CN107824918A - 辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统及方法，属于电解磨削复合加工领域。包括电源、工具阴极（1）、主轴（6）、叶盘毛坯（2）、支撑轴（5）、辅助喷嘴（10）。上述辅助喷嘴（10）具有与待加工槽相同的截面形状，并正对于叶盘毛坯（2）待加工面。上述所述工具阴极（1）定位于辅助喷嘴（10）与叶盘毛坯（2）待加工面之间，且与两者均保持较小的初始间隙。加工时，上述工具阴极（1）和辅助喷嘴（10）同时向叶盘毛坯（2）加工区域提供电解液，且辅助喷嘴（10）内电解液压力大于工具阴极（1）内电解液压力。本发明可有效约束电解液在已加工区域的流动，改善加工间隙内流场均匀性，提高整体叶盘电解铣磨加工的效率及稳定性。

Description

辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统及方法
技术领域
本发明涉及一种辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统及方法，属于电解磨削复合加工领域。
背景技术
整体叶盘是新型航空发动机的核心部件之一，其质量决定了发动机的性能和寿命。整体叶盘将叶片和轮盘构成一个整体，省去了传统连接需要的榫头、榫槽和锁紧装置，从而减少了零件数量和结构重量，避免了溢流压力的损失，使得航空发动机的工作效率和推重比大幅度提高。整体叶盘多采用钛合金、高温合金等难切削材料，其锻造毛坯一般为矮圆柱状，从毛坯到成品的加工过程中，约有90%的材料被去除，而绝大部分需要在叶栅通道的开槽粗加工阶段完成。因此,高效的开槽粗加工是实现整体叶盘高效加工、缩短研制周期的关键。
目前，整体叶盘的开槽加工方法主要有数控铣削、电火花加工和电解加工。由于材料难切削且去除量大、叶片形面薄，采用数控铣削加工时不仅刀具磨损严重，而且叶片极易变形，使得加工效率低、加工成本高。当采用电火花加工时，不仅加工效率仍然十分有限，而且加工表面易形成再铸层和热影响区，会损害整体叶盘的工作寿命。电解加工是利用金属工件在电解液中发生阳极溶解的原理来去除材料，具有刀具无损耗、加工效率高、表面质量好等优点，但对于复杂型面的加工，往往需要面临着复杂的阴极结构设计，延长了加工周期。此外，钛合金在电化学溶解过程中，工件表面极易形成高电阻性、结构致密的钝化膜，会阻碍电解反应的进行。因此，在电解加工钛合金时通常选用含有氯离子的活性电解液提高去除效率，但又引起严重的杂散腐蚀。显然，对整体叶盘叶珊通道研究新的高效加工方法有着重要的意义。
电解铣磨复合加工是一种新型的制造技术，即采用棒状磨头作为工具阴极，以类似于立式数控铣削的方式进行加工运动控制，利用电化学阳极溶解和机械磨削的复合加工机理实现工件的材料去除过程。与电解加工相比，电解铣磨复合加工能使用钝性电解液如NaNO3溶液等加工钛合金，同时避免了复杂的阴极结构设计，具有更高的加工效率、加工柔性。此外，由于大部分金属材料是通过电化学阳极溶解去除的，因此该技术也具有较小的刀具磨损，并适合加工薄壁等易变形结构。特别是当采用内喷液式工具阴极时（即电解液从工具阴极侧壁若干出液孔直接喷向加工区域），单次走刀所去除的材料厚度可显著提高。显然，对于改善整体叶盘开槽粗加工的效率，该技术是一种非常有潜能的方法。
当电解铣磨加工整体叶盘时，需要采用内喷液式工具阴极，并预先设置切深和运动轨迹，通过单次走刀即可实现叶珊通道的开槽粗加工。然而，由于加工间隙内电解液流阻较大，且加工时工具阴极旋转，因此大量的电解液会在已加工区域快速流失，导致加工间隙内出现电解液流量减小、流速分布不均现象，易引起加工稳定性变差，不利于提高加工效率。该问题严重制约了电解铣磨加工技术在整体叶盘开槽粗加工领域的推广及工业应用。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统及方法，可减少电解液在已加工区域的流失，改善加工间隙内流场均匀性，提高加工效率及稳定性。
一种辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统，
包括电源、工具阴极、主轴、叶盘毛坯、支撑轴；上述电源正、负极分别与所述叶盘毛坯、工具阴极相连；上述工具阴极具有圆筒型结构，侧壁布有金刚石磨粒层及若干出液孔；所述工具阴极装夹在主轴的末端，可随主轴一起旋转并做直线进给运动；所述叶盘毛坯可随其支撑轴一起旋转；
其特征在于：还包括辅助喷嘴；
所述辅助喷嘴正对于叶盘毛坯待加工面，其喷嘴出口截面形状与所加工槽截面形状完全一致；
所述工具阴极定位于辅助喷嘴与叶盘毛坯待加工面之间，且与两者保持初始间隙；
所述工具阴极基体、主轴、支撑轴、辅助喷嘴均采用不锈钢材料。
一种辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统的方法，其特征在于：
加工时，工具阴极和辅助喷嘴同时向叶盘毛坯加工区域提供电解液，且辅助喷嘴内电解液压力大于工具阴极内电解液压力，然后开始电解铣磨整体叶盘开槽加工；
当一个叶珊通道加工出后，先退出工具阴极，再对叶盘毛坯旋转分度，重复加工，直至加工出全部的叶珊通道。
本发明具有以下优点：
1、与常规电解铣磨开槽加工相比，通过外置的辅助喷嘴向流阻较小的区域喷射电解液，增加该部分的流阻，约束已加工区域内电解液的流动，使电解液尽可能地从工具阴极与加工面之间的加工间隙内流出（见图3、图4）。利用有限元计算分析技术，可得到常规电解铣磨开槽加工的流速分布（见图5）和辅助冲液电解铣磨开槽加工的流速分布（见图6）。当施加辅助冲液后，电解液在已加工区域内流动被抑制，加工区域内流速明显提高，且流场均匀性显著改善。因此，采用辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘叶珊通道有利于提高加工效率、缩短整体叶盘的制造周期。
2、本发明采用内喷液和辅助冲液同时向加工区域提供电解液，电解液不仅可从工具阴极侧壁出液孔直接喷射到加工间隙内，还可减少电解液在已加工区域内的流失。即使大切深、大余量加工时，这种供液方式可促进加工间隙内加工产物的快速排出，并及时、均匀地更新电解液，有利于改善电解铣磨高效加工时的加工稳定性，避免因加工产物排出不及时引起的火花放电、短路等现象发生。
3、本发明可根据叶盘毛坯待加工尺寸设计工具阴极的直径、切深及其出液孔的分布和数量，也可根据所需加工叶珊通道的形状设计辅助喷嘴截面形状，即可为多种型号的整体叶盘进行开槽加工。在加工过程中，利用工具阴极与叶盘毛坯的数控合成运动产生叶珊通道的加工轨迹，这些特点使得本发明具有较高的柔性，也可用于复杂型面扩压器和机匣类零件的电解铣磨加工。
4、本发明采用的工具阴极基体、主轴、支撑轴、辅助喷嘴均为耐腐蚀的不锈钢材料，可多次使用，降低了整体叶盘开槽加工的制造成本。
附图说明
图1辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统示意图；
图2一种内喷液式工具阴极示意图；
图3常规电解铣磨开槽加工示意图；
图4辅助冲液电解铣磨开槽加工示意图；
图5常规电解铣磨加工区域XY切面内流速分布图
图6辅助冲液电解铣磨加工区域XY切面内流速分布图
图中标号名称为：1、工具阴极；2、叶盘毛坯；3、夹头螺帽；4、压板；5、支撑轴；6、主轴；7、供液方向；8、电源；9、工作台；10、辅助喷嘴；11、辅助冲液方向；12、工具阴极盲孔；13、金刚石磨粒层；14、工具阴极出液孔；15、电解液流失方向；16、电解液约束方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1、图2和图4所示，工具阴极1通过夹头螺帽3装夹于具有通孔的主轴6末端，叶盘毛坯2通过压板4装夹于工作台9的支撑轴5上。工具阴极1接电源8负极，叶盘毛坯2接电源8正极。工具阴极1具有盲孔12和若干出液孔13，并镀有金刚石磨粒层13。辅助喷嘴10具有与叶盘毛坯2所加工槽相同的截面形状，并正对于叶盘毛坯2待加工面。工具阴极1在加工前定位于辅助喷嘴10与叶盘毛坯2待加工面之间，且与两者保持均较小的初始间隙。加工时，电解液分别沿着供液方向7和辅助冲液方向11从工具阴极1侧壁出液孔14及辅助喷嘴10喷向叶盘毛坯待加工面，并调节电解液压力，使辅助喷嘴10的冲液压力高于工具阴极1的供液压力。打开电源8，设定所需的工作电压。通过设置数控程序，工具阴极1可随主轴6以一定转速旋转并以一定速度做直线运动，而叶盘毛坯2可随其支撑轴5以一定转速旋转。在电化学阳极腐蚀和磨削作用下，叶盘毛坯2的材料被去除，直至加工出一个叶珊通道。当一个叶珊通道被加工好后，先退出工具阴极1，对叶盘毛坯2旋转分度（角度=360o/叶片数量），重复上述步骤，加工下一个叶珊通道，如此反复加工，直至在叶盘毛坯2上形成等间距的的叶珊通道。
如图3所示，在常规电解铣磨开槽加工中，由于电解液在流动中容易出现流阻差异性大等情况，导致大量电解液在流阻小的已加工区域流失，使得流阻大的加工间隙内电解液减少。在供液压力0.6MPa，工具阴极直径10mm、切深30mm，极间间隙0.4mm、槽长15.4mm的仿真条件下，根据图5所示XY切面内流速分布图可知，加工间隙内有明显的低流速区域，且加工间隙内流速分布均匀性较差，这将引起叶盘毛坯2待加工面上各处电化学溶解的速度不一致，若进一步提高工具阴极1的进给速度，会出现火花放电、短路等现象，造成加工稳定性变差、加工效率降低。
如图4所示，在辅助冲液电解铣磨开槽加工中，由于辅助喷嘴10提供的电解液具有更高的冲液压力，将约束已加工区域内的电解液流动，导致该区域的流阻增大，使得电解液尽可能的从加工间隙内流出。在辅助冲液压力1.0MPa，其余仿真条件相同的情况下，根据图6所示XY切面内流速分布图可知，电解液在已加工区域的流失被显著抑制，加工间隙内电解液流速增加、流场均匀性明显提高。这有利于于进一步提高工具阴极1的进给速度，改善加工效率和加工稳定性。
本发明能有效提高电解磨铣加工整体叶盘的效率和稳定性，但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该说明的是，对于本领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改善，这些均应落入本发明专利的保护。

Claims (2)

1.一种辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统，
包括电源（8）、工具阴极（1）、主轴（6）、叶盘毛坯（2）、支撑轴（5）；上述电源（8）正、负极分别与所述叶盘毛坯（2）、工具阴极（1）相连；上述工具阴极（1）具有圆筒型结构，侧壁布有金刚石磨粒层（13）及若干出液孔（14）；所述工具阴极（1）装夹在主轴（6）的末端，可随主轴（6）一起旋转并做直线进给运动；所述叶盘毛坯（2）可随其支撑轴（5）一起旋转；
其特征在于：还包括辅助喷嘴（10）；
所述辅助喷嘴（10）正对于叶盘毛坯（2）待加工面，其喷嘴出口截面形状与所加工槽截面形状完全一致；
所述工具阴极（1）定位于辅助喷嘴（10）与叶盘毛坯（2）待加工面之间，且与两者保持初始间隙；
所述工具阴极（1）基体、主轴（6）、支撑轴（5）、辅助喷嘴（10）均采用不锈钢材料。
2.利用权利要求1所述辅助冲液电解铣磨加工整体叶盘系统的方法，其特征在于：
加工时，工具阴极（1）和辅助喷嘴（10）同时向叶盘毛坯（2）加工区域提供电解液，且辅助喷嘴（10）内电解液压力大于工具阴极（1）内电解液压力，然后开始电解铣磨整体叶盘开槽加工；
当一个叶珊通道加工出后，先退出工具阴极（1），再对叶盘毛坯（2）旋转分度，重复加工，直至加工出全部的叶珊通道。
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