CN110076405A - 用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极 - Google Patents

用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极 Download PDF

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CN110076405A CN201910387342.6A CN201910387342A CN110076405A CN 110076405 A CN110076405 A CN 110076405A CN 201910387342 A CN201910387342 A CN 201910387342A CN 110076405 A CN110076405 A CN 110076405A
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王科昌
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汪智
张旭
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23HWORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H3/00Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
    • B23H3/04Electrodes specially adapted therefor or their manufacture

Abstract

本发明提供了一种用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,包括设置于成形阴极一端并用于加工叶间流道的喉道区域的喉道工作段、设置于成形阴极中部并用于加工叶间流道的扩压区域的扩压工作段以及设置于成形阴极另一端并用于安装成形阴极的成形阴极安装柄,喉道工作段的端部具有用于引导电解液流动的导流端。振动装置驱动成形阴极进给时可以先利用喉道工作段加工叶间流道的喉道区域,然后成形阴极继续进给可以利用扩压工作段加工叶间流道的扩压区域。导流端可以引导加工间隙内的电解液均匀地从通道出口处流出,有效地避免通道出口处的流场紊乱。采用本发明的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极对通道进行电解加工,可以得到叶间流道。

Description

用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极
技术领域
本发明涉及径向扩压器叶间流道加工技术领域,特别地,涉及一种用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极。
背景技术
如图1所示,径向扩压器1的主要结构特点如下:沿径向扩压器1的圆周方向均匀分布着多个叶间流道4,叶间流道4作为空气流道用于径向扩压器1进气和扩压。如图2、图3、图4、图5和图6所示,叶间流道4狭窄且为异形深腔,包括用于进气的喉道区域41和用于扩压的扩压区域42。
径向扩压器1的材料是GH4169,属于难切削材料,叶间流道4型面复杂且加工精度要求高,传统的机械加工方法不能实现叶间流道4的加工。
发明内容
本发明提供了一种用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,以解决传统的机械加工方法不能实现径向扩压器叶间流道的加工的问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,包括设置于成形阴极一端并用于加工叶间流道的喉道区域的喉道工作段、设置于成形阴极中部并用于加工叶间流道的扩压区域的扩压工作段以及设置于成形阴极另一端并用于安装成形阴极的成形阴极安装柄,喉道工作段的端部具有用于引导电解液流动的导流端。
进一步地,导流端的形状为锥形。
进一步地,喉道工作段的部分外表面涂有成形阴极绝缘层,以防止通道内壁过度加工。
进一步地,成形阴极绝缘层间隔布设在喉道工作段上。
进一步地,喉道工作段的外表面开设有凹槽,成形阴极绝缘层涂在凹槽内。
进一步地,喉道工作段的形状与喉道区域的形状相匹配。
进一步地,扩压工作段的形状与扩压区域的形状相匹配。
进一步地,成形阴极的三维造型设计方法包括以下步骤:a、将叶间流道进行三维实体造型;b、在叶间流道的深度方向上截取多个截面;c、根据等间隙原则得到成形阴极对应各个截面的边界曲线;d、对多个边界曲线进行拟合、光顺得到成形阴极的三维造型。
进一步地,步骤c中等间隙原则的间隙为0.2mm~0.4mm。
进一步地,步骤d之后还包括根据实际加工情况对成形阴极的三维造型进行优化的步骤。
本发明具有以下有益效果:
本发明的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极包括喉道工作段、扩压工作段以及成形阴极安装柄。成形阴极可以通过成形阴极安装柄安装在振动装置上。电解液从成形阴极的外部流过。振动装置驱动成形阴极进给时可以先利用喉道工作段加工叶间流道的喉道区域,然后成形阴极继续进给可以利用扩压工作段加工叶间流道的扩压区域。因为通道出口处的加工间隙变化剧烈,容易造成流场紊乱,从而影响电解加工精度。在喉道工作段的端部设置导流端后,导流端可以引导加工间隙内的电解液均匀地从通道出口处流出,有效地避免通道出口处的流场紊乱。采用本发明的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极对通道进行振动进给电解加工,可以得到叶间流道。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明优选实施例的径向扩压器的示意图;
图2是本发明优选实施例的叶间流道的示意图;
图3是图2的D-D剖面图;
图4是图2的E-E剖面图;
图5是图2的F-F剖面图;
图6是图2的G-G剖面图;
图7是本发明优选实施例的径向扩压器叶间流道加工方法的流程示意图;
图8是阴极与工件发生短路的示意图;
图9是本发明优选实施例的径向扩压器通道预处理方法的流程示意图;
图10是本发明优选实施例的通孔阴极的示意图;
图11是本发明优选实施例的径向扩压器叶间流道成形加工方法的流程示意图;
图12是本发明优选实施例的成形阴极的导流端开始进入通道内的示意图;
图13是本发明优选实施例的成形阴极的喉道工作段开始进入通道内的示意图;
图14是本发明优选实施例的成形阴极的扩压工作段开始加工叶间流道的扩压区域的示意图;
图15是本发明优选实施例的成形阴极的导流端开始加工叶间流道的喉道区域的示意图;
图16是本发明优选实施例的叶间流道加工完成的示意图;
图17是本发明优选实施例的成形阴极的正视图;
图18是本发明优选实施例的成形阴极的侧视图;
图19是图18中C部的局部示意图;
图20是本发明优选实施例的成形阴极三维造型设计方法的流程示意图;
图21是本发明优选实施例的叶间流道各截面尺寸数据的示意图;
图22是本发明优选实施例的成形阴极的三维造型的正视图;
图23是本发明优选实施例的成形阴极的三维造型的侧视图;
图24是本发明优选实施例的成形阴极在不同进给深度时加工间隙内压力分布的示意图;
图25是本发明优选实施例的成形阴极在不同进给深度时加工间隙内流速分布的示意图。
附图标记说明:
1、径向扩压器;2、通孔阴极;21、毛刺工作段;22、内壁工作段;23、通孔阴极安装柄;24、导液孔;25、通孔阴极绝缘层;3、成形阴极;31、喉道工作段;32、扩压工作段;33、成形阴极安装柄;34、导流端;35、成形阴极绝缘层;4、叶间流道;41、喉道区域;42、扩压区域。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明优选实施例的径向扩压器的示意图;图2是本发明优选实施例的叶间流道的示意图;图3是图2的D-D剖面图;图4是图2的E-E剖面图;图5是图2的F-F剖面图;图6是图2的G-G剖面图;图7是本发明优选实施例的径向扩压器叶间流道加工方法的流程示意图;图8是阴极与工件发生短路的示意图;图9是本发明优选实施例的径向扩压器通道预处理方法的流程示意图;图10是本发明优选实施例的通孔阴极的示意图;图11是本发明优选实施例的径向扩压器叶间流道成形加工方法的流程示意图;图12是本发明优选实施例的成形阴极的导流端开始进入通道内的示意图;图13是本发明优选实施例的成形阴极的喉道工作段开始进入通道内的示意图;图14是本发明优选实施例的成形阴极的扩压工作段开始加工叶间流道的扩压区域的示意图;图15是本发明优选实施例的成形阴极的导流端开始加工叶间流道的喉道区域的示意图;图16是本发明优选实施例的叶间流道加工完成的示意图;图17是本发明优选实施例的成形阴极的正视图;图18是本发明优选实施例的成形阴极的侧视图;图19是图18中C部的局部示意图;图20是本发明优选实施例的成形阴极三维造型设计方法的流程示意图;图21是本发明优选实施例的叶间流道各截面尺寸数据的示意图;图22是本发明优选实施例的成形阴极的三维造型的正视图;图23是本发明优选实施例的成形阴极的三维造型的侧视图;图24是本发明优选实施例的成形阴极在不同进给深度时加工间隙内压力分布的示意图;图25是本发明优选实施例的成形阴极在不同进给深度时加工间隙内流速分布的示意图。
如图7和图8所示,本实施例的径向扩压器叶间流道加工方法,包括以下步骤:S1、通过铸造得到具有通道的径向扩压器1,通道的数量和位置分布与叶间流道4相匹配;S2、通道预处理:采用通孔阴极2对径向扩压器1的通道进行振动进给电解加工,将通道打通并消除通道内壁的不均匀余量;S3、叶间流道成形加工:采用成形阴极3对通道进行振动进给电解加工,按照成形阴极3的形状消除通道内壁的余量,得到叶间流道4;S4、对叶间流道4进行精加工。
本发明的径向扩压器叶间流道加工方法,先通过铸造得到具有通道的径向扩压器1,通道为处于径向扩压器1内两端开口的空腔。在径向扩压器1的铸造过程中,通道开口处容易产生毛刺且通道内壁的余量不均匀。如果直接采用成形阴极3对通道进行成形加工,成形阴极3容易与毛刺以及通道内壁接触发生短路,导致成形阴极3发生烧伤,并导致通道内壁过度加工,使成形加工的精度大大降低。因此先采用通孔阴极2对通道进行振动进给电解加工,消除毛刺将通道打通并消除通道内壁的不均匀余量,防止成形阴极3发生短路。通过通孔阴极2对通道进行预处理,并留有一定的余量,为成形加工创造条件。然后采用成形阴极3对通道进行振动进给电解加工,按照成形阴极3的形状消除通道内壁的余量,从而得到叶间流道4。通过成形阴极3对通道进行成形加工,并留有一定的余量,为精加工创造条件。最后对叶间流道4进行精加工,提高叶间流道4的精度。电解加工,是从电解液入口向阴极与工件之间的加工间隙内通入电解液,通电发生电化学反应使工件腐蚀溶解,并通过阴极持续进给从而对工件进行加工。振动进给电解加工,即是在阴极持续进给的同时,附加一个沿进给方向且规律可控的周期性振动。单个振动周期中,阴极向工件移动时,加工间隙逐渐减小,加工间隙内的电流密度逐渐增大,电解产物逐渐增多,加工间隙内的压力逐渐升高;阴极远离工件时,加工间隙逐渐增大,加工间隙内的电流密度逐渐减小,电解产物逐渐减少,加工间隙内的压力逐渐降低,迫使周围的电解液涌入加工间隙内,加工间隙内的电解产物被快速冲刷出去,加工间隙内的电解液得到更新。在此过程中,加工间隙内的压力变化引起的抽吸作用使加工间隙内的电解液及时得到更新,加工间隙内的物化条件得到改善,流场更加稳定,电流密度更加均匀,从而实现小间隙加工、大间隙冲刷,提高加工间隙内的电流密度的一致性,提高电解加工的精度。本发明的径向扩压器叶间流道加工方法采用振动进给电解加工能够实现径向扩压器1的叶间流道4的加工,且加工效率高、加工质量好、阴极无损耗。可选地,通过旋转径向扩压器1来更换通道,以便依次进行各个叶间流道4的加工。可选地,采用电火花加工对叶间流道4进行精加工。
如图8和图9所示,本实施例中,步骤S2中的通道预处理具体包括以下步骤:S21、准备电解加工环境;S22、采用通孔阴极2以5mm/min~6mm/min的速度进给,对径向扩压器1的通道进行振动进给电解加工,利用通孔阴极2的毛刺工作段21将通道打通;S23、采用通孔阴极2以3mm/min~4mm/min的速度进给,对通道进行振动进给电解加工,利用通孔阴极2的内壁工作段22消除通道内壁的不均匀余量。
本发明的径向扩压器通道预处理方法,先准备好电解加工环境,然后采用通孔阴极2以5mm/min~6mm/min的速度进给,对径向扩压器1的通道进行振动进给电解加工,通孔阴极2的毛刺工作段21可以消除毛刺将通道打通,避免成形阴极3对通道进行振动进给电解加工时成形阴极3与毛刺接触发生短路,避免成形阴极3被烧伤。通孔阴极2以5mm/min~6mm/min的速度进给,使得通孔阴极2的进给速度小于毛刺的电化学腐蚀速度,通孔阴极2的毛刺工作段21与毛刺不会接触,使电解加工能够顺利进行。最后采用通孔阴极2以3mm/min~4mm/min的速度进给,对通道进行振动进给电解加工,通孔阴极2的内壁工作段22可以消除通道内壁的不均匀余量,避免成形阴极3对通道进行振动进给电解加工时成形阴极3与通道内壁接触发生短路,避免成形阴极3被烧伤,避免通道内壁过度加工。通孔阴极2以3mm/min~4mm/min的速度进给,使得通孔阴极2的进给速度小于通道内壁的电化学腐蚀速度,通孔阴极2的内壁工作段22与通道内壁不会接触,使电解加工能够顺利进行。通过通孔阴极2对通道进行预处理,并留有一定的余量,为成形加工创造条件,进而得到叶间流道4。
本实施例中,步骤S21具体包括以下步骤:将通孔阴极2的通孔阴极安装柄23安装在振动装置上,将径向扩压器1与电源的正极连接,将通孔阴极2与电源的负极连接,使电源在径向扩压器1与通孔阴极2之间施加电压,从电解液入口向通孔阴极2的导液孔24内通入电解液并使电解液通过通道从电解液出口流出。振动装置可以驱动通孔阴极2进给并振动,通过电源在径向扩压器1与通孔阴极2之间施加电压,通过电解液入口向通道内通入电解液,使径向扩压器1与通孔阴极2之间产生电流,从而准备好电解加工环境。可选地,步骤S22具体包括以下步骤:采用振动装置使通孔阴极2以5mm/min~6mm/min的速度沿通道的深度方向进给并同时使通孔阴极2沿通道的深度方向振动对通道进行振动进给电解加工。可选地,步骤S23具体包括以下步骤:采用振动装置使通孔阴极2以3mm/min~4mm/min的速度继续沿通道的深度方向进给并同时使通孔阴极2沿通道的深度方向振动对通道进行振动进给电解加工。
本实施例中,振动的频率均为20Hz~30Hz,振动的振幅均为0.3mm~0.6mm。通孔阴极2振动的频率越高,加工间隙内的压力变化越频繁,加工间隙内的电解液更新越及时,有利于电解加工的顺利进行。通孔阴极2的振动是通过振动装置的振动轴驱动的,考虑到振动轴的寿命,在保证电解加工顺利进行的前提下尽量选择较小的频率和振幅。可选地,电源施加的电压为15V~20V。可选地,电解液的成分为NaNO3或NaCl,电解液的电导率为15S/m~20S/m,电解液的温度为20℃~30℃。
本实施例中,电解液的入口压力为0.8Mpa~1.2Mpa,电解液的出口压力为0.1Mpa~0.3MPa。在电解液入口处施加一定的压力,使电解液从加工间隙内快速流过,以带走电解产物和电解产生的热量。在电解液出口处施加一定的压力,使电解液收敛,使加工间隙内的流场更均匀。
如图10所示,本实施例中,通孔阴极2包括设置于通孔阴极2一端并用于打通通道的毛刺工作段21、设置于通孔阴极2中部并用于消除通道内壁的不均匀余量的内壁工作段22、设置于通孔阴极2另一端并用于安装通孔阴极2的通孔阴极安装柄23以及贯穿通孔阴极2并用于供电解液通过的导液孔24,毛刺工作段21的径向尺寸小于内壁工作段22的径向尺寸,以便于毛刺工作段21打通通道后内壁工作段22消除通道内壁的不均匀余量。通孔阴极2可以通过通孔阴极安装柄23安装在振动装置上。通孔阴极2内部设有导液孔24,电解液通过导液孔24流入通道内,使流场更均匀。毛刺工作段21的径向尺寸小于内壁工作段22的径向尺寸,振动装置驱动通孔阴极2进给时可以先利用毛刺工作段21消除毛刺将通道打通,然后通孔阴极2继续进给可以利用内壁工作段22加工通道内壁,消除通道内壁的不均匀余量,使通道内壁的余量趋于均匀。可选地,通孔阴极安装柄23通过螺栓安装在振动装置上。
如图10所示,本实施例中,内壁工作段22的部分外表面涂有通孔阴极绝缘层25,以防止通道内壁过度加工。将内壁工作段22的部分外表面涂上通孔阴极绝缘层25,可以减少内壁工作段22的工作面的面积,并对电解加工时的电场起到屏蔽作用,防止通道内壁过度加工,提高通道内壁的加工精度。
如图10所示,本实施例中,通孔阴极绝缘层25间隔布设在内壁工作段22上。通孔阴极绝缘层25间隔布设在内壁工作段22上,通孔阴极绝缘层25将内壁工作段22的工作面分隔开来,使工作面与通孔阴极绝缘层25交替布设,可以在防止通道内壁过度加工的前提下,保证电解加工的顺利进行。
如图10所示,本实施例中,内壁工作段22的外表面开设有凹槽,通孔阴极绝缘层25涂在凹槽内。通孔阴极绝缘层25涂在凹槽内,使内壁工作段22上涂有通孔阴极绝缘层25的位置也不会凸起,保证电解加工的顺利进行。可选地,凹槽采用环绕内壁工作段22的外表面开设的环槽。可选地,环槽设置为多个,多个环槽间隔布设在内壁工作段22的外表面上,使通孔阴极绝缘层25间隔布设在内壁工作段22上。
如图11、图12、图13、图14、图15和图16所示,本实施例中,步骤S3中的叶间流道成形加工具体包括以下步骤:S31、准备电解加工环境;S32、在成形阴极3的导流端34开始进入径向扩压器1的通道内之后,使成形阴极3以9mm/min~11mm/min的速度进给并采用直流电对通道进行电解加工;S33、在成形阴极3的喉道工作段31开始进入通道内之后,使成形阴极3以7mm/min~9mm/min的速度进给并采用直流电对通道进行电解加工;S34、在成形阴极3的扩压工作段32开始加工叶间流道4的扩压区域42之后,使成形阴极3以7mm/min~9mm/min的速度进给并采用脉冲电对通道进行电解加工;S35、在成形阴极3的导流端34开始加工叶间流道4的喉道区域41之后,使成形阴极3以1mm/min~3mm/min的速度进给并采用脉冲电对通道进行振动进给电解加工。
本发明的径向扩压器叶间流道成形加工方法,先准备好电解加工环境,然后采用分段式的加工方法对叶间流道4进行成形加工。在成形阴极3的导流端34开始进入径向扩压器1的通道内之后,成形阴极3的导流端34的径向尺寸要小于通道的径向尺寸。在此段加工区域内,使成形阴极3以9mm/min~11mm/min的速度进给,对通道进行电解加工,可以减少通道内壁的杂散腐蚀,保证电解加工顺畅且不发生短路。为了提高电解加工速度,可以采用直流电。然后成形阴极3继续进给使成形阴极3的喉道工作段31开始进入通道内,为了避免成形阴极3的喉道工作段31与通道内壁接触造成短路导致加工中断。在此段加工区域内,使成形阴极3以7mm/min~9mm/min的速度进给并采用直流电对通道进行电解加工。然后成形阴极3继续进给使成形阴极3的扩压工作段32开始加工叶间流道4的扩压区域42,使成形阴极3以7mm/min~9mm/min的速度进给,对通道进行电解加工。在此段加工区域内,成形阴极3的喉道工作段31完全进入通道内,成形阴极3的喉道工作段31与通道内壁之间一直形成封闭的电场,为了减少通道内壁的杂散腐蚀,可以采用脉冲电。最后成形阴极3继续进给使成形阴极3的导流端34开始加工叶间流道4的喉道区域41,成形阴极3与通道之间的加工间隙逐渐变小,电解液更新困难,电解产物很难被带走,极易发生短路现象。在此段加工区域内,使成形阴极3以1mm/min~3mm/min的速度进给并采用脉冲电对通道进行振动进给电解加工,保证加工间隙内的电解液及时更新,保证流场的均匀性,保证成形阴极3不发生短路。采用脉冲电进行振动进给电解加工时,成形阴极3振动使加工间隙为小间隙时脉冲电源通电进行电解加工,成形阴极3振动使加工间隙为大间隙时脉冲电源断电停止电解加工,可以将电解加工控制在小间隙内进行,控制单个振动周期中的有效加工时间,提高电解加工的定域性,从而获得更高的加工精度。采用成形阴极3对通道进行振动进给电解加工,可以得到叶间流道4。
本实施例中,步骤S31具体包括以下步骤:将成形阴极3的成形阴极安装柄33安装在振动装置上,将径向扩压器1与电源的正极连接,将成形阴极3与电源的负极连接,使电源在径向扩压器1与成形阴极3之间施加电压,从电解液入口向通道内通入电解液并使电解液从电解液出口流出。振动装置可以驱动成形阴极3进给并振动,通过电源在径向扩压器1与成形阴极3之间施加电压,通过电解液入口向通道内通入电解液,使径向扩压器1与成形阴极3之间产生电流,从而准备好电解加工环境。可选地,步骤S32具体包括以下步骤:采用振动装置使成形阴极3以9mm/min~11mm/min的速度沿通道的深度方向进给并采用电源输出直流电对通道进行电解加工。可选地,步骤S33具体包括以下步骤:采用振动装置使成形阴极3以7mm/min~9mm/min的速度继续沿通道的深度方向进给并采用电源输出直流电对通道进行电解加工。可选地,步骤S34具体包括以下步骤:采用振动装置使成形阴极3以7mm/min~9mm/min的速度继续沿通道的深度方向进给并采用电源输出脉冲电对通道进行电解加工。可选地,步骤S35具体包括以下步骤:采用振动装置使成形阴极3以1mm/min~3mm/min的速度继续沿通道的深度方向进给同时使成形阴极3沿通道的深度方向振动并采用电源输出脉冲电对通道进行振动进给电解加工。
本实施例中,振动的振幅为0.3mm~0.6mm,振动的频率为20Hz~30Hz。成形阴极3振动的频率越高,加工间隙内的压力变化越频繁,加工间隙内的电解液更新越及时,有利于电解加工的顺利进行。成形阴极3的振动是通过振动装置的振动轴驱动的,考虑到振动轴的寿命,在保证电解加工顺利进行的前提下尽量选择较小的频率和振幅。可选地,电源施加的电压为10V~15V。可选地,电解液的成分为NaNO3或NaCl,电解液的电导率为15S/m~20S/m,电解液的温度为20℃~30℃。
本实施例中,电解液的入口压力为0.8Mpa~1.2Mpa,电解液的出口压力为0.1Mpa~0.3MPa。在电解液入口处施加一定的压力,使电解液从加工间隙内快速流过,以带走电解产物和电解产生的热量。在电解液出口处施加一定的压力,使电解液收敛,使加工间隙内的流场更均匀。可选地,脉冲电的脉冲宽度均为4ms~6ms,脉冲电的脉冲间歇均为1ms~3ms。
如图17和图18所示,本实施例中,成形阴极3包括设置于成形阴极3一端并用于加工叶间流道4的喉道区域41的喉道工作段31、设置于成形阴极3中部并用于加工叶间流道4的扩压区域42的扩压工作段32以及设置于成形阴极3另一端并用于安装成形阴极3的成形阴极安装柄33,喉道工作段31的端部具有用于引导电解液流动的导流端34。
本发明的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极包括喉道工作段31、扩压工作段32以及成形阴极安装柄33。成形阴极3可以通过成形阴极安装柄33安装在振动装置上。电解液从成形阴极3的外部流过。振动装置驱动成形阴极3进给时可以先利用喉道工作段31加工叶间流道4的喉道区域41,然后成形阴极3继续进给可以利用扩压工作段32加工叶间流道4的扩压区域42。因为通道出口处的加工间隙变化剧烈,容易造成流场紊乱,从而影响电解加工精度。在喉道工作段31的端部设置导流端34后,导流端34可以引导加工间隙内的电解液均匀地从通道出口处流出,有效地避免通道出口处的流场紊乱。采用本发明的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极对通道进行振动进给电解加工,可以得到叶间流道4。可选地,成形阴极安装柄33通过螺栓安装在振动装置上。
如图19所示,本实施例中,导流端34的形状为锥形。导流端34呈锥形,使导流端34与喉道工作段31圆滑过渡,可以起到导流的作用。
如图19所示,本实施例中,喉道工作段31的部分外表面涂有成形阴极绝缘层35,以防止通道内壁过度加工。将喉道工作段31的部分外表面涂上成形阴极绝缘层35,可以减少喉道工作段31的工作面的面积,并对电解加工时的电场起到屏蔽作用,防止通道内壁过度加工,提高通道内壁的加工精度。
如图19所示,本实施例中,成形阴极绝缘层35间隔布设在喉道工作段31上。成形阴极绝缘层35间隔布设在喉道工作段31上,成形阴极绝缘层35将喉道工作段31的工作面分隔开来,使工作面与成形阴极绝缘层35交替布设,可以在防止通道内壁过度加工的前提下,保证电解加工的顺利进行。
如图19所示,本实施例中,喉道工作段31的外表面开设有凹槽,成形阴极绝缘层35涂在凹槽内。成形阴极绝缘层35涂在凹槽内,使喉道工作段31上涂有成形阴极绝缘层35的位置也不会凸起,保证电解加工的顺利进行。可选地,凹槽采用环绕喉道工作段31的外表面开设的环槽。可选地,环槽设置为多个,多个环槽间隔布设在喉道工作段31的外表面上,使成形阴极绝缘层35间隔布设在喉道工作段31上。
如图17所示,本实施例中,喉道工作段31的形状与喉道区域41的形状相匹配。喉道工作段31的形状与喉道区域41的形状相匹配,使叶间流道4成形加工完成后能得到正确形状的喉道区域41。
如图17所示,本实施例中,扩压工作段32的形状与扩压区域42的形状相匹配。扩压工作段32的形状与扩压区域42的形状相匹配,使叶间流道4成形加工完成后能得到正确形状的扩压区域42。
如图20、图21、图22和图23所示,本实施例中,成形阴极3的三维造型设计方法包括以下步骤:a、将叶间流道4进行三维实体造型;b、在叶间流道4的深度方向上截取多个截面;c、根据等间隙原则得到成形阴极3对应各个截面的边界曲线;d、对多个边界曲线进行拟合、光顺得到成形阴极3的三维造型。将叶间流道4进行三维实体造型后,在叶间流道4的深度方向上截取多个截面,将三维造型设计转换为二维设计,利用各个截面的尺寸数据,根据等间隙原则得到每个截面对应的成形阴极3的边界曲线,再利用拟合、光顺得到成形阴极3的三维造型。
本实施例中,步骤c中等间隙原则的间隙为0.2mm~0.4mm。等间隙原则即在截面的尺寸上缩小一定的间隙得到截面对应的成形阴极3的边界曲线,此处间隙为0.2mm~0.4mm。
本实施例中,步骤d之后还包括根据实际加工情况对成形阴极3的三维造型进行优化的步骤。最后,根据实际加工情况,对成形阴极3的三维造型进行优化,就能得到最终的成形阴极3的三维造型。
成形阴极3的三维造型确定后,还需要确定成形阴极3的内部结构。成形阴极3的内部结构具有两种可选方案:方案一采用中空设计,电解液流动方式为正流式,即电解液从成形阴极3内部流过;方案二采用实心设计,电解液流动方式为侧流式,即电解液从成形阴极3外部流过。由于成形阴极3的长径比大,方案一相对于方案二制造困难,加工成本高,加工周期长,所以采用方案二。
如图24和图25所示,为了验证方案二的成形阴极3在加工过程中的流场分布情况,利用ANSYS CFX流场仿真软件对成形阴极3进给到不同深度时加工间隙内的流场分布(压力、流速)情况进行分析。设定电解液入口的压力为0.8MPa、电解液出口的压力为0.2MPa。可以看出,方案二的加工间隙内的压力大,使进给深度大时更容易带走电解产物,并且方案二的流速分布均匀,可以保证加工间隙内的电解液流动均匀,且能保持适当高的流速带走电解产物并控制温升。
具体实施时,采用通孔阴极2对通道进行振动进给电解加工试验,试验参数如表1所示。
表1.通道振动进给电解加工试验参数
采用第1组试验参数时,通孔阴极2进给到8.3mm时发生短路,说明此时7mm/min的进给速度过大。采用第2组和第3组试验参数时,电解加工均能顺利进行下去,表明采用这两组参数合适。采用第4组试验参数时,通孔阴极2进给到11.6mm时发生短路。当振动的频率为20Hz,振动的振幅为0.3mm,电解液入口的压力为1Mpa,电解液出口的压力为0.2Mpa时,通孔阴极2不会发生短路现象。综合以上试验结果,最终采用如表2所示的参数进行通道振动进给电解加工。
表2.通道振动进给电解加工最终参数
利用最终的参数加工通道,整个加工过程稳定且未出现短路,加工后的通道可以满足成形加工的需要。
采用EMAG公司的电化学机床PTO-4000控制成形阴极3对通道进行成形加工,PTO-4000机床可以实现直流电流与脉冲电源、振动关闭与开启的切换,允许根据不同加工位置设置相应的加工参数。
将成形阴极3的导流端34对准径向扩压器1的通道,径向扩压器1旋转更换通道进行加工时不与成形阴极3发生干涉,将此位置定为Z=0mm,即成形阴极3的导流端34开始进入径向扩压器1的通道内。当Z=-20mm时,成形阴极3的喉道工作段31开始进入通道内。当Z=-40mm时,成形阴极3的扩压工作段32开始加工叶间流道4的扩压区域42。当Z=-100mm时,成形阴极3的导流端34开始加工叶间流道4的喉道区域41。
PTO-4000机床提供了过流保护功能,即每一个加工步骤都可以设置加工电流的范围,当加工电流超出这个范围电解加工就会终止。
计算成形阴极3在不同加工位置时的理论电流值:电流值可以由公式I=i·S计算,其中i表示电流密度(取电流密度为0.793A/mm2),S表示成形阴极3在叶间流道4的投影面积,S可以利用UG软件的分析功能得到。
表3.不同加工位置的电流值
加工位置(mm) 投影面积(mm<sup>2</sup>) 电流密度(A/mm<sup>2</sup>) 电流值(A)
0 0 0.793 0
-10 316.6 0.793 251
-20 353.4 0.793 280.2
-30 419 0.793 332.3
-40 488.7 0.793 387.3
-50 702.8 0.793 557.3
-60 854.2 0.793 677.4
-70 1016.2 0.793 805.8
-80 1267.1 0.793 1004.7
-90 1482.7 0.793 1175.8
-100 1703.4 0.793 1350.5
-110 1841.9 0.793 1460.6
-115 1980.3 0.793 1570.4
成形阴极3在不同加工位置时的电流值如表3所示,Z=-20mm时,理论电流值I=280.2A,步骤一的电流范围可以设置为100A~350A;Z=-40mm时,理论电流值I=387.3A,步骤二的电流范围可以设置为350A~500A;Z=-100mm时,理论电流值A=1350.5A,步骤三的电流范围可以设置为900A~1450A;Z=-115mm,理论电流值I=1570.4A,步骤四的电流范围可以设置为1450A~1800A。
通过以上对叶间流道4成形加工过程的分析,得到优化后的成形加工参数,如表4所示。
表4.优化后的成形加工参数
参数 步骤一 步骤二 步骤三 步骤四
加工位置(mm) -20 -40 -100 -115
进给速度(mm/min) 10 8 8 2.1
脉冲电源 / / ON ON
脉冲宽度(ms) / / 5 5
脉冲间歇(ms) / / 2 2
振动 / / / ON
振幅(mm) / / / 0.3
频率(Hz) / / / 30
电压(V) 10 12 15 15
Imin 100 350 500 1400
Imax 350 500 1450 1800
电解液入口压力(Mpa) 0.8 0.8 1.0 1.2
采用表4优化后的成形加工参数进行叶间流道4成形加工,加工过程比较稳定,未出现加工中断,加工效率大幅度提升,单个叶间流道4的加工时间只需20min。通过施加振动进给,叶间流道4成形加工的精度和一致性得到了提高,成形加工后叶间流道4经过三坐标测量后的结果显示,在叶间流道4的扩压区域42,为后续精加工留出的最大余量为0.4mm,大部分区域处于0.1mm~0.3mm的范围内;在叶间流道4的喉道区域41,为后续精加工留出的最大余量为0.6mm,大部分区域的余量处于0.2mm~0.5mm的范围内。
为了进一步验证叶间流道4成形加工的均匀性,将成形加工后的叶间流道4用电火花成型电极进行精加工,所有型面均有电火花加工过的痕迹,表明成形加工无过度加工现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
包括设置于所述成形阴极(3)一端并用于加工所述叶间流道(4)的喉道区域(41)的喉道工作段(31)、设置于所述成形阴极(3)中部并用于加工所述叶间流道(4)的扩压区域(42)的扩压工作段(32)以及设置于所述成形阴极(3)另一端并用于安装所述成形阴极(3)的成形阴极安装柄(33),
所述喉道工作段(31)的端部具有用于引导所述电解液流动的导流端(34)。
2.根据权利要求1所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述导流端(34)的形状为锥形。
3.根据权利要求1所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述喉道工作段(31)的部分外表面涂有成形阴极绝缘层(35),以防止所述通道内壁过度加工。
4.根据权利要求3所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述成形阴极绝缘层(35)间隔布设在所述喉道工作段(31)上。
5.根据权利要求3所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述喉道工作段(31)的外表面开设有凹槽,所述成形阴极绝缘层(35)涂在所述凹槽内。
6.根据权利要求1所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述喉道工作段(31)的形状与所述喉道区域(41)的形状相匹配。
7.根据权利要求1所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述扩压工作段(32)的形状与所述扩压区域(42)的形状相匹配。
8.根据权利要求1所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述成形阴极(3)的三维造型设计方法包括以下步骤:
a、将所述叶间流道(4)进行三维实体造型;
b、在所述叶间流道(4)的深度方向上截取多个截面;
c、根据等间隙原则得到所述成形阴极(3)对应各个所述截面的边界曲线;
d、对多个所述边界曲线进行拟合、光顺得到所述成形阴极(3)的三维造型。
9.根据权利要求8所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述步骤c中等间隙原则的间隙为0.2mm~0.4mm。
10.根据权利要求8所述的用于径向扩压器叶间流道成形加工的成形阴极,其特征在于,
所述步骤d之后还包括根据实际加工情况对所述成形阴极(3)的三维造型进行优化的步骤。
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