CN110587047A - 一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮榫槽结构的超声辅助精密电解磨削加工方法，属于电解磨削加工技术领域，该方法是在电解磨削加工涡轮盘榫槽过程中辅助超声振动作用，在超声振动的带动下，当工具磨轮到达最大加工间隙附近时，进行电化学腐蚀作用促使榫槽加工表面形成钝化膜。当超声振动带动工具磨轮到达最小加工间隙附近时，进行机械磨削作用刮除榫槽表面的钝化膜，使其露出新的基体材料。控制超声振动信号参数与电信号参数的协调同步，保障上述电化学腐蚀过程和机械磨削过程持续交替进行，达到涡轮盘榫槽结构精密加工的效果。

Description

一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法
技术领域
本发明属于电解磨削加工技术领域，涉及一种涡轮榫槽结构的超声辅助精密电解磨削加工方法，具体的说是涉及一种可实现电化学腐蚀过程和机械磨削过程的交替复合作用，达到涡轮盘榫槽结构低成本、高质量加工目的的超声辅助精密电解磨削加工方法。
背景技术
涡轮盘是航空航天发动机中工作条件最为苛刻、最为重要的热端部件之一，是发动机涡轮关键部件的核心零件，其性能直接决定发动机的整体性能。在分体式涡轮转子中，工作叶片与涡轮盘通过榫接结构相连接，工作过程中，工作叶片和轮盘在高温高速燃气的推动作用下高速旋转，工作叶片与涡轮盘的接触状态也随运行时间、工况、配合间隙以及其他许多随机因素的改变而变化，接触部位的应力应变情况十分复杂。这对于涡轮榫槽型面轮廓精度及其表面质量都提出了很高的要求。
涡轮榫槽结构加工工艺过程复杂，通常在完成初步开槽之后，还要进行相应的粗、精加工才能达到涡轮盘榫槽结构的工艺需求。常规的机械加工方法，如铣削、拉削、磨削等，仍然存在刀具形状复杂、加工变形严重、加工效率低下、表面完整性不易保证等重要的技术难题。而采用电火花线切割加工时，容易在工件表面产生重铸层和热影响区，导致涡轮盘的使用寿命下降。此外，电火花线切割加工涡轮榫槽的加工效率也有待于进一步提高。
电解磨削是一种将电解作用和磨削作用相结合的复合加工技术，加工过程中，通常采用导电磨轮作为工具阴极,利用电化学阳极溶解和机械磨削的复合加工作用去除工件材料，不仅避免了机械磨削加工中砂轮磨损、磨削热等难题，而且极大提高了加工效率。显然，电解磨削技术在涡轮榫槽结构的加工过程中，具有较大的应用潜力。近年来，有研究者利用小直径的工具磨轮对涡轮盘榫槽结构进行电解磨削加工实验研究，结果表明采用小直径的工具磨轮可以实现涡轮榫槽结构的加工，但仍存在加工过程不稳定、工具磨轮的损耗严重等技术难题。因此，针对涡轮榫槽结构，开发一种稳定性好、工具磨轮损耗低的电解磨削加工工艺方法对涡轮榫槽结构的加工具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有涡轮盘榫槽结构加工技术的缺点和不足，提出一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，通过耦合超声振动参数信号和电参数信号实现电化学腐蚀作用和机械磨削作用的交替作用，加工过程稳定、工具磨轮的损耗低，可实现涡轮榫槽结构的精密加工。
本发明的技术方案是：一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述加工方法是在电解磨削加工涡轮榫槽结构的过程中辅助超声振动作用，通过耦合超声振动参数信号和电参数信号实现电化学腐蚀作用和机械磨削作用的交替作用，从而达到涡轮榫槽结构的精密加工，所述加工方法在超声振动的调制作用下，分为两个持续交替的加工阶段，分别为电化学腐蚀阶段和机械磨削加工阶段；
所述电化学腐蚀阶段是利用超声振动信号带动工具磨轮远离涡轮盘半成品榫槽结构的加工表面，至最大加工间隙时，电解加工电源输出的电参数信号进入脉宽范围，在电化学腐蚀作用下，涡轮盘半成品榫槽结构的加工表面形成钝化膜；
所述机械磨削加工阶段是利用超声振动信号带动工具磨轮逼近涡轮盘半成品榫槽结构的加工表面，至最小加工间隙时，电解加工电源输出的电参数信号进入脉间范围，在机械磨削作用下，涡轮盘半成品榫槽结构加工表面形成的钝化膜被磨削加工去除，露出新的金属基体材料；
所述加工方法整个加工过程，保持超声振动参数和电参数信号协调同步，超声振动带动工具磨轮在大间隙处进行电化学腐蚀作用，在小间隙处进行机械磨削作用，二者交替作用实现涡轮榫槽结构精密加工。
所述工具磨轮为仿形磨轮，其结构形状按照涡轮盘榫槽结构形状定制，且工具磨轮为可导电的金属结合剂砂轮。
所述电化学腐蚀阶段中的工作液为钝性盐溶液，以促使涡轮盘半成品榫槽结构的加工表面形成钝化膜。
所述所述电化学腐蚀阶段中的脉冲电压幅值小于15V。
所述超声振动参数信号的脉宽不小于0.1s。
所述超声参数的振幅的设置应尽量偏大，但不能影响机械磨削加工阶段过程的稳定性。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，方法原理清晰，本发明在电解磨削加工涡轮盘榫槽结构的过程中，辅助以超声振动作用，通过超声高频振动作用强化间隙内介质的传质效率，保障电解磨削加工榫槽过程中间隙内电解液有效供给及加工产物顺利排除。同时，通过超声振动信号和电参数信号的耦合作用，实现电化学腐蚀作用和机械磨削作用的交替作用，加工过程稳定，工具磨轮的损耗低，实现了涡轮榫槽结构精密加工的效果。
附图说明
图1 为本发明涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法示意图。
图2 为本发明涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工过程示意图。
图3 为本发明中工具磨轮结构示意图。
图中：脉冲电压幅值1、脉宽2、脉间3、脉冲周期4、最大间隙5、平衡间隙6、最小间隙7、电化学腐蚀区间8、机械磨削区间9、振幅10、电参数信号11、超声参数信号12、涡轮盘半成品13、工具磨轮14、变幅杆15、多维超声振动系统16、电解加工电源17、机床多轴联动驱动系统18、电解液循环系统19、工作液喷嘴20、支撑轴21、工具磨轮夹持端22、磨料层23。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-3所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法的具体实施加工过程如下：
工具磨轮14接电源负极、涡轮盘半成品13接电源正极，工具磨轮14在机床多轴联动驱动系统18控制以恒定速度进给，多维超声振动系统16驱动工具磨轮14沿其进给方向高频振动，极间间隙数值规律性周期变化。
当多维超声振动系统16带动工具磨轮14远离涡轮盘半成品13榫槽结构的加工表面，至最大加工间隙5附近时(图1中AC段)，电解加工电源17输出的电参数信号11进入脉宽2范围，在电化学腐蚀效应的作用下，涡轮盘半成品13榫槽结构的加工表面形成钝化膜。
当多维超声振动系统16带动工具磨轮14逼近涡轮盘半成品13榫槽结构的加工表面，至最小加工间隙7附近时(图1中CE段)，电解加工电源17输出的电参数信号11进入脉间2范围。在机械磨削效应的作用下，涡轮盘半成品13榫槽结构加工表面形成的钝化膜被磨削加工去除，露出新的金属基体材料。
控制电参数信号11和超声参数信号12协调同步，保障上述过程持续交替进行，实现涡轮榫槽结构的精密加工。

Claims (6)

1.一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述加工方法是在电解磨削加工涡轮榫槽结构的过程中辅助超声振动作用，通过耦合超声振动参数信号(12)和电参数信号(11)实现电化学腐蚀作用和机械磨削作用的交替作用，从而达到涡轮榫槽结构的精密加工，所述加工方法在超声振动的调制作用下，分为两个持续交替的加工阶段，分别为电化学腐蚀阶段(8)和机械磨削加工阶段(9)；
所述电化学腐蚀阶段(8)是利用超声振动信号(12)带动工具磨轮(14)远离涡轮盘半成品(13)榫槽结构的加工表面，至最大加工间隙(5)时，电解加工电源(17)输出的电参数信号(11)进入脉宽(2)范围，在电化学腐蚀作用下，涡轮盘半成品(13)榫槽结构的加工表面形成钝化膜；
所述机械磨削加工阶段(9)是利用超声振动信号(12)带动工具磨轮(14)逼近涡轮盘半成品(13)榫槽结构的加工表面，至最小加工间隙(7)时，电解加工电源(17)输出的电参数信号(11)进入脉间(2)范围，在机械磨削作用下，涡轮盘半成品(13)榫槽结构加工表面形成的钝化膜被磨削加工去除，露出新的金属基体材料；
所述加工方法整个加工过程，保持超声振动参数(12)和电参数信号(14)协调同步，超声振动带动工具磨轮(14)在大间隙处进行电化学腐蚀作用，在小间隙处进行机械磨削作用，二者交替作用实现涡轮榫槽结构精密加工。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述工具磨轮(14)为仿形磨轮，其结构形状按照涡轮盘榫槽结构形状定制，且工具磨轮(14)为可导电的金属结合剂砂轮。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述电化学腐蚀阶段中的工作液为钝性盐溶液，以促使涡轮盘半成品(13)榫槽结构的加工表面形成钝化膜。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述所述电化学腐蚀阶段(8)中的脉冲电压幅值(1)小于15V。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述超声振动参数信号(12)的脉宽(2)不小于0.1s。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：所述超声参数的振幅(10)的设置应尽量偏大，但不能影响机械磨削加工阶段(9)过程的稳定性。
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