CN106695032B - 一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具，属于电解加工技术领域。本发明的电解加工方法采用等于叶片个数的阴极块沿叶轮中心均匀分布，加工时沿叶轮轴向快速进给，可完成整体叶轮的薄壁叶片和弧形端面基体一次性加工成形。其中，加工所用阴极块底端近成形曲面弧度较大，以夹角所在弧形曲线为边界划分不同区域，并根据实际加工经验和加工结果做线性插值修整，可同时满足法向和侧面平衡要求。本发明的电解加工方法可实现整体叶轮一次性加工成形，提高加工效率，具有较高的实用价值。

Description

一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具

技术领域

本发明属于数控电解加工技术领域，具体是一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具。

背景技术

弧形端面叶轮在航空发动机以及航空机载设备中均有广泛应用。该类叶轮主要工作在高温、高压、高转速条件下，选用不锈钢、高温耐热合金和钛合金等难切削材料。叶轮整体结构复杂，叶片较薄，叶片间空间小，精度要求高，使得它的加工制造非常困难，已经成为航空制造中的技术难点。

目前，此类整体叶轮加工方法主要有数控铣削、精密模锻、电火花加工和电解加工技术。

数控铣削：通过数控高速铣削与刀具轨迹控制功能的结合加工出复杂的轮廓和光洁的表面，并保持较高的材料去除率，是最常见的整体叶轮制造技术。但是由于铣削加工时，叶轮曲面基体与叶片之间小圆角光滑转接处存在应力集中，在工作中易产生裂纹，而且刀具磨损较为严重。

精密模锻：精密模锻单个叶片可以相当接近最终形状，且由于锻造强化，叶片性能和强度均有所提高。但整体叶轮几何形状复杂，生产过程较为复杂、技术难度较大，使得该加工很难成为最终加工工艺。目前，精密模锻多作为毛坯制作手段。

电火花加工：电极与工件之间不接触，利用电火花蚀除材料，无传统的切削应力，适宜加工低刚度工件和特殊复杂形状的工件。目前，电火花加工技术已达到高精度、低表面粗糙度、无表面裂纹的水平。但由于加工过程中会有电极损耗，需经常更换电极，使得加工成本较高、加工速度缓慢。同时，电火花加工后工件表面会产生再铸层，还需采用砂带抛光处理。

电解加工：基于工件阳极在溶液中发生离子蚀除机理，在工艺制定合理的情况下，可获得较高的加工精度。而且加工过程中工具阴极不产生损耗，加工效率较高，理论上可加工任何导电材料。因为这些独特的优点和良好的应用前景，电解加工也一直成为国内外研究重点

我国套料式电解加工该类叶片厚度均匀、截面不同的整体叶轮精度可满足工业要求，加工速度可达每分钟几毫米到十多毫米。然而，套料式电解加工需对每个叶片逐个套料加工，加工效率较低；而且，为保证加工时流场均匀，每相邻叶片之间会留有楔形余量，而去除楔形余量时容易对已加工基体型面造成二次加工。目前，尚未发现既能同时加工多个叶片，又能完成叶轮曲面基体一次成形的电解加工技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具，该工艺方法可以对于端面型叶轮加工可实现叶片和叶片间曲面基体一次成形，并且可以同时加工多个叶片，极大的提高电解加工等厚弧形端面叶轮成形效率。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种等厚弧形端面叶轮电解加工方法，包括以下步骤：

1)将叶轮毛坯装夹；在叶轮毛坯外围安装近成形阴极；

2)所述近成形阴极沿叶轮毛坯的轴向快速进给到指定加工位置，完成对整体叶轮的一次性加工成形。

进一步的，所述近成形阴极由阴极块组成，所述阴极块数量与待加工叶片数量相同。采用一整块阴极也可以实现，但是采用与待加工叶片数量相同的阴极块效果更佳，且更换和维护方便。

进一步的，所述阴极块包括底端弧形曲面、侧边刃和绝缘侧壁；所述阴极块底端弧形曲面为近成形弧形基体曲面，弧度较大，不同位置处基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间夹角θ_i约为20°～80°。为保证加工时平衡间隙波动量不大于1.15，以夹角θ_i＝30°所在弧形曲线为边界，将阴极底端弧形曲面S₁划分为区域Ⅰ和区域Ⅱ，其中，区域Ⅰ为夹角θ_i≤30°所在区域，区域Ⅱ为夹角θ_i>30°区域，θ_i为不同位置处基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间的夹角；则区域Ⅰ法向平衡间隙Δ_i1：

区域Ⅱ侧面平衡间隙Δ_i2：

式中，η为电流效率；ω为阳极金属的体积电化学当量，mm³·(A·min)^-1；k为电解液电导率，(Ω·mm)^-1；U为工件阳极电位，V；v为阴极进给速，mm/min；θ_i1为区域Ⅰ内基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间夹角，(°)；h为区域Ⅱ内任意位置与夹角θ_i＝30°所在弧形曲线为边界所在平面的轴向距离，mm。

根据实际加工成形结果并结合成形经验理论，对所述阴极块底部曲面区域Ⅰ和区域Ⅱ平衡间隙做线性插值修整，取修整后平衡间隙：

Δ_j＝μΔ_i (3)；

具体以θ_i＝30°为边界，当计算区域Ⅰ内法向间隙时，间隙修正系数：

根据阴极沿轴向进给速度v的不同，γ₁在γ₁＝0.1～0.05范围内取值；

当计算区域Ⅱ内侧面间隙时，修正系数：

γ₁在γ₂＝0.1～0.35范围内取值；

式中，x_i1为区域Ⅰ内弧形端面上任意位置与θ_i＝30°边界所在平面的轴向距离，H＝max{x_i1}；x_i2为区域Ⅱ内弧形端面上任意位置与θ_i＝30°边界所在平面的轴向距离，h＝max{x_i2}。

另一种改进，所述阴极块的侧边刃宽度b的确定采用层切法，将阴极块侧边等分成N层，侧边刃宽b：

式中，Δ_s为侧边加工间隙，mm；x₀为阴极沿进给方向最底端处加工间隙，mm；Δ_b为阴极沿进给方向加工间隙，mm。

一种用于上述技术方案所述的等厚弧形端面叶轮电解加工方法的工装夹具，包括夹具底座、背压阻流装置、阴极罩、定位心轴、均流锥形块和阴极定位板。所述夹具底座、背压阻流环和阴极罩围成空腔区域，所述夹具底座、背压阻流环和阴极罩均采用有机玻璃或环氧树脂等绝缘材料制成。所述空腔区域主要用于工件和阴极夹装固定，将加工环境与外界隔开，提供稳定的工作区域。

所述定位心轴安装在定位板上，位于所述空腔区域内，所述均流锥形块安装在定位心轴顶部；所述阴极定位板安装在所述阴极罩顶部。所述均流锥形块所用材料为环氧树脂或PVC等绝缘材料。电解液从进液通道流入，经均流锥形块均匀 分散到空腔内各个方向，保证加工时电解液供给均匀、流场稳定。

所述背压阻流装置包括阻流环和阻流罩，所述阻流环和阻流罩之间形成S形电解液流出通道。可阻碍电解液顺利流出加工区域，充满型腔，防止加工时出现贫液现象。

本发明的等厚弧形端面叶轮电解加工方法，具有以下特点：

(1)近成形阴极由数量等于叶片的个数的阴极块组合而成，与叶轮毛坯具有相同的中心轴线，电解加工时近成形阴极只需沿叶轮轴线方向一次性快速进给即可完成多叶片同时成形，叶片具有较好的一致性，同时也极大提高电解加工效率；

(2)结合阴极进给的方式，将叶轮划分为叶片之间的弧形端面基体和薄壁叶片两部分。其中，弧形端面基体为仿型电解加工，经阴极块底面弧形曲面反铐成形；叶片由相邻阴极块侧边加工成形，无明显切削应力；

(3)电解加工时，叶轮毛坯被夹装在夹具的中心空腔内，电解液经阴极进液口流入，经锥形块分散后均匀流向各加工区域；电解液流出时由于受到S形阻流通道的阻碍形成收敛流，环形空腔设有两个对称分布出液口，与电解液出液法兰相连，保证加工区域充满电解液、形成稳定均匀流场，加工过程稳定进行。

本发明的一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具，具有以下有益效果：

(1)加工所用近成形阴极由数量等同于叶片个数的阴极块组合而成，可实现多个叶片同时加工成形，提高了加工效率，改善整体叶片的一致性；

(2)叶片间曲面基体可实现一次性加工成形，避免二成加工造成的误差，提高叶轮电解加工的重复精度；

(3)与铣削加工相比，叶片与弧形端面基体实现光滑圆角连接，消除了连接处应力集中，防止工作中裂纹的产生，提高零件疲劳寿命；

(4)所使用工装夹具为加工提供稳定的圆柱式空腔区域，而且，电解液由流入到流出形成总体收敛式流场，保证电解加工过程稳定进行，提高电解加工的复制精度和重复精度，改善了加工质量。

附图说明

图1是本发明的等厚弧形端面叶轮成品模型示意图；

图2是本发明的等厚弧形端面叶轮毛坯模型示意图；

图3是本发明等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法一个实施例中所使用的阴极块示意图；

图4是本发明等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法一个实施例中叶轮电解加工成形原理图；

图5是本发明等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法一个实施例中使用的工装夹具结构示意图；

图6是本发明等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法工作原理图。

图中零部件标号名称为：

1、弧形端面基体，2、薄壁叶片，3、绝缘侧壁，4、侧边刃，5、区域Ⅰ，6、夹角θ_i＝30°所在弧形曲线6，7、区域Ⅱ，8、底端弧形曲面，9、近成形阴极，10、叶轮毛坯，11、夹具底座，12、阻流环，13、阻流罩，14、O型密封圈，15、阴极罩，16、阴极定位板，17、均流锥形块，18、阴极块，19、定位心轴，21、定位法兰，22、预紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法及工装夹具进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法，主要针对等厚弧形端面型叶轮，叶片厚度均匀，没有锥度和曲率的变化，叶轮的尺寸规格小，叶片较薄，叶片与叶片之间的基体曲面空间较小，适合采用电解加工。在深入分析被加工曲面局部特征的基础上，将叶轮划分为叶片之间的弧形端面基体1和薄壁叶片2两部分。图2为本发明的电解加工方法使用的叶轮毛坯模型，电解加工前首先采用数控铣车加工技术，对叶轮中心定位孔、底部定位面、顶部端面和外型面车削加工，确保叶轮的夹装定位面和非加工面满足实际加工要求。

本发明的等厚弧形端面叶轮的电解加工工艺方法具体步骤如下：

1)将叶轮毛坯10装夹；在叶轮毛坯10外围安装近成形阴极9。可以选择如下方式装夹叶轮毛坯10：叶轮毛坯10以中心定位孔为基准，由定位心轴19、定位法兰21和预紧螺母22夹紧固定。所述近成形阴极9由阴极块18组成，所述阴极块18数量与待加工叶片数量相同。本实施例中以6片叶片为例，使用了6个阴极块。

2)所述近成形阴极9沿叶轮毛坯10的轴向快速进给到指定加工位置，完成 对整体叶轮的一次性加工成形。

图3为所述电解加工所用的阴极块，由底端弧形曲面(近成形曲面)8、侧边刃4和绝缘侧壁3组成。其中，阴极块底端弧形曲面8为近成形弧形基体，弧度较大，不同位置处基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间夹角θ_i约为20°～80°。为保证加工时平衡间隙波动量不大于1.15，以夹角θ_i＝30°所在弧形曲线6为边界，将阴极近成形曲面划分为区域Ⅰ5和区域Ⅱ7，区域Ⅰ5为夹角θ_i≤30°所在区域，区域Ⅱ7为夹角θ_i>30°区域。

区域Ⅰ法向平衡间隙Δ_i1如下：

区域Ⅱ侧面平衡间隙Δ_i2如下：

式中，η为电流效率；ω为阳极金属的体积电化学当量，mm³·(A·min)^-1；k为电解液电导率，(Ω·mm)^-1；U为工件阳极电位，V；v为阴极进给速，mm/min；θ_i1为区域Ⅰ内基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间夹角，(°)；h为区域Ⅱ内任意位置与夹角θ_i＝30°所在弧形曲线为边界所在平面的轴向距离，mm。

根据实际加工成形结果并结合成形经验理论，对阴极曲面区域Ⅰ和区域Ⅱ平衡间隙做线性插值修整，取修整后平衡间隙Δ_j如下：

Δ_j＝μΔ_i (3)

具体以θ_i＝30°为边界，当计算区域Ⅰ内法向间隙时，间隙修正系数为μ₁：

当计算区域Ⅱ内侧面间隙时，修正系数μ₂；

式中，x_i1为区域Ⅰ内弧形端面上任意位置与θ_i＝30°边界所在平面的轴向距离，H＝max{x_i1}；x_i2为区域Ⅱ内弧形端面上任意位置与θ_i＝30°边界所在平面的轴向距离，h＝max{x_i2}；根据阴极沿轴向进给速度v的不同，γ₁取定值0.1～0.05；相应的γ₂＝0.1～0.3。

阴极侧边则根据电解加工侧边成形规律设计侧边刃宽b，采用层切法，将阴极块侧边等分成N层(为满足精度要求，本实施例取N＝30)。为保证加工精度， 设定侧边加工间隙为0.1～0.3mm，侧边刃宽b满足如下公式：

式中Δ_s为侧边加工间隙，mm；x₀为阴极沿进给方向最底端处加工间隙，mm；Δ_b为阴极沿进给方向加工间隙，mm。根据侧边间隙分布规律，可得到侧边刃宽b＝{b_i,i＝1,2,……30}，以底端弧形曲面S₁边界为起始位置拟合侧边刃宽边界模型，并将侧边非加工区域采用绝缘材料进行绝缘处理。

图4为使用本发明的电解方法进行电解加工的成形原理。该叶轮的成形主要分为两部分：相邻叶片之间的弧形端面基体1成形和薄壁叶片2的成形。本发明的电解加工所用近成形阴极9由数量等同于叶片个数的阴极块18组成，当近成形阴极9进给到指定加工位置时，阴极与工件之间数学物理模型近似符合Laplace方程要求，所得到的工件型面即为所需加工曲面。同时，在电解加工过程中，两相邻阴极块可实现一个叶片成形，单个阴极与工件侧边之间有宽度为Δ_s的加工间隙，使得电解液流入加工区域，避免加工过程可能出现贫液或缺液现象，因此阴极与叶片之间也无应力接触，可避免叶片产生弯曲变形。

图5所示为本发明电解加工所使用工装夹具。夹具主体中间有一空腔式电解加工区域，该区域主要用于工件和阴极夹装固定，将加工环境与外界隔开，提供稳定的工作区域；夹具自上而下主要有阴极定位装置、背压阻流装置和毛坯夹紧装置三大部分组成。各部分详细组成特征如下：

(1)阴极定位装置主要有阴极定位板16和阴极罩15组成，阴极定位板用于阴极块的安装定位，定位板中心为通孔形式，电解液由此流入加工区域；

(2)背压阻流装置主要有阻流环12和阻流罩13组成，阻流环12和阻流罩13保持一定加工间隙形成S形阻流通道，可阻碍电解液的流出，从而使得空腔内加工区域充满电解液，防止电解加工时出现贫液区；同时，阻流罩13和阴极罩15之间有O型密封圈14，确保加工时空腔内电解液只能从出液口流出；

(3)叶轮毛坯夹紧装置主要由夹具底座11、定位法兰21、定位心轴19、均流锥形块17和预紧螺母22组成，可实现叶轮毛坯10的安装定位。

图6为本发明电解加工方法工作原理。首先，在加工开始前，对叶轮毛坯10进行夹装定位，使叶轮毛坯10中心孔与定位心轴19相配合，叶轮下端面和定位法兰21相接触，定位心轴19通过预紧螺母22施加预紧力，叶轮毛坯夹紧 固定。其次，安装近成形阴极9，近成形阴极9安装于阴极定位板6，所用阴极块18数量和叶轮叶片数量一致。近成形阴极9与叶轮毛坯10安装完成后，通入电解液，电解液由阴极定位板16中心通道流入加工区域，经均流锥形块17分流后均匀分散并迅速充满夹具中心型腔。型腔内电解液可通过S形阻流通道流出并汇聚于空间相对较大的环形空腔，空腔外接两对称出液管道，汇流后的电解液经此出液口流出。其中，S形阻流通道使得电解液流出比较困难，加工时电解液可以充满整个型腔，从而避免叶轮毛坯10与近成形阴极9之间产生缺液现象；而出液口环形空腔使得各方位电解液能均匀流出，避免产生靠近出液口叶片之间电解液更新较快，远离出液口电解液更新较慢的现象，从而使得电解液流动均匀，加工过程稳定。正常加工时，阴极定位板16与机床主轴相连接电源阴极，定位法兰21接电源阳极，近成形阴极沿叶轮轴向方向快速进给到最终加工位置，完成多整体叶轮一次性加工。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (4)

1.一种等厚弧形端面叶轮电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将叶轮毛坯装夹；在叶轮毛坯外围安装近成形阴极；

2)所述近成形阴极沿叶轮毛坯的轴向快速进给到指定加工位置，完成对整体叶轮的一次性加工成形；

所述近成形阴极由阴极块组成，所述阴极块数量与待加工叶片数量相同；

所述阴极块包括底端弧形曲面、侧边刃和绝缘侧壁；所述阴极块底端弧形曲面为近成形弧形基体曲面；以夹角θ_i＝30°所在弧形曲线为边界，将阴极底端弧形曲面S₁划分为区域I和区域II，其中，区域I为夹角θ_i≤30°所在区域，区域II为夹角θ_i＞30°区域，θ_i为不同位置处基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间的夹角；则区域I法向平衡间隙Δ_i1：

区域II侧面平衡间隙Δ_i2：

式中，η为电流效率；ω为阳极金属的体积电化学当量，k为电解液电导率，U为工件阳极电位，v为阴极进给速度，θ_i1为区域I内基体曲面的法向量n_i与叶轮轴向向量P之间夹角，h为区域II内任意位置与夹角θ_i＝30°所在弧形曲线为边界所在平面的轴向距离。

2.根据权利要求1所述的等厚弧形端面叶轮电解加工方法，其特征在于，对所述阴极块底部曲面区域I和区域II平衡间隙做线性插值修整，取修整后平衡间隙：

Δ_i＝μΔ_i (3)；

具体以θ_i＝30°为边界，当计算区域I内法向平衡间隙时，间隙修正系数：

根据阴极沿轴向进给速度v的不同，γ₁在γ₁＝0.1～0.05范围内取值；

当计算区域II内侧面平衡间隙时，修正系数：

γ₁在γ₂＝0.1～0.35范围内取值；

式中，x_i1为区域I内弧形端面上任意位置与θ_i＝30°边界所在平面的轴向距离，H＝max{x_i1}；x_i2为区域II内弧形端面上任意位置与θ_i＝30°边界所在平面的轴向距离，h＝max{x_i2}。

3.根据权利要求1所述的等厚弧形端面叶轮电解加工方法，其特征在于，所述阴极块的侧边刃宽度b的确定采用层切法，将阴极块侧边等分成N层，侧边刃宽b：

式中，Δ_s为侧边加工间隙，x₀为阴极沿进给方向最底端处加工间隙；Δ_b为阴极沿进给方向加工间隙。

4.一种用于权利要求1至3任一项所述的等厚弧形端面叶轮电解加工方法的工装夹具，其特征在于，包括夹具底座、背压阻流装置、阴极罩、定位心轴、均流锥形块和阴极定位板，所述夹具底座、背压阻流环和阴极罩围成空腔区域；所述定位心轴安装在定位板上，位于所述空腔区域内，所述均流锥形块安装在定位心轴顶部；所述阴极定位板安装在所述阴极罩顶部；所述背压阻流装置包括阻流环和阻流罩，所述阻流环和阻流罩之间形成S形电解液流出通道。