工要求。

采用电解方法进行发动机整体叶盘开槽加工，在国外先进航空发动机上广泛应用，如美国GE公司开发了大型风扇整体叶盘的开槽加工阴极及工艺方法，该阴极通过进给和旋转运动实现整体叶盘开槽加工。

本发明一种电解开槽翼型阴极装置的设计方法包括以下步骤：

1)确定投影平面及基准截面线

(1)若流道倾斜角度不大于5°，叶型各截面相对扭角不大于15°，则选择靠近流道上方的设计截面线做为基准截面线，并以其所在的平面为投影平面。

(2)若流道倾斜角度大于10°，且叶型各截面相对扭角大于15°，则要对投影截面做出一定修正，可以选择和流道斜面平行的叶型截面线做为基准截面线，并以其所在的平面作为投影平面。

2)建立投影的基准坐标系并选取各弦线中点

由于整体叶盘零件不同，其叶型的设计截面线也不同，共有N个设计截面线，排除流道下方的一个设计截面线和叶尖上方的一个设计截面线，有效设计截面线为N-2个，分别做N-2个设计截面线的弦线，并取出各个截面线叶盆曲线中点。并以基准截面线叶盆曲线中点记为原点(记作O)建立投影的基准坐标系。

3)投影截面线：以基准截面线为基准，将其余N-2个设计截面线按照叶盆曲线中点投影到基准截面线叶盆曲线中点上的原则，使所有设计截面线投影到投影平面上。

4)旋转截面线：首先通过UG三维制图软件测量各个投影截面线的弦线和基准截面线弦线之间的角度，并将各个投影截面线以基准坐标系Z轴为旋转中心，按测量角度旋转到和基准截面线弦线平行的位置。

5)平移截面线：首先求取基准截面线弦线的中垂线，再依次将各旋转后投影截面线沿中垂线向基准截面线内移动一定的距离，各旋转后的投影截面线移动距离根据基准截面线的包容度决定。这样做的目的是使所有投影截面线尽量包容于基准截面线内，以便求取最小包络曲线。

6)最小包络曲线：连接盆、背两侧最外侧截面曲线做为阴极的叶盆、叶背，对于叶型包络线中交叉处可根据经验值导圆处理。进、排气边圆弧可通过桥接曲线的方法补全包络线。

7)计算阴极片内型孔曲线、圆角及厚度：

在提出COS算法前，首先引入加工间隙的概念。加工间隙与电解液构成了电解加工的核心工艺因素，决定着电解加工工艺指标——加工精度、材料去除率、表面质量等，也是阴极设计及工艺参数选择的首要基本依据。电解加工间隙：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\η}\mathrm{\ω}(U-\mathrm{\δ}E)\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\υ}}_a}$

其中：η为电流效率，ω为体积电化当量(mm3/A·min)，δE为阴、阳极极化电位值总和，σ为电解液电导率(1/Ω·mm)，va为工件的法向电解速度(mm/min)，△为法向平衡加工间隙(mm)，U为阴、阳极之间的电压(V)。

所谓COS算法，即COS间隙计算法则：

Δn＝ηωσU_R/(vccosθ)＝Δb/cosθ，

其中△n为法向平衡间隙，η为电流效率，vc为阴极进给速度，ω为体积电化当量，U_R为阴、阳极之间的电压，θ为叶片型面法线方向与阴极进给方向的夹角，Δb为法向加工间隙。通过COS算法，可预先计算出阴极片翼型内型孔的规律延伸量、倒圆R值，以及阴极片的厚度值。

8)确定最终位置：在UG三维制图软件中将叶盘流道型面链接到距离该流道面上方△n+加工余量的位置，即为工作阴极型面的最终位置。

9)分型线：分型线即工作阴极在叶型盆背两向的边界曲线，单条分型线由3段曲线构成，中间一段为平行弦线的直线，两侧为平行X轴(盘心孔中心线)的直线，且3段直线相连的两处以圆弧进行连接。

以上是套料电解阴极型面设计的关键技术和计算方法，通过上述设计方法可以加工出理想的零件型面，合理实用的流场方式及稳流结构也是阴极设计的关键所在，它可以实现过程稳定的加工工艺。

稳流密封结构设计方法

按照流程最短的原则，采用正流式加工，即电解液由阴极装置底部进入密封导流区(即由叶尖流进，叶根流出)，工作阴极的左右两侧即叶片进排气边处将电解液补充到加工区内，并同零件叶片型面共同构成密封，保证电解液从加工区流过、并且加工区电解液流场流畅、均匀和稳定。

本发明涉及整体叶盘电解开槽加工的翼型阴极装置的设计方法，可为采用精密电解或数控铣等其他方法进行整体叶盘叶型精加工打基础，叶片型面余量基本控制在1～3mm。本发明主要针对整体叶盘的叶型流道进行开槽粗成型加工。本发明实施的条件是具备多轴的电解机床。

如图1A、1B所示，为开槽翼型阴极装置总体结构，开槽翼型的工作阴极8，通过HSK液压夹头2快速定位并精确地与机床进给运动轴连接，将整体叶盘工件14安装在机床的纵向轴转盘上，并将整体叶盘工件14送进到工作阴极8的加工位置，沿B向旋转整体叶盘工件14到任一个叶片位置作为初始加工位置，开始进行叶型开槽加工，如图4所示。

图2所示为开槽翼型阴极的工作阴极组件，是电解开槽加工的主要工作部分。工作阴极8的翼型内孔(也即出液口11)是根据整体叶盘工件14的单个叶片13各个截面数据计算，确定翼型内孔型面、外型面的轮廓形状，如图4所示。同时根据侧缝和端缝的成型规律，计算加工间隙。导流密封套9的外形依据叶盘两叶片叶型间的空间确定，其内腔尺寸则依据叶片的叶型确定，保证包容叶型。

图3所示为电解液流向。电解液通过工作阴极8底部进液口12进入导流密封套9，通过导流密封套9从工作阴极8的出液口11流出，流出的电解液将电解液槽1充满后，从电解液溢出口5流出。电解液槽1充满电解液，可以保证工作阴极8与加工的叶片13的加工区充满电解液、流场分布均匀，避免短路，保证加工的持续进行。

图5所示为整体叶盘零件及开槽电极位置图。在开槽加工时，将整体叶盘工件14与工作阴极8进行对刀，确定相对位置。沿B向旋转整体叶盘工件14到任一个叶片13位置作为初始加工位置，确定加工初始间隙，通电解液并使电解液槽1充满，将整体叶盘工件14连接直流电源的正极，将工作阴极8连接直流电源的负极，启动机床，工件沿Z向进给，同时做Y向和B、C向旋转运动，开始进行叶型开槽加工。当工作阴极8达到叶型根部流道位置，完成开槽加工。将整体叶盘工件14沿Z向从工作阴极8中退出后，沿B向旋转分度，运动到下一个叶型位置，重复上述步骤，直至完成整个叶盘叶型开槽加工。

Claims (10)

1.一种电解开槽翼型阴极装置，其特征在于：包括带整体叶盘流道型面的工作阴极组件、电解液槽、转接座、液压夹头，其中工作阴极组件设于电解液槽中，电解液槽下方设有液压夹头和转接座，工作阴极组件通过液压夹头快速定位并精确地与机床进给运动轴连接；电解液槽的一个端面为可拆装的电解液槽前挡板。

2.按权利要求1所述的电解开槽翼型阴极装置，其特征在于：工作阴极组件具有工作阴极、底板、绝缘补水挡板以及导流密封套，其中工作阴极安装于底板上，工作阴极两端连接绝缘补水挡板。

3.按权利要求2所述的电解开槽翼型阴极装置，其特征在于：工作阴极具有翼型内孔即电解液出液口和导流密封套，电解液出液口根据整体叶盘工件的单个叶片的各个设计截面数据计算，确定翼型内孔型面、外型面的轮廓形状；导流密封套的一端为工作阴极的进液口，其连接电解液管，导流密封套的另一端连接工作阴极的电解液出液口，该电解液出液口即为电解液槽的进液口。

4.按权利要求3所述的电解开槽翼型阴极装置，其特征在于：导流密封套的外形依据叶盘两叶片叶型间的空间确定，其内腔尺寸则依据叶片的叶型确定，保证包容叶型。

5.按权利要求3所述的电解开槽翼型阴极装置，其特征在于：所述电解液槽上规定高度设有电解液溢出口，底部设有电解液排放阀。

6.一种电解开槽翼型阴极装置的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定基准截面线及投影平面；

2)在投影平面上建立投影的基准坐标系并选取各设计截面线叶盆中点；

3)投影截面线：以基准截面线为基准，使所有设计截面线的叶盆曲线中点投影到基准截面线叶盆曲线中点；

4)旋转截面线：将各个投影截面线以基准坐标系Z轴为旋转中心，按各个投影截面线的弦线和基准截面线弦线之间的角度，旋转到和基准截面线弦线平行的位置；

5)平移截面线：求取基准截面线弦线的中垂线，再依次将各旋转后投影截面线沿中垂线向基准截面线内移动一定的距离，各旋转后的投影截面线移动距离根据基准截面线的包容度决定；

6)最小包络曲线：连接盆、背两侧最外侧截面曲线做为阴极的叶盆、叶背，对于叶型包络线中交叉处可根据经验值导圆处理。进、排气边圆弧可通过桥接曲线的方法补全包络线；

7)计算阴极片内型孔曲线、圆角及厚度；

8)确定最终位置：在UG三维制图软件中将叶盘流道型面链接到距离该流道面上方△n+加工余量的位置，即为工作阴极型面的最终位置；

9)分型线：工作阴极在叶型盆背两向的边界曲线，单条分型线由3段曲线构成，中间一段为平行弦线的直线，两侧为平行X轴的直线，且3段直线相连的两处以圆弧进行连接。

7.按权利要求6所述的电解开槽翼型阴极装置的设计方法，其特征在于计算阴极片内型孔曲线、圆角及厚度采用COS算法，即COS间隙计算法则：

Δn＝ηωσU_R/(vccosθ)＝Δb/cosθ，

其中△n为法向平衡间隙，η为电流效率，vc为阴极进给速度，ω为体积电化当量，U_R为阴、阳极之间的电压，θ为叶片型面法线方向与阴极进给方向的夹角，Δb为法向加工间隙。

8.按权利要求6所述的电解开槽翼型阴极装置的设计方法，其特征在于在投影平面上建立投影的基准坐标系并选取各设计截面线叶盆曲线中点为：

整体叶盘零件的设计截面线为N个设，排除流道下方的一个设计截面线和叶尖上方的一个设计截面线，有效设计截面线为N-2个，分别做N-2个设计截面线的弦线，并取出各个截面线叶盆曲线中点，并以基准截面线叶盆曲线中点记为原点(记作O)建立投影的基准坐标系。

9.按权利要求6所述的电解开槽翼型阴极装置的设计方法，其特征在于确定投影平面及基准截面线为：

1)若流道倾斜角度不大于5°，叶型各截面相对扭角不大于15°，则选择靠近流道上方的设计截面线做为基准截面线，并以其所在的平面为投影平面；

2)若流道倾斜角度大于10°，且叶型各截面相对扭角大于15°，则对投影截面做出修正，选择和流道斜面平行的叶型截面线做为基准截面线，并以其所在的平面作为投影平面。

10.按权利要求6所述的电解开槽翼型阴极装置的设计方法，其特征在于：还包括电解开槽翼型阴极装置的稳流密封结构设计，即按照流程最短的原则，采用正流式加工，即电解液由阴极装置底部进入密封导流区，工作阴极的左右两侧即叶片进排气边处将电解液补充到加工区内，并同零件叶片型面共同构成密封。