CN110605447B - 大扭曲叶片精密电解加工装置及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大扭曲叶片的精密电解加工装置及工艺方法，包括阴极定位夹紧装置、工件快换装置以及电解液导流装置，本发明采用全封闭电解加工工装夹具，整体化阴极设计，并结合叶盆阴极和叶背阴极上设置的金属段和绝缘段相结合的复合型导流段，使得加工过程流场稳定,通过粒子群算法优化了工件空间位姿,使得叶盆阴极和叶背阴极只需相向直线进给就能达到最佳的进给角度,从而提高电解成形精度。该方法可以保证叶片空间定位的高精度，同时借助于全封闭工装上设置的快换基准元件可实现工件快速换装，并可实现一次装夹完成叶盆面、叶背面和进、排气边的一体成形，达到提高叶片电解加工精度和加工效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及数控电解加工技术领域，具体涉及一种大扭曲叶片精密电解加工装置及工艺方法。
背景技术
电解加工基于工件的阳极溶解去除材料原理，具有工具阴极无损耗、加工表面质量好、无残余应力、不受材料硬度限制及可加工一切导电材料等优点，在保证合理工艺规程情况下，电解加工技术可以获得较好的表面质量与加工精度，尤其在加工难加工材料上的独特优势，使其在航空、航天发动机叶片制造中具有广泛应用。
作为飞机上的核心零部件，航空发动机部件正朝着轻量化、整体化的方向发展。由于其结构复杂，加工精度要求高，叶片型面薄而扭曲，且普遍采用难加工材料，制造难度很大。电解加工技术体现出了独特的优势，国内外一直致力于提高叶片电解加工精度和电解加工效率的研究。
在叶片电解加工生产实践中，目前主要采用叶盆阴极和叶背阴极双面进给的加工方法，其主要特点是工件静止不动固定在夹具上，根据叶片型面特点，叶盆阴极和叶背阴极以不同的角度进给加工，但是这种进给方式会导致进给轴受力不均，降低进给轴寿命，影响叶片电解加工精度，同时，一种叶片需要设计一种专用的进给轴，这种加工方式不具备通用性。因此，需要研究一种通过优化工件空间位姿，只需叶盆阴极与叶背阴极同轴相向进给即能完成叶盆面、叶背面以及进、排气边一次成形的叶片电解加工方法，这种方法有助于简化机床进给轴结构，针对不同工件，只需更换一套相应的工装即可进行加工，其互换性更强，通用性更高，适合于机床的批生产。另外，这种工艺方法的加工柔性更好，可以定期将阴极退到加工区域外，有益于阴极的定期检查与夹具的定期清理。
传统的叶片电解夹具通常是将工件毛坯固定在夹具主体上，一个叶片加工完成后，需要将工件拆下装上新的毛坯，整个过程耗时耗力，加工效率较低，因此需要研究一种独立于夹具主体的分体式阳极夹具，在保证毛坯重复定位精度的前提下实现工件的快速换装以提高叶片换装效率。
以往的叶片电解加工中，电解液通常采用侧流式的进液方式，电解液自进(排)气边分成两股分别流经叶盆和叶背加工区域，然后自排(进)其边流出，叶盆和叶背型面成形效果较好，但是对于大扭曲叶片，这种进液方式在进、排气边处会导致电解液流速突变，流场较差，导致叶片进、排气边成形困难，因此需要研究一种新的夹具流道结构以保证加工过程中流场稳定，提高叶片电解加工精度与加工效率。
发明内容
本发明所研究的航空发动机叶片，叶片型面薄而扭曲，且材料为高温合金，是典型的难加工材料，本发明在深入分析叶片型面特征的基础上，提出了一种大扭曲叶片电解加工装置及工艺方法，采用全封闭电解加工工装夹具和整体化阴极结构设计，以及优化的工件空间位姿，通过一次性装夹，叶盆阴极和叶背阴极同轴相向直线进给到加工结束位置，实现叶片的整体电化学溶解成形。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种大扭曲叶片精密电解加工装置，包括阴极定位夹紧装置、工件快换装置以及电解液导流装置；所述阴极定位夹紧装置水平对称的设于装置左、右两侧，所述电解液导流装置包括夹具基座、叶盆阴极和叶背阴极，所述叶盆阴极和叶背阴极与阴极定位夹紧装置相连，所述夹具基座和工件快换装置位于装置中央；
所述阴极定位夹紧装置包括依次连接的转接板、阴极杆和阴极连接块，所述转接板安装在阴极杆外侧，所述阴极连接块安装在阴极杆内侧，阴极连接块内端连接阴极；所述阴极定位夹紧装置设置左、右对称，左、右部分的阴极连接块内端分别连接叶背阴极、叶盆阴极；
所述工件快换装置包括金属板、毛坯定位块、快换基准件、毛坯定位块连接板和导杆；所述快换基准件为水平对称的两个，快换基准件的底座与金属板刚性连接，所述毛坯定位块连接毛坯定位块连接板，在毛坯定位块上安装有工件快换夹具的夹具头，所述夹具头与金属板上的快换基准件的底座相配合，所述毛坯定位块连接板上设有与金属板相连的导杆；
所述电解液导流装置的夹具基座位于同一平面具有三个圆柱形通道；其中两个圆柱形通道同轴线，分别为放置叶盆阴极的阴极通道和放置叶背阴极的阴极通道，另一个圆柱形通道与两个阴极通道垂直、位于两个阴极通道之间，为阳极夹具通道。
进一步的，所述叶盆阴极和叶背阴极上设有金属段和绝缘段相结合的复合型导流段。
进一步的，所述阴极杆的上、下两个端面设有限位块。
进一步的，所述毛坯定位块与金属板之间间隙为0.25mm，通过密封圈密封。
进一步的，所述电解液导流装置的夹具出液口装有一个背压阀。
进一步的，所述叶盆阴极和叶背阴极的导流段末端设置为喇叭口。
进一步的，所述夹具基座采用绝缘材料，所述夹具基座的三个圆柱形通道均通过O型密封圈进行电解液密封处理。
其中待加工的工件毛坯的空间位姿通过以下方法优化：
基于粒子群算法求解工件最佳偏转角度，通过优化工件毛坯的空间位姿，使得叶盆阴极和叶背阴极只需相向直线进给就能达到优化的进给角度，求解最优角度粒子群算法为：
VectorVt+1＝c0·VectorVt+c1·r1·(VectorP-Post)+c2·r2·(VectorG-Post)
Post+1＝Post+VectorVt+1
式中，粒子表示的是参与计算的随机方向向量，VectorV为随机向量移动的速度，Pos为向量所在的位置，VectorP为在单个向量找到的最佳摆放角度，VectorG为全部向量找到的最佳摆放角度，c0为惯性权重，表征向量保持原先速度的趋势；c1、c2为学习因子，分别表征向量向自身最优解与全局最优解运动的趋势；r1、r2为范围0～1之间的随机数；
求解最优角度步骤：
(a)设定粒子数a、迭代次数t、c0、c1及c2的值，并生成a个随机向量；
(b)在叶背阴极、叶盆阴极型面选取N个采样点，求得每个采样点在叶片型面上的法线与所有方向向量的夹角θ1～θN；
(c)按照粒子群算法更新速度与位置；
(d)重复(b)、(c)过程，直至满足迭代次数或限定条件；
设置所有采样点在叶片型面的法向与进给方向的夹角，设置一个极限值作为算法限定条件，在可能的情况下，这个极限值尽可能小于45度，最大不超过50度，根据粒子群算法，得出一个类锥形区域；在上述类锥形区域内求某一个方向向量，该向量与叶盆阴极、叶背阴极型面采样点的法向夹角的方差和最小；通过两次运用粒子群算法，得出工件最佳空间摆放位姿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用全封闭电解加工工装夹具和整体化阴极结构设计，并结合叶盆阴极和叶背阴极上设置的金属段和绝缘段相结合的复合型导流段，使得加工过程流场稳定，可容许毛坯余量在较大尺寸范围内变化，同时可最大限度减少加工过程中的杂散腐蚀。
本发明借助于全封闭工装上设置的快换基准元件可实现工件快速换装，并可一次装夹实现叶盆面、叶背面和进、排气边的一体成形，提高了叶片电解加工精度和加工效率。
本发明通过优化工件毛坯的空间位姿，使得叶盆阴极和叶背阴极只需相向直线进给就能达到优化的进给角度,从而提高电解成形精度，简化机床进给轴结构。
附图说明
图1叶片电解加工成形原理。
图2大扭曲叶片精密电解加工夹具。
图3工装夹具三维模型图。
图4大扭曲叶片精密电解加工工作原理。
图中：1、夹具底板；2、基座；3、转接板；4、阴极杆；5、连接杆密封盖；6、金属板；7、阴极密封板；8、叶背阴极；9、出液端盖；10、基座上导流段；11、毛坯定位块；12、叶盆阴极；13、阴极连接块；14、工件毛坯；15、基座下导流段；16、夹具出液口；17、快换基准件；18、毛坯定位块连接板；19、导杆；20、绝缘导流段；21、金属导流段；22、喇叭口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种大扭曲叶片精密电解加工装置，包括阴极定位夹紧装置、工件快换装置以及电解液导流装置；所述阴极定位夹紧装置水平对称的设于装置左、右两侧，所述电解液导流装置包括夹具基座2、叶盆阴极12和叶背阴极8，所述叶盆阴极12和叶背阴极8与阴极定位夹紧装置相连，所述夹具基座2和工件快换装置位于装置中央；
所述阴极定位夹紧装置包括依次连接的转接板3、阴极杆4和阴极连接块13，所述转接板3安装在阴极杆4外侧，所述阴极连接块13安装在阴极杆4内侧，阴极连接块13内端连接阴极；所述阴极定位夹紧装置设置左、右对称，左、右部分的阴极连接块13内端分别连接叶背阴极8、叶盆阴极12；
所述工件快换装置包括金属板6、毛坯定位块11、快换基准件14、毛坯定位块连接板18和导杆19；所述快换基准件17为水平对称的两个，快换基准件17的底座与金属板6刚性连接，所述毛坯定位块11连接毛坯定位块连接板18，在毛坯定位块11上安装有工件快换夹具的夹具头，所述夹具头与金属板6上的快换基准件17的底座相配合，所述毛坯定位块连接板18上设有与金属板6相连的导杆16；
所述电解液导流装置的夹具基座2位于同一平面具有三个圆柱形通道；其中两个圆柱形通道同轴线，分别为放置叶盆阴极12的阴极通道和放置叶背阴极8的阴极通道，另一个圆柱形通道与两个阴极通道垂直、位于两个阴极通道之间，为阳极夹具通道。
图1所示为大扭曲叶片精密电解加工的叶片成形原理。电解加工所用叶盆阴极12和叶背阴极8均采用整体化设计，叶盆阴极12和叶背阴极8上设有金属段和绝缘段相结合的复合型导流段，金属导流段21的设置可容许毛坯余量在较大尺寸范围内变化，绝缘导流段的设置可最大限度减少加工过程中的杂散腐蚀。叶盆阴极和叶背阴极导流段末端设置喇叭口22，喇叭口22宽度d根据毛坯余量进行设计，同时使得叶盆阴极12和叶背阴极8处于开始加工位置时，喇叭口22宽度d不大于基座导流段截面宽度。
叶盆阴极12和叶背阴极8分别与两进给轴刚性连接，工件毛坯10安装于独立的阳极夹具中，基于粒子群算法求解工件最佳偏转角度，通过优化工件毛坯14的空间位姿，使得叶盆阴极12和叶背阴极8只需相向直线进给就能达到优化的进给角度，从而提高电解成形精度，简化机床进给轴结构。
求解工件最佳偏转角度粒子群算法：
VectorVt+1＝c0·VectorVt+c1·r1·(VectorP-Post)+c2·r2·(VectorG-Post)
Post+1＝Post+VectorVt+1
式中，粒子表示的是参与计算的随机方向向量，VectorV为随机向量移动的速度，Pos为向量所在的位置，VectorP为在单个向量找到的最佳摆放角度，VectorG为全部向量找到的最佳摆放角度，c0为惯性权重，表征向量保持原先速度的趋势。c1、c2为学习因子，分别表征向量向自身最优解与全局最优解运动的趋势。r1、r2为范围0～1之间的随机数。
求解最优角度步骤：
(a)设定粒子数a、迭代次数t、c0、c1及c2的值，并生成a个随机向量；
(b)叶背、叶盆型面选取N个采样点，求得每个采样点在叶片型面上的法线与所有方向向量的夹角θ1～θN；
(c)按照粒子群算法更新速度与位置；
重复(b)、(c)过程，直至满足迭代次数或限定条件；
设置所有采样点在叶片型面的法向与进给方向的夹角设置一个极限值作为算法限定条件，在可能的情况下，这个极限值尽可能小于45度，最大不超过50度，根据粒子群算法，得出一个类锥形区域。在上述类锥形区域内求某一个方向向量，该向量与叶盆、叶背型面采样点的法向夹角的方差和最小。通过两次运用粒子群算法，得出工件最佳偏转角度θ，如图1所示，以达到最优的工件毛坯10空间位姿。
当叶盆阴极12与叶背阴极8到达指定初始加工位置时，机床开始通液，电解液自进气边导流段分成两股分别流经叶盆和叶背加工区域，然后从排气边导流段流出。根据电解加工成形原理，工件被加工面的金属按照阴极形状被高速溶解，最终完成叶盆、叶背以及进、排气边加工。
图2所示为针对大扭曲叶片电解加工所设计的工装夹具，夹具底板将整个装置固定在机床上，夹具采用全封闭设计，可有效防止加工过程中电解液泄露。夹具基座2带有位于同一平面的三个圆柱形通道，两个同轴线通道为用于放置叶盆阴极12与叶背阴极8的阴极通道，另一个为与阴极通道垂直用于放置阳极夹具的通道。夹具基座2为绝缘材料，可有效减少加工过程中的杂散腐蚀。此叶片电解加工夹具主要由阴极定位夹紧装置、工件快换装置以及电解液导流装置三部分组成，各部分具体特征如下：
阴极定位夹紧装置主要由转接板3、阴极杆4和阴极连接块13组成，阴极杆4通过两个销钉定位，四个螺钉紧固与转接板3相连，阴极与阴极杆4之间通过阴极连接块13连接，同时阴极杆4端面设有两个限位块，阴极拆卸后通过限位块可实现快速定位，无需二次找正。
工件快换装置如图2和图3所示，主要由金属板6、毛坯定位块11、快换基准件17、毛坯定位块连接板18和导杆19组成，毛坯的定位夹紧采用独立阳极夹具，毛坯定位块连接板18上水平对称装有两个快换基准元件，可在保证较高重复定位精度的情况下实现工件快速换装，极大提高叶片换装效率，有利于提高换装自动化。
电解液导流装置主要由基座2、叶盆阴极12和叶背阴极8组成，电解液自基座下导流段15和阴极进气边导流段进入加工区域，然后又经阴极排气边导流段和阴极基座上导流段10流出，夹具出液口16装有一个背压阀，一定的背压可阻止电解液的顺畅流出，使得加工区域充满电解液，电解液导流装置使得加工过程流场稳定。
图3所示为大扭曲叶片电解加工工作原理。其主要分为三步，首先进行工件毛坯10的装夹定位，本工装采用独立的阳极夹具，将工件毛坯10装在毛坯定位块11上，然后通过阳极夹具上的两个快换基准元件将毛坯定位块11定位夹紧。其次进行叶盆阴极12以及叶背阴极8的装夹定位，以叶盆阴极12为例，叶盆阴极12依次与阴极连接块13、阴极杆4以及转接板3相连。阴极杆4上装有O型密封圈，与基座2沿阴极进给方向的圆柱形空腔紧密配合以防止加工过程中电解液的泄露。工件毛坯10与阴极安装完成后，自基座2下部进液口通入电解液，电解液自进气边导流段分成两股分别流经叶盆和叶背加工区域，然后从排气边导流段流出。非加工区域均采用环氧树脂选择性绝缘，避免加工过程中的杂散腐蚀，提高叶片电解加工定域性。最后，正常加工时，金属板6接电源正极，转接板3接电源负极，叶盆阴极12和叶背阴极8同时进给，完成叶盆、叶背以及进、排气边的一次成形。
本发明采用全封闭电解加工工装夹具和整体化阴极结构设计，并结合叶盆阴极12和叶背阴极8上设置的金属段和绝缘段相结合的复合型导流段，使得加工过程流场稳定，可容许毛坯余量在较大尺寸范围内变化，同时可最大限度减少加工过程中的杂散腐蚀。叶盆阴极12和叶背阴极8分别与两进给轴刚性连接，除加工面外，阴极采用全包式绝缘策略，提高叶片电解加工定域性。
本发明通过优化工件毛坯10的空间位姿，使得叶盆阴极12和叶背阴极8只需相向直线进给就能达到优化的进给角度,从而提高电解成形精度，简化机床进给轴结构。加工过程中，工件和机床进给轴受力均匀，提高机床使用寿命，且针对不同工件，只需更换一套相应的工装即可进行加工，其互换性更强，通用性更高，适合于机床的批生产。
本发明借助于全封闭工装上设置的快换基准元件可实现工件快速换装，极大提高叶片换装效率，有利于提高换装自动化。并可一次装夹实现叶盆面、叶背和进、排气边的一体成形，提高了叶片电解加工精度和加工效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：包括阴极定位夹紧装置、工件快换装置以及电解液导流装置；所述阴极定位夹紧装置水平对称的设于装置左、右两侧，所述电解液导流装置包括夹具基座、叶盆阴极和叶背阴极，所述叶盆阴极和叶背阴极与阴极定位夹紧装置相连，所述夹具基座和工件快换装置位于装置中央；
所述阴极定位夹紧装置包括依次连接的转接板、阴极杆和阴极连接块，所述转接板安装在阴极杆外侧，所述阴极连接块安装在阴极杆内侧，阴极连接块内端连接阴极；所述阴极定位夹紧装置左、右对称设置，左、右部分的阴极连接块内端分别连接叶背阴极、叶盆阴极；
所述工件快换装置包括金属板、毛坯定位块、快换基准件、毛坯定位块连接板和导杆；所述快换基准件为水平对称的两个，快换基准件的底座与金属板刚性连接，所述毛坯定位块连接毛坯定位块连接板，在毛坯定位块上安装有工件快换夹具的夹具头，所述夹具头与金属板上的快换基准件的底座相配合，所述毛坯定位块连接板上设有与金属板相连的导杆；
所述电解液导流装置的夹具基座位于同一平面具有三个圆柱形通道；其中两个圆柱形通道同轴线，分别为放置叶盆阴极的阴极通道和放置叶背阴极的阴极通道，另一个圆柱形通道与两个阴极通道垂直、位于两个阴极通道之间，为阳极夹具通道；
其中待加工的工件毛坯的空间位姿通过以下方法优化：
基于粒子群算法求解工件最佳偏转角度，通过优化工件毛坯的空间位姿，使得叶盆阴极和叶背阴极只需相向直线进给就能达到优化的进给角度，求解最优角度粒子群算法为：
VectorVt+1＝c0·VectorVt+c1·r1·(VectorP-Post)+c2·r2·(VectorG-Post)
Post+1＝Post+VectorVt+1
式中，粒子表示的是参与计算的随机方向向量，VectorV为随机向量移动的速度，Pos为向量所在的位置，VectorP为在单个向量找到的最佳摆放角度，VectorG为全部向量找到的最佳摆放角度，c0为惯性权重，表征向量保持原先速度的趋势；c1、c2为学习因子，分别表征向量向自身最优解与全局最优解运动的趋势；r1、r2为范围0～1之间的随机数；
求解最优角度步骤：
(a)设定粒子数a、迭代次数t、c0、c1及c2的值，并生成a个随机向量；
(b)在叶背阴极、叶盆阴极型面选取N个采样点，求得每个采样点在叶片型面上的法线与所有方向向量的夹角θ1～θN；
(c)按照粒子群算法更新速度与位置；
(d)重复(b)、(c)过程，直至满足迭代次数或限定条件；
设置所有采样点在叶片型面的法向与进给方向的夹角，设置一个极限值作为算法限定条件，极限值不超过50度，根据粒子群算法，得出一个类锥形区域；在上述类锥形区域内求某一个方向向量，该向量与叶盆阴极、叶背阴极型面采样点的法向夹角的方差和最小；通过两次运用粒子群算法，得出工件最佳空间摆放位姿。
2.根据权利要求1所述的大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：所述叶盆阴极和叶背阴极上设有金属段和绝缘段相结合的复合型导流段。
3.根据权利要求1所述的大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：所述阴极杆的上、下两个端面设有限位块。
4.根据权利要求1所述的大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：所述毛坯定位块与金属板之间间隙为0.25mm，通过密封圈密封。
5.根据权利要求1所述的大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：所述电解液导流装置的夹具出液口装有一个背压阀。
6.根据权利要求1所述的大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：所述叶盆阴极和叶背阴极的导流段末端设置为喇叭口。
7.根据权利要求1所述的大扭曲叶片精密电解加工装置的加工方法，其特征在于：所述夹具基座采用绝缘材料，所述夹具基座的三个圆柱形通道均通过O型密封圈进行电解液密封处理。
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