CN111069722B - 一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法 - Google Patents

Abstract

一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，用于压气机叶片精密电解成型加工的阴极结构十分复杂，包括一对三维曲面工作阴极、密封稳流结构、电解液进/出液口、以及绝缘防护和专用的HSK液压夹头；成型阴极型面即一对具有三维曲面的工作阴极，通过间隙计算而设计成不同形状的初始型面，保证叶片型面初始加工的成型精度；利用其逆向工程原理进行数字化修正及反复迭代，最终实现叶片型面其无余量成型加工的要求。本发明的优点：解决压气机叶片无余量精密电解加工成型阴极的精确设计和有效修正，保证叶片型面的无余量加工。降低电解工艺开发难度、减少电解工艺的研发周期，保证压气机叶片精密电解工艺迭代的准确性及可控性。

Description

一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法

技术领域

本发明涉及叶片加工领域，特别涉及了一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法。

背景技术

电解加工的原理是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理而去除材料，将工件加工成型的一种非传统切削加工方法。电解加工时，工具(刀具)作为阴极、工件作为阳极连接到直流电源。在电解液中，工具阴极以一定的速度移向工件阳极，工具和工件之间发生电荷交换，阳极工件材料被溶解，并被高速流动的电解液带走，从而达到非常精确的加工要求。

采用电解方法进行发动机压气机叶片加工，在国外先进航空发动机上已广泛应用，如德国MTU公司如今超过90％的压气机叶片使用这一工艺加工。(“台风”引擎RB199的中压和高压压气机，EJ200发动机的高压压气机)。

目前，国内此类压气机叶片现行主导工艺采用辊轧和锻造两种工艺，由于叶片型面变化曲率大、端弯、后掠，目前主导工艺加工达不到无余量，加工后叶片变形，造成型面超差，制造符合性差。在现行工艺无法实现进排气边缘精密加工的情况下，采用数控铣的方法加工叶身型面，可以实现叶身型面精密加工的目标，但成本和效率均不能满足批产要求。

针对目前存在的问题，提出采用精密电解加工技术对此类叶片一次电解成型方案，以提高产品的加工精度和尺寸一致性，满足批产要求。而精密电解工艺开发过程中阴极型面的精确设计是提高叶片零件加工精度的关键技术，数字化修正技术是实现工艺迭代的有效手段。

发明内容

本发明的目的在于解决压气机叶片无余量精密电解加工成型阴极的精确设计和有效修正，降低电解工艺研发难度，保证叶片型面的无余量加工。采用该方法进行成型阴极的研制，可降低电解工艺开发难度及大大减少电解工艺的研发周期，特提供了一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法。

本发明提供了一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，其特征在于：所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，用于压气机叶片精密电解成型加工的阴极结构十分复杂，包括一对三维曲面工作阴极、密封稳流结构、电解液进/出液口、以及绝缘防护和专用的HSK液压夹头；

所述的成型阴极型面即一对具有三维曲面的工作阴极，三维曲面工作阴极为叶片电解成型加工的工具，工作阴极型面部分可以根据叶片零件的不同形状，根据COS法则，通过间隙计算而设计成不同形状的初始型面，保证叶片型面初始加工的成型精度；再通过多次试验优化，采用全型面蓝光检测技术，利用其逆向工程原理进行数字化修正及反复迭代，最终实现叶片型面其无余量成型加工的要求。

所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，包括以下步骤：

工作阴极初始型面的设计方法：

该设计方法基于UG建模软件搭建的平台，进行数据处理及建模；

1)叶片零件设计模型处理

当输入的叶片零件设计模型为中差模型时，可直接使用；若输入的叶片零件设计模型为非对称公差带时，需将叶片模型处理为中差模型后使用；

2)确定最优进给角，建立基准坐标系

通过“二分角”原理计算电解加工的进给角，即平分设计截面线中最大弦线角(或安装角)与最小弦线角(或安装角)之和；该二分角即为最优进给角，二分角线即为基准坐标系的X轴，根据右手直角坐标系原理建立基准坐标系；

3)分别提取各截面压力面与吸力面数据点

基于基础坐标系，分别提取各个设计截面线中压力面与吸力面上的数据点，提取的数据点数量一般为原始数据点数量的3倍及以上；

当设计截面线为闭合曲线时，需整体提取设计截面线上的数据点，然后单独针对数据点进行切分处理；首先计算压力面与吸力面之间的两个切分点，再将所提取的整体数据点切分为压力面和吸力面两部分；

常用的计算切分点的方法有三种：

①中弧线与前后缘的交点；

②垂直于弦线且分别与前后缘相切的交点；

③垂直于二分角线且分别与前后缘相切的交点；

4)根据COS法则，计算阴极型面数据点

在提出COS算法前，首先引入加工间隙的概念；加工间隙与电解液构成了电解加工的核心工艺因素，决定着电解加工工艺指标——加工精度、材料去除率、表面质量等，也是阴极设计及工艺参数选择的首要基本依据；电解加工间隙：

其中：η——电流效率；

ω——体积电化当量(mm3/A·min)；

δE——阴、阳极极化电位值总和；

σ——电解液电导率(1/Ω·mm)；

va——工件的法向电解速度(mm/min)；

△——法向平衡加工间隙(mm)；

U——阴、阳极之间的电压(V)；

所谓COS算法，即COS间隙计算法则：Δn＝ηωσUR/(vc cosθ)＝Δb/cosθ，如图2所示；其中，△n——法向平衡间隙

η——电流效率

vc——阴极进给速度(mm/min)

选择合理的加工间隙(工程经验一般在0.01～0.15mm之间)，通过COS算法，分别计算阴极型面(压力面、吸力面)各个截面的数据点；

但COS法则有其局限性，θ角越大，计算出的法向平衡间隙△n与实际值的偏差也越大，因此当θ＞45°时，即各截面前后缘处应适当加以修正；图3所示，紫色数据线即为错误的COS准则；

注：紫色→叶片设计截面线；亮紫色→中弧线；黄色→弦线；黑色→计算的阴极截面线；橙色→延伸分型线；绿色→错误的COS准则，θ＞45°

5)处理前后缘数据点

针对前后缘处错误的COS准则，需重新处理数据点，一般处理范围在0.5-1.5mm内，如图4所示前后缘处理范围；

6)分型线处理

分型线即工作阴极在叶型压力面与吸力面两向的边界曲线，单侧分型线由3条曲线构成，中间一条为平行弦线的直线，两侧为材料余量段带有一定的角度、延伸段具有一定间距且平行弦线的直线，且2段直线相连处以圆弧进行连接；

7)生成工作阴极的初始型面

在UG平台下将处理后的数据点，分别以压力面连同分型线和吸力面连同分型线的方式进行提取，再分别导入压力面阴极模型和吸力面阴极模型中进行处理；

利用网格曲面生成曲面组命令，将导入的数据点生成片体(压力面/吸力面)，并利用该片体剪切阴极模型，同时利用分型线针对模型边缘进行修剪，完成该阴极模型的处理(压力面/吸力面)，另外一个阴极模型以同样的方法进行处理，即完成一对具有初始型面的工作阴极建模。

所述的工作阴极型面的数字化修正方法：通过对拍摄出的叶片网格的计算、偏移、拟合或逆向建模，可快速准确完成精密电解阴极的迭代设计；缩短压气机叶片精密电解工艺开发周期；因此本发明适用于压气机叶片精密电解工艺快速、精确的研发，具有巨大的潜在效益。

所述的进行阴极迭代的基本条件是利用初始阴极已经得到了相对满意的结果，即两侧余量基本一致，扭转偏差较小；

迭代的原则也很简单，“等量偏置原则”，即叶片型面上缺肉的地方，则在阴极型面上对应的位置去除相等材料，叶片型面上多肉的地方，则在阴极型面上相应的位置增加等量材料。

所述的迭代过程如下：

1)在利用GOM完成检测后，同时对叶片型面和盆侧基准面进行拟合；

2)将带有检测数据点距离和矢量信息的点云文件存储成ASC格式文件；

3)用UG打开阴极原始模型；

4)通过在UG界面中选择菜单File→Execute→NX Open，在系统弹出的一个文件选择对话框中选择二次应用程序“XX.dll”；

“XX.dll”是在Visual Studio环境下开发的点云计算程序，它可以将阴极型面通过带有距离信息和矢量信息的ASC点云文件直接计算成新的点云数据，即新的阴极数据点；

5)在“XX.dll”程序对话框中选择点云文件，开始计算；整个叶片型面的数据点在50万个左右，计算可能需要2天时间内，如果选择部分区域进行优化(因为叶片型面正好在中差区域的阴极对应位置不需要优化)，计算可能需要6～8小时；程序自动将每100个点的计算结果存成一个文件，全部计算完成后会再生产一个总的点云文件；

6)新的点云文件可以通过GOM打开预览优化效果；也可以通过UG中Imageware(逆向工程)导入UG生成新的阴极型面。

本发明的优点：

解决压气机叶片无余量精密电解加工成型阴极的精确设计和有效修正，降低电解工艺研发难度，保证叶片型面的无余量加工。采用该方法进行成型阴极的研制，可降低电解工艺开发难度及大大减少电解工艺的研发周期，特提供了一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，保证压气机叶片精密电解工艺迭代的准确性及可控性。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为精密电解工艺开发六步循环示意图；

图2为COS间隙计算方法；

图3为叶片设计截面与阴极计算截面示意图；

图4为叶片设计截面前后缘处理范围示意图；

图5为分型线示意图；

图6为压气机叶片全型面轮廓度偏差图示意图；

图7为叶片成型电极与叶片装夹装置装配关系图；

图8为叶背成型电极结构示意图；

图9为叶盆成型电极结构示意图；

图10为电解叶片+专用GOM检测夹具示意图；

图7中标号名称：1、叶片工件，2、压力面成型阴极工装，3、吸力面成型阴极工装，8、HSK液压夹头；

图8中标号名称：4、压力面工作阴极，6、压力面工作阴极初始型面/数字化修正的优化型面；

图9中标号名称：5、吸力面工作阴极，7、吸力面工作阴极初始型面/数字化修正的优化型面；

图10中标号名称：9、电解叶片专用GOM检测夹具。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，其特征在于：所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，用于压气机叶片精密电解成型加工的阴极结构十分复杂，包括一对三维曲面工作阴极、密封稳流结构、电解液进/出液口、以及绝缘防护和专用的HSK液压夹头；

所述的成型阴极型面即一对具有三维曲面的工作阴极，三维曲面工作阴极为叶片电解成型加工的工具，工作阴极型面部分可以根据叶片零件的不同形状，根据COS法则，通过间隙计算而设计成不同形状的初始型面，保证叶片型面初始加工的成型精度；再通过多次试验优化，采用全型面蓝光检测技术，利用其逆向工程原理进行数字化修正及反复迭代，最终实现叶片型面其无余量成型加工的要求。

所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，包括以下步骤：

工作阴极初始型面的设计方法：

该设计方法基于UG建模软件搭建的平台，进行数据处理及建模；

1)叶片零件设计模型处理

当输入的叶片零件设计模型为中差模型时，可直接使用；若输入的叶片零件设计模型为非对称公差带时，需将叶片模型处理为中差模型后使用；

2)确定最优进给角，建立基准坐标系

通过“二分角”原理计算电解加工的进给角，即平分设计截面线中最大弦线角(或安装角)与最小弦线角(或安装角)之和；该二分角即为最优进给角，二分角线即为基准坐标系的X轴，根据右手直角坐标系原理建立基准坐标系；

3)分别提取各截面压力面与吸力面数据点

基于基础坐标系，分别提取各个设计截面线中压力面与吸力面上的数据点，提取的数据点数量一般为原始数据点数量的3倍及以上；

当设计截面线为闭合曲线时，需整体提取设计截面线上的数据点，然后单独针对数据点进行切分处理；首先计算压力面与吸力面之间的两个切分点，再将所提取的整体数据点切分为压力面和吸力面两部分；

常用的计算切分点的方法有三种：

①中弧线与前后缘的交点；

②垂直于弦线且分别与前后缘相切的交点；

③垂直于二分角线且分别与前后缘相切的交点；

4)根据COS法则，计算阴极型面数据点

在提出COS算法前，首先引入加工间隙的概念；加工间隙与电解液构成了电解加工的核心工艺因素，决定着电解加工工艺指标——加工精度、材料去除率、表面质量等，也是阴极设计及工艺参数选择的首要基本依据；电解加工间隙：

其中：η——电流效率；

ω——体积电化当量(mm3/A·min)；

δE——阴、阳极极化电位值总和；

σ——电解液电导率(1/Ω·mm)；

va——工件的法向电解速度(mm/min)；

△——法向平衡加工间隙(mm)；

U——阴、阳极之间的电压(V)；

所谓COS算法，即COS间隙计算法则：Δn＝ηωσUR/(vc cosθ)＝Δb/cosθ，如图2所示；其中，△n——法向平衡间隙

η——电流效率

vc——阴极进给速度(mm/min)

选择合理的加工间隙(工程经验一般在0.01～0.15mm之间)，通过COS算法，分别计算阴极型面(压力面、吸力面)各个截面的数据点；

但COS法则有其局限性，θ角越大，计算出的法向平衡间隙△n与实际值的偏差也越大，因此当θ＞45°时，即各截面前后缘处应适当加以修正；图3所示，紫色数据线即为错误的COS准则；

注：紫色→叶片设计截面线；亮紫色→中弧线；黄色→弦线；黑色→计算的阴极截面线；橙色→延伸分型线；绿色→错误的COS准则，θ＞45°

5)处理前后缘数据点

针对前后缘处错误的COS准则，需重新处理数据点，一般处理范围在0.5-1.5mm内，如图4所示前后缘处理范围；

6)分型线处理

分型线即工作阴极在叶型压力面与吸力面两向的边界曲线，单侧分型线由3条曲线构成，中间一条为平行弦线的直线，两侧为材料余量段带有一定的角度、延伸段具有一定间距且平行弦线的直线，且2段直线相连处以圆弧进行连接；

7)生成工作阴极的初始型面

在UG平台下将处理后的数据点，分别以压力面连同分型线和吸力面连同分型线的方式进行提取，再分别导入压力面阴极模型和吸力面阴极模型中进行处理；

利用网格曲面生成曲面组命令，将导入的数据点生成片体(压力面/吸力面)，并利用该片体剪切阴极模型，同时利用分型线针对模型边缘进行修剪，完成该阴极模型的处理(压力面/吸力面)，另外一个阴极模型以同样的方法进行处理，即完成一对具有初始型面的工作阴极建模。

所述的工作阴极型面的数字化修正方法：通过对拍摄出的叶片网格的计算、偏移、拟合或逆向建模，可快速准确完成精密电解阴极的迭代设计；缩短压气机叶片精密电解工艺开发周期；因此本发明适用于压气机叶片精密电解工艺快速、精确的研发，具有巨大的潜在效益。

所述的进行阴极迭代的基本条件是利用初始阴极已经得到了相对满意的结果，即两侧余量基本一致，扭转偏差较小；

迭代的原则也很简单，“等量偏置原则”，即叶片型面上缺肉的地方，则在阴极型面上对应的位置去除相等材料，叶片型面上多肉的地方，则在阴极型面上相应的位置增加等量材料。

所述的迭代过程如下：

1)在利用GOM完成检测后，同时对叶片型面和盆侧基准面进行拟合；

2)将带有检测数据点距离和矢量信息的点云文件存储成ASC格式文件；

3)用UG打开阴极原始模型；

4)通过在UG界面中选择菜单File→Execute→NX Open，在系统弹出的一个文件选择对话框中选择二次应用程序“XX.dll”；

“XX.dll”是在Visual Studio环境下开发的点云计算程序，它可以将阴极型面通过带有距离信息和矢量信息的ASC点云文件直接计算成新的点云数据，即新的阴极数据点；

5)在“XX.dll”程序对话框中选择点云文件，开始计算；整个叶片型面的数据点在50万个左右，计算可能需要2天时间内，如果选择部分区域进行优化(因为叶片型面正好在中差区域的阴极对应位置不需要优化)，计算可能需要6～8小时；程序自动将每100个点的计算结果存成一个文件，全部计算完成后会再生产一个总的点云文件；

6)新的点云文件可以通过GOM打开预览优化效果；也可以通过UG中Imageware(逆向工程)导入UG生成新的阴极型面。

Claims (3)

1.一种叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，其特征在于：用于压气机叶片精密电解成型加工的阴极结构十分复杂，包括一对三维曲面工作阴极、密封稳流结构、电解液进/出液口、以及绝缘防护和专用的HSK液压夹头；

成型阴极型面即一对具有三维曲面的工作阴极，三维曲面工作阴极为叶片电解成型加工的工具，工作阴极型面部分能根据叶片零件的不同形状，根据COS法则，通过间隙计算而设计成不同形状的初始型面，保证叶片型面初始加工的成型精度；再通过多次试验优化，采用全型面蓝光检测技术，利用逆向工程原理进行数字化修正及反复迭代，最终实现叶片型面无余量成型加工的要求；所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，包括以下步骤：

工作阴极初始型面的设计方法：

该设计方法基于UG建模软件搭建的平台，进行数据处理及建模；

1)叶片零件设计模型处理

当输入的叶片零件设计模型为中差模型时，可直接使用；若输入的叶片零件设计模型为非对称公差带时，需将叶片模型处理为中差模型后使用；

2)确定最优进给角，建立基准坐标系

通过“二分角”原理计算电解加工的进给角，即平分设计截面线中最大弦线角与最小弦线角之和；该二分角即为最优进给角，二分角线即为基准坐标系的X轴，根据右手直角坐标系原理建立基准坐标系；

3)分别提取各截面压力面与吸力面数据点

基于基准坐标系，分别提取各个设计截面线中压力面与吸力面上的数据点，提取的数据点数量为原始数据点数量的3倍及以上；

当设计截面线为闭合曲线时，需整体提取设计截面线上的数据点，然后单独针对数据点进行切分处理；首先计算压力面与吸力面之间的两个切分点，再将所提取的整体数据点切分为压力面和吸力面两部分；

常用的计算切分点的方法有三种：

①中弧线与前后缘的交点；

②垂直于弦线且分别与前后缘相切的交点；

③垂直于二分角线且分别与前后缘相切的交点；

4)根据COS法则，计算阴极型面数据点

在提出COS法则前，首先引入加工间隙的概念；加工间隙与电解液构成了电解加工的核心工艺因素，决定着电解加工工艺指标——加工精度、材料去除率、表面质量，也是阴极设计及工艺参数选择的首要基本依据；电解加工间隙：

其中：η——电流效率；

ω——体积电化当量(mm³/A·min)；

δE——阴、阳极极化电位值总和；

σ——电解液电导率(1/Ω·mm)；

v_a——工件的法向电解速度(mm/min)；

△——法向平衡加工间隙(mm)；

U——阴、阳极之间的电压(V)；

所谓COS法则，即COS间隙计算法则：Δn＝ηωσUR/(vc cosθ)＝Δb/cosθ；其中，△n——法向平衡间隙；

η——电流效率；

vc——阴极进给速度(mm/min)；

选择合理的加工间隙，通过COS法则，分别计算阴极型面各个截面的数据点；

但COS法则有其局限性，θ角越大，计算出的法向平衡间隙△n与实际值的偏差也越大，因此当θ＞45°时，即各截面前后缘处应适当加以修正；

5)处理前后缘数据点

针对前后缘处错误的COS法则，需重新处理数据点；

6)分型线处理

分型线即工作阴极在叶型压力面与吸力面两向的边界曲线，单侧分型线由3条曲线构成，中间一条为平行弦线的直线，两侧为材料余量段带有一定的角度、延伸段具有一定间距且平行弦线的直线，且2段直线相连处以圆弧进行连接；

7)生成工作阴极的初始型面

在UG平台下将处理后的数据点，分别以压力面连同分型线和吸力面连同分型线的方式进行提取，再分别导入压力面阴极模型和吸力面阴极模型中进行处理；

利用网格曲面生成曲面组命令，将导入的数据点生成片体，并利用该片体剪切阴极模型，同时利用分型线针对模型边缘进行修剪，完成该阴极模型的处理，另外一个阴极模型以同样的方法进行处理，即完成一对具有初始型面的工作阴极建模。

2.按照权利要求1所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，其特征在于：所述的工作阴极型面的数字化修正方法：通过对拍摄出的叶片网格的计算、偏移、拟合或逆向建模，可快速准确完成精密电解阴极的迭代设计；缩短压气机叶片精密电解工艺开发周期。

3.按照权利要求2所述的叶片精密电解阴极型面设计及数字化修正方法，其特征在于：所述的迭代过程如下：

1)在利用GOM三维光学测量设备完成检测后，同时对叶片型面和盆侧基准面进行拟合；

2)将带有检测数据点距离和矢量信息的点云文件存储成ASC格式文件；

3)用UG打开阴极原始模型；

4)通过在UG界面中选择菜单File→Execute→NX Open，在系统弹出的一个文件选择对话框中选择二次应用程序“XX.dll”；

“XX.dll”是在Visual Studio环境下开发的点云计算程序，它能将阴极型面通过带有距离信息和矢量信息的ASC格式文件直接计算成新的点云数据，即新的阴极数据点；

5)在“XX.dll”程序对话框中选择点云文件，开始计算；程序自动将每100个点的计算结果存成一个文件，全部计算完成后会再生产一个总的点云文件；

6)新的点云文件能通过GOM三维光学测量设备打开预览优化效果；也能通过UG中Imageware导入UG生成新的阴极型面。

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