CN108015368B - 一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法 - Google Patents

一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法 Download PDF

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    • B23H3/00—Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
    • B23H3/04—Electrodes specially adapted therefor or their manufacture

Abstract

一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，属于电加工领域。该方法根据所加工的叶片的型面，制造出电极，生成电极三维模型，用ANSYS仿真软件，由阴极等量偏置处等位面的曲率，计算其电场强度；利用法拉第定律计算电流密度；由电场强度和电流密度，得到阴极型面各处理想的电导率；采用表面处理改变阴极电场集中区域的表面电导率，电解加工得到理想的叶片。该方法通过改变叶片成型电极前后缘区域的电导率，避免了由于前后缘区域电场集中、流畅紊乱造成的电解加工精度难以保证的问题，并能够有效降低电极设计难度，提高电极一次设计契合度，减少工艺开发中电极迭代次数，提高叶片前后缘部位的加工精度，使精密电解加工能够满足产品质量要求。

Description

一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法
技术领域
本发明涉及电加工技术领域，具体涉及一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法。
背景技术
随着航空工业的飞速发展，大量的先进加工技术被引用到航空发动机的生产中，电解加工应用于整体叶盘和叶片的精密高效加工，与数控铣削方法相比有着效率高、加工高强度/高硬度材料时电极(刀具)无损耗的优势。在传统的叶片成型电极设计中，电极加工区材料通常为单一金属材料，电极参与加工部分电导率处处相等。在电极形状设计时，通常采用cosθ法，但是cosθ法只是基于电场理论的一般性法则，且在θ角大于450时不再适用。而电解加工过程受到电场、流场、温度、电解产物等多种因素综合影响，使得叶片前后缘部位的加工精度难以保证。而针对进排气边缘区域，大都采用电位为位函数的偏微分方程数学模型，通过确定加工区域的闭合边界，在边界条件上体现流场、电解场等影响。但对该方程的精确求解却十分困难。另外，在电极迭代过程中，需要利用五轴数控高速铣对电极型面进行多次修正，对铣削加工精度要求极高，且不能保证修整到理想的型面状态。因此，传统电极设计方法使得叶片前后缘部位的加工精度难以保证。
在整体叶盘或叶片叶身型面电解加工中，由于叶片进排气边缘所处位置特殊、曲率半径较小、轮廓形状复杂，其电解溶解特性与叶身型面存在较大差异，电解加工成型规律更加复杂，进排气边缘的精密加工困难。
发明内容
针对现有技术出现的问题，本发明的目的是提供一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，该方法特别适用于整体叶盘或叶片类零件的前后缘的加工。该方法通过改变叶片成型电极前后缘区域的电导率，避免了由于前后缘区域电场集中、流畅紊乱造成的电解加工精度难以保证的问题，同时，本设计方法能够有效降低电极设计难度，提高电极一次设计契合度，减少工艺开发中电极迭代次数，提高叶片前后缘部位的加工精度，使整体叶盘和叶片类零件的精密电解加工能够满足产品质量要求。本方法能够在国产第四代航空发动机研制及后续生产中发挥巨大作用，具有广阔应用前景。在电极迭代阶段，可以利用同一加工程序一次加工出多组相同的电极头，仅通过改变电极前后缘部位电导率数值来完成迭代。
本发明的一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据所加工的叶片的型面，制造出电极，所述的电极包括叶盆电极和叶背电极；
所述的叶盆电极和叶背电极均为耐腐蚀金属材料，叶盆和叶背的型面为所加工的叶片叶身型面的等量偏置；
步骤2，根据制造出的电极各截面数据点，采用三维模拟软件，生成电极三维模型；
步骤3，对生成的电极三维模型，采用ANSYS仿真软件，以叶盆电极作为叶盆阴极，以叶背电极作为叶背阴极，根据叶盆阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶盆阴极等量偏置处等位面的电场强度，同时，根据叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度；
步骤4，根据叶片叶身型面预留余量、叶盆阴极的进给速度、叶背阴极的进给速度，利用法拉第定律计算阴极型面各处的电流密度；
步骤5，根据计算出的阴极等量偏置处等位面的电场强度和计算出的电流密度，计算得到阴极型面各处理想的电导率；
步骤6，采用表面处理方式改变叶背阴极和叶盆阴极电场集中区域的表面电导率，得到表面改性后的阴极，表面改性后的阴极在电解加工过程中，控制各反应区域参与电化学反应的电流密度，从而影响电化学反应速率，最后得到理想的叶片。
所述的步骤1中，所述的耐腐蚀金属材料为不锈钢或铜钨合金。
所述的步骤1中，所述的等量偏置的偏置量为加工结束时得到的叶片叶身与电极间的加工间隙，加工间隙小于等于0.1mm。
所述的步骤1中，所述的叶盆电极和叶背电极均采用机械加工的方法制造。
所述的步骤2中，所述的三维模拟软件优选为UG。
所述的步骤3中，通过叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算出叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度。所述的计算电场强度的计算公式为：
为电势，E为电场强度，H为阴极等量偏置处等位面的曲率；
所述的步骤3中，可知，阴极等量偏置处等位面的曲率H越大的地方，相应地其电场强度E就越强，电势越高，电化学反应速率越快。
所述的步骤4中，所述的计算阴极型面各处的电流密度，利用法拉第定律进行计算，其计算公式为：
电导率计算为：M＝ηKIt
其中，M为叶片叶身型面预留余量的质量，η为电流效率，K为比例常数(电化当量)，I为电流密度，t为通电时间。
所述的通电时间根据阴极的给进速度确定。
所述的步骤5中，所述的计算得到阴极型面各处理想的电导率，具体的计算公式为：
I＝σ·E
其中，σ为电导率，I为电流密度，E为电场强度。
所述的步骤6中，所述的表面改性的方法为表面涂覆方法或3D打印涂覆方法。
所述的表面改性的目的在于，对电极进排气边缘电场集中区域进行处理，改变该部位的电导率。
本发明的一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其有益效果为：
1.该方法通过改变叶片成型电极前后缘区域的电导率，避免了由于前后缘区域电场集中、流畅紊乱造成的电解加工精度难以保证的问题，该方法可以简化电极设计难度，减少工艺迭代次数，提高叶片前后缘部位的加工精度，使整体叶盘和叶片类零件的精密电解加工能够满足产品质量要求，年产值上亿元。
2.本方法能够在国产第四代航空发动机研制及后续生产中发挥巨大作用，具有广阔应用前景。在电极迭代阶段，可以利用同一加工程序一次加工出多组相同的电极头，仅通过改变电极前后缘部位电导率数值来完成迭代。
附图说明
图1为叶盆和叶背电极示意图；其中，1为叶盆电极，2为叶背电极；
图2为前后缘电场集中部位示意图；图中所指的圆圈部位3即为前后缘电场集中部位；
图3为前后缘表面处理部位示意图，图中所指的部位4为前后缘表面处理部位。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，除特殊说明，所采用的原料均为市购。
以下实施例中，所述的铜钨合金中，铜占铜钨合金的质量百分比为10～50％。
实施例1
一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据所加工的叶片的型面，采用机械加工的方法制造出电极，所述的电极包括叶盆电极1和叶背电极2；其示意图见图1。
所述的叶盆电极1和叶背电极2均为不锈钢耐腐蚀金属材料，叶盆和叶背的型面为所加工的叶片叶身型面的等量偏置；
所述的等量偏置的偏置量为加工结束时得到的叶片叶身与电极间的加工间隙，加工间隙为0.1mm。
步骤2，根据制造出的电极各截面数据点，采用UG三维模拟软件，生成电极三维模型；
步骤3，对生成的电极三维模型，采用ANSYS仿真软件，以叶盆电极作为叶盆阴极，以叶背电极作为叶背阴极，根据叶盆阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶盆阴极等量偏置处等位面的电场强度，同时，根据叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度；
通过叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算出叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度。所述的计算电场强度的计算公式为：
为电势，E为电场强度，H为阴极等量偏置处等位面的曲率；
经过计算，可知前后缘电场集中部位3见图2，阴极等量偏置处等位面的曲率H越大的地方，相应地其电场强度E就越强，电势越高，电化学反应速率越快。
步骤4，根据叶片叶身型面预留余量、叶盆阴极的进给速度、叶背阴极的进给速度，计算阴极型面各处的电流密度；
所述的计算阴极型面各处的电流密度，利用法拉第定律进行计算，其计算公式为：
电导率计算为：M＝ηKIt
其中，M为叶片叶身型面预留余量的质量，η为电流效率，K为比例常数(电化当量)，I为电流密度，t为通电时间。
所述的通电时间根据阴极的给进速度确定。
步骤5，根据计算出的阴极等量偏置处等位面的电场强度和计算出的电流密度，计算得到阴极型面各处理想的电导率，得到需改变电导率部位，即前后缘表面处理部位4见图3；
所述的计算得到阴极型面各处理想的电导率，具体的计算公式为：
I＝σ·E
其中，σ为电导率，I为电流密度，E为电场强度。
步骤6，采用表面涂覆C的方法改变叶背阴极和叶盆阴极电场集中区域的表面电导率，得到表面改性后的阴极，表面改性后的阴极在电解加工过程中，控制各反应区域参与电化学反应的电流密度，从而影响电化学反应速率，最后得到理想的叶片。
所述的表面改性的目的在于，对电极进排气边缘电场集中区域进行处理，改变该部位的电导率。
实施例2
一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据所加工的叶片的型面，采用机械加工的方法制造出电极，所述的电极包括叶盆电极1和叶背电极2；其示意图见图1。
所述的叶盆电极1和叶背电极2均为铜钨合金耐腐蚀金属材料，叶盆和叶背的型面为所加工的叶片叶身型面的等量偏置；
所述的等量偏置的偏置量为加工结束时得到的叶片叶身与电极间的加工间隙，加工间隙为0.08mm。
步骤2，根据制造出的电极各截面数据点，采用UG三维模拟软件，生成电极三维模型；
步骤3，对生成的电极三维模型，采用ANSYS仿真软件，以叶盆电极作为叶盆阴极，以叶背电极作为叶背阴极，根据叶盆阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶盆阴极等量偏置处等位面的电场强度，同时，根据叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度；
通过叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算出叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度。所述的计算电场强度的计算公式为：
为电势，E为电场强度，H为阴极等量偏置处等位面的曲率；
经过计算，可知前后缘电场集中部位3见图2，阴极等量偏置处等位面的曲率H越大的地方，相应地其电场强度E就越强，电势越高，电化学反应速率越快。
步骤4，根据叶片叶身型面预留余量、叶盆阴极的进给速度、叶背阴极的进给速度，计算阴极型面各处的电流密度；
所述的计算阴极型面各处的电流密度，利用法拉第定律进行计算，其计算公式为：
电导率计算为：M＝ηKIt
其中，M为叶片叶身型面预留余量的质量，η为电流效率，K为比例常数(电化当量)，I为电流密度，t为通电时间。
所述的通电时间根据阴极的给进速度确定。
步骤5，根据计算出的阴极等量偏置处等位面的电场强度和计算出的电流密度，计算得到阴极型面各处理想的电导率，得到需改变电导率部位，即前后缘表面处理部位4见图3；
所述的计算得到阴极型面各处理想的电导率，具体的计算公式为：
I＝σ●E
其中，σ为电导率，I为电流密度，E为电场强度。
步骤6，采用3D打印的方法改变叶背阴极和叶盆阴极电场集中区域的表面电导率，得到表面改性后的阴极，表面改性后的阴极在电解加工过程中，控制各反应区域参与电化学反应的电流密度，从而影响电化学反应速率，最后得到理想的叶片。
所述的表面改性的目的在于，对电极进排气边缘电场集中区域进行处理，改变该部位的电导率。

Claims (9)

1.一种叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据所加工的叶片的型面，制造出电极，所述的电极包括叶盆电极和叶背电极；
所述的叶盆电极和叶背电极均为耐腐蚀金属材料，叶盆和叶背的型面为所加工的叶片叶身型面的等量偏置；
步骤2，根据制造出的电极各截面数据点，采用三维模拟软件，生成电极三维模型；
步骤3，对生成的电极三维模型，采用ANSYS仿真软件，以叶盆电极作为叶盆阴极，以叶背电极作为叶背阴极，根据叶盆阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶盆阴极等量偏置处等位面的电场强度，同时，根据叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度；
步骤4，根据叶片叶身型面预留余量、叶盆阴极的进给速度、叶背阴极的进给速度，利用法拉第定律计算阴极型面各处的电流密度；
步骤5，根据计算出的阴极等量偏置处等位面的电场强度和计算出的电流密度，计算得到阴极型面各处理想的电导率；
步骤6，采用表面处理方式改变叶背阴极和叶盆阴极电场集中区域的表面电导率，得到表面改性后的阴极，表面改性后的阴极在电解加工过程中，控制各反应区域参与电化学反应的电流密度，从而影响电化学反应速率，最后得到理想的叶片。
2.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的耐腐蚀金属材料为不锈钢或铜钨合金。
3.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的等量偏置的偏置量为加工结束时得到的叶片叶身与电极间的加工间隙，加工间隙小于等于0.1mm。
4.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的叶盆电极和叶背电极均采用机械加工的方法制造。
5.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的三维模拟软件为UG。
6.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤3中，通过叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的曲率，计算出叶盆阴极或叶背阴极等量偏置处等位面的电场强度；所述的计算电场强度的计算公式为：
为电势，E为电场强度，H为阴极等量偏置处等位面的曲率。
7.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的计算阴极型面各处的电流密度，利用法拉第定律进行计算，其计算公式为：
电导率计算为：M＝ηKIt
其中，M为叶片叶身型面预留余量的质量，η为电流效率，K为电化当量，I为电流密度，t为通电时间。
8.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤5中，所述的计算得到阴极型面各处理想的电导率，具体的计算公式为：
I＝σ·E
其中，σ为电导率，I为电流密度，E为电场强度。
9.如权利要求1所述的叶片前后缘精密电解加工电极的设计方法，其特征在于，所述的步骤6中，所述的表面改性的方法为表面涂覆方法或3D打印涂覆方法。
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