CN113333878B - 一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，包括：套形加工电极、左侧进液装置和右侧进液装置；左侧进液装置和所述右侧进液装置分别设置在所述套形加工电极的两侧，用于从待加工件的两侧向待加工区域补充电解液，套形加工电极与电源负极连接，待加工件与电源正极连接，且套形加工电极在电解加工机床的驱动下进行运动，所述套形加工电极用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部进行加工。本发明建立了沿套形加工电极两侧向加工区域供液的开放式多路供液流场布局，实现了整个弯扭变截面叶片的电解加工，解决了传统套形加工由于流场不断变化无法形成稳定一致的加工流场、加工区域边缘易缺少电解液发生短路的难题，适用于复杂弯扭变截面叶片的电解加工成型。

Description

一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置

技术领域

本发明涉及电化学加工技术领域，特别是涉及一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置。

背景技术

整体叶盘是新型航空发动机结构创新与技术跨越的核心部件，但由于结构复杂，而且通常采用难加工材料，给制造技术带来了巨大挑战。整体叶盘的叶片数目多，叶栅通道狭窄，材料去除量大，提高加工的稳定性和加工效率成为整体叶盘加工工艺研究的重点。电化学加工凭借其鲜明的特点在整体叶盘的加工领域显示了突出的优势，是除高速数控铣削之外目前及今后航空发动机整体叶盘叶型加工采用的主要方法之一。加工时工件接加工电源正极，加工电极接加工电源负极，两极间施加一定的加工电压并保持一定的加工间隙，加工间隙内通过高速流动的电解液，工件产生电化学阳极溶解去除，从而实现加工。

整体叶盘叶片电化学加工方法主要包括叶片粗成形和精成形两种加工工艺。如附图4上侧附图所示，为现有技术中使用的带水套的套形加工电极的结构示意图，该套形加工电极在加工进给过程中适合加工附图4中间附图所示的等截面叶片，不适合加工附图4下端所示的弯扭变截面叶片。如附图1所示，图1为使用上述套形加工电极进行叶片粗成形加工工艺流程示意图，在叶片粗成形加工工艺中通常采用套形加工电极在整体叶盘坯件上电解加工叶栅通道，在整体叶盘坯件上加工出具有初成形叶片，完成整体叶盘坯件上的叶片粗成形加工。之后，如附图2所示，图2为叶片精成形加工工艺流程示意图，在精成形加工时，针对整体叶盘坯件上的初成形叶片，主要通过叶盆/叶背两个加工电极同时进入两个叶栅通道，采用相向运动的加工方式，实现叶盆、叶背、根部及流道面的同时精成形。

现有的整体叶盘叶片套形加工方法主要用于轮廓形状简单、等截面、弯扭角度小(一般小于5°)、叶栅间距大的整体叶盘叶片的电解加工。而航空发动机整体叶盘上的叶片结构较为复杂，其界面的形状和空间位置变化大，叶片密集程度高。由于其叶片扭转角度大、叶栅间距小的特点，要求套形加工水套在不与毛坯干涉的同时，兼具一定的刚性，以承受较高的电解液压力，目前尚无适合的绝缘材料能够满足实际使用要求。

传统的叶片电解套形加工的电极工装结构形式及流场方式主要用于等截面、弯扭角度小的叶片的电解粗成形，无法应用于弯扭变截面叶片加工，具体问题如下：

(1)如附图3所示，图示中的进液装置位于套形加工电极之后，与套形加工电极连为一体，加工时进液装置和套形加工电极一起进给，加工出的叶片部位处于进液装置和套形加工电极中间。这种套形加工方式的电解液进液口位于整个进液装置的最里面和套形加工电极的最远端(图3中的最下端)，而加工区处于套形加工电极处，随着加工过程的进行，已加工出的叶片部位逐步进入进液装置，对电解液的流动起阻碍作用，使流经加工区的电解液量大幅下降，接近加工终点时，其阻碍作用尤为明显，容易在最里端形成易缺水区域。因此整个套形加工过程中的流场状态是不断变化的，无法形成稳定一致的加工流场，不利于加工的顺利稳定进行，也不利于保证已套出的叶片轮廓形状精度，通常需要采用较高的电解液压力(1.8-2.4MPa)以获得较高的流速来保证加工持续稳定进行，对水套刚性要求非常高。

(2)传统的正冲式套形电解加工电解液流动方式为发散流场，由于进出口处流道有较大的转折，速度压力变化较大，使得流场的均匀性差，参阅附图3所示，在远离套形加工电极出口的加工区域缺水造成短路，不利于提高加工过程的稳定性和加工精度，往往需要采取其他补水措施，使得工装电极结构复杂。

(3)弯扭结构的水套设计制造难度大，由于要将加工出的叶型封闭在水套中，因此要在水套中加工出封闭的弯扭型腔，且水套内壁面不能与加工出的叶型发生干涉，同时还要留有电解液流动的通道，保证一定的水套厚度以承受较高的电解液压力。受结构和空间的制约，传统套形电解加工无法实现叶栅间距小(≤10mm)、弯扭程度大的叶片套形加工。

由于传统叶片电化学套形加工方法无法实现弯扭变截面叶片的加工，因此，如何提出一种新的叶片电化学套形加工方法，有效改善电解液流场，提高加工过程稳定性和加工精度，实现航空发动机整体叶盘上高密集度弯扭变截面叶片的电化学套形加工是本领域技术人员需要解决的技术难题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，包括：套形加工电极、左侧进液装置和右侧进液装置。有效改善了电解液流场，提高加工过程稳定性和加工精度。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，包括：套形加工电极、左侧进液装置和右侧进液装置；所述左侧进液装置和所述右侧进液装置分别设置在所述套形加工电极的两侧，用于从待加工件的两侧向待加工区域补充电解液，所述套形加工电极与电源负极连接，待加工件与电源正极连接，且所述套形加工电极在电解加工机床的驱动下进行运动，所述套形加工电极用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部进行加工。

进一步地，所述加工装置还包括辅助进液装置，所述辅助进液装置用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部补充电解液。

进一步地，所述左侧进液装置、所述右侧进液装置和所述辅助进液装置通过机床进液管连通至电解液槽。

进一步地，所述待加工件设置在所述电解加工机床上，用于在所述电解加工机床的驱动下直线轴移动和/或沿径向进给。

进一步地，所述左侧进液装置和所述右侧进液装置分别通过对应的电极支架与所述套形加工电极连接。

进一步地，所述套形加工电极通过连接座连接至所述电解加工机床上。

进一步地，所述电解液包括浓度为10％-20％的NaNO₃水溶液。

进一步地，所述电解液的工作温度15℃-35℃，电解液的压强为0.5MPa-1.5MPa。

进一步地，所述电源输出的电解加工的工作电压为12V-24V。

(3)有益效果

本发明实施例建立了沿套形加工电极两侧向加工区域供液的开放式多路供液流场布局，实现了整个弯扭变截面叶片的电解加工，解决了传统套形加工由于流场不断变化无法形成稳定一致的加工流场、加工区域边缘易缺少电解液发生短路的难题；同时，本发明实施例的套形加工电极与左侧进液装置和右侧进液装置分离设计，降低了加工电极的结构复杂度，解决了复杂弯扭结构的水套设计制造难度大而无法有效应用于弯扭变截面叶片加工的问题。而且，本发明实施例中左侧进液装置和右侧进液装置设置在套形加工电极的两侧，左侧进液装置和右侧进液装置与套形加工电极一起同步运动，解决了叶片之间叶栅通道狭窄带来的加工出的叶型与水套干涉的问题，电解液的流场状况在电化学套形加工中的每个位置始终保持一致，加工过程稳定；最后，本发明实施例采用无封闭水套式阴极结构，套形加工电极由电解加工机床驱动，因此，套形加工电极可以按照复合加工路径进行移动旋转，不受叶型截面形状和位置限制。

综上所述，本发明实施例的电化学套形加工装置适用于复杂弯扭变截面叶片的电解加工成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中整体叶盘上的叶片粗成形加工示意图。

图2是现有技术中整体叶盘上的叶片精加工示意图。

图3是现有技术中进液装置和套形加工电极的结构及利用此加工的工件示意图。

图4是现有技术中进液装置和套形加工电极的结构及利用此加工的工件示意图。

图5是本发明一实施例应用在整体叶盘上的工作原理示意图。

图6是本发明一实施例中弯扭变截面叶片电化学套形加工装置的结构示意图及加工完成以后的叶片示意图。

图中：连接座1、电极支架2、套形加工电极3、左侧进液装置4、右侧进液装置5、整体叶盘工件6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

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。

下面将参照附图1-附图6并结合实施例来详细说明本申请。

根据本发明实施例的一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，包括：套形加工电极、左侧进液装置和右侧进液装置；所述左侧进液装置和所述右侧进液装置分别设置在所述套形加工电极的两侧，用于从待加工件的两侧向待加工区域补充电解液，所述套形加工电极与电源负极连接，待加工件与电源正极连接，且所述套形加工电极在电解加工机床的驱动下进行运动，所述套形加工电极用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部进行加工。

附图5所示，图5为本发明实施例所述加工装置应用在整体叶盘上的工作原理示意图。

本发明实施例的弯扭变截面叶片电化学套形加工装置将套形加工电极与左侧进液装置和右侧进液装置分离开，从而降低了加工电极的结构复杂度，更加适用于整体叶盘中空间小、结构复杂的弯扭变截面叶片的成型加工。同时，本发明实施例将进液装置设置在待加工件的左右两侧，左侧进液装置和右侧进液装置分别从两侧向待加工区域补充电解液(如附图5箭头所示)，该电解液补充方式使得在整个电化学套形加工过程中，加工区域的电解液流场始终处于相同的状况，加工流场的一致性保证了叶片各截面轮廓形状成型精度的一致性和加工过程稳定性，解决了现有技术中存在部分区域电解液分布不均匀充分的问题；且该结构分立设置，套形加工电极、左侧进液装置和右侧进液装置结构简单，不需要结构复杂的封闭式水套，设计制造容易实现；除此之外，本发明实施例中左侧进液装置和右侧进液装置分别在套形加工电极的两侧，在加工过程中可以与套形加工电极随动，可以避免进给过程中由于叶栅通道较窄导致叶型与水套发生干涉的问题。最后，本发明实施例中套形加工电极接电源负极，待加工件接电源正极，随着套形加工电极相对于待加工工件表面径向的进给和/或旋转运动，通电后在套形加工电极端部与待加工工件的相应部位发生电化学阳极溶解反应，实现材料去除，直至完成整个叶片的套形加工。

综上所述，本发明实施例建立了沿套形加工电极两侧向加工区域供液的开放式多路供液流场布局，实现了整个弯扭变截面叶片的电解加工，解决了传统套形加工由于流场不断变化无法形成稳定一致的加工流场、加工区域边缘易缺少电解液发生短路的难题；同时，本发明实施例的套形加工电极与左侧进液装置和右侧进液装置分离设计，降低了加工电极的结构复杂度，解决了复杂弯扭结构的水套设计制造难度大而无法有效应用于弯扭变截面叶片加工的问题。而且，本发明实施例中左侧进液装置和右侧进液装置设置在套形加工电极的两侧，左侧进液装置和右侧进液装置与套形加工电极一起同步运动，解决了叶片之间叶栅通道狭窄带来的加工出的叶型与水套干涉的问题，电解液的流场状况在电化学套形加工中的每个位置始终保持一致，加工过程稳定；最后，本发明实施例采用无封闭水套式阴极结构，套形加工电极由电解加工机床驱动，因此，套形加工电极可以按照复合加工路径进行移动旋转，不受叶型截面形状和位置限制。

具体地，根据本发明的又一实施例，所述加工装置还包括辅助进液装置，所述辅助进液装置用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部补充电解液。本发明实施例采用沿电极两侧供液、从叶尖或叶尖两侧向叶根处冲液的多路供液方式，沿电极两侧供液排除了加工区边缘缺水的可能，叶尖或叶尖两侧向叶根处供液起到了补水的作用，从而使得整个加工区域电解液的流场均匀充足，满足电解加工的实际需求。

具体地，根据本发明的又一实施例，所述左侧进液装置、所述右侧进液装置和所述辅助进液装置通过机床进液管连通至电解液槽。利用电解液槽可以向左侧进液装置、所述右侧进液装置内源源不断内提供电解液，以使得左侧进液装置、所述右侧进液装置在电解加工时向待加工区域不断地补充电解液。

具体地，根据本发明的另一实施例，所述待加工件设置在所述电解加工机床上，用于在所述电解加工机床的驱动下直线轴移动和/或沿径向进给。本发明实施例的套形加工电极一般在电解加工机床的驱动下进行径向进给、旋转运动等，配合待加工件的直线轴移动和/或沿径向进给可以实现对待加工件的自由加工操作，便于加工成型出弯扭变截面叶片。

具体地，根据本发明的一实施例，所述左侧进液装置和所述右侧进液装置分别通过对应的电极支架与套形加工电极连接。左侧进液装置和所述右侧进液装置与套形加工电极连接以后，在套形加工电极移动过程中左侧进液装置和所述右侧进液装置也会随之同步运动，解决了叶片之间叶栅通道狭窄带来的加工出的叶型与水套干涉的问题，电解液的流场状况在电化学套形加工中的每个位置始终保持一致，加工过程稳定。

具体地，根据本发明的又一实施例，所述套形加工电极通过连接座连接至所述电解加工机床上，这样加工电机可以通过电解加工机床的驱动进行移动实现对待加工件的电解加工。

具体地，在本发明的一个实施例中，所述电解液包括浓度为10％-20％的NaNO₃水溶液，所述电解液的工作温度15℃-35℃，电解液的压强为0.5MPa-1.5MPa，所述电源输出的电解加工的工作电压为12V-24V。在本发明实施例中，电解液包括浓度、工作温度、压强以及电源的工作电压都可以根据实际情况而定，不应构成对本申请的限制，例如电解液包括浓度为10％的NaNO₃水溶液，工作温度为15℃，压强为0.5MPa以及电源的工作电压12V等，或电解液包括浓度为15％的NaNO₃水溶液，工作温度为25℃，压强为1MPa以及电源的工作电压18V等，或电解液包括浓度为20％的NaNO₃水溶液，工作温度为35℃，压强为1.5MPa以及电源的工作电压24V等。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体另一个实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明中的待加工件为高温合金整体叶盘，材料为GH4169，整体叶盘周向均布数十片叶片，叶片尺寸约为31mm×23mm×1mm。

参阅附图6所示，根据零件加工要求，设计制造了电解加工套形阴极和装夹工装，同时结合附图5所示的工作原理示意图，本发明实施例的弯扭变截面叶片电化学套形加工装置主要包括连接座1、电极支架2、套形加工电极3、左侧进液装置4、右侧进液装置5和辅助进液装置。

根据整体叶盘工件6(也就是待加工件)的型面、预设电解加工工艺参数确定套形加工电极3的套形加工面形状和尺寸。套形加工电极3经过电极支架2和连接座1安装在电解加工机床设备Z轴阴极安装面上，其中电极支架2通过中空定芯块与连接座1连接；左侧进液装置4、右侧进液装置5经过电极支架2和连接座1连接，辅助进液装置设置在电极支架2与连接座1之间的中空定芯结构上，从套形加工电极3进行补充电解液，也就是从叶片的叶尖部向叶根部补充电解液。

设定套形加工电极3与整体叶盘工件6之间的初始加工间隙为Δ₀＝0.5mm，电解液采用沿电极两侧供液为主、从叶尖向叶根冲液为辅的多路供液方式，左侧进液装置4和右侧进液装置5布置在电极3两侧并紧密配合。整体叶盘工件6的端面与电加工机床的工作台面配合并保持一定的压力接触，实现电传导。

选定电解加工工艺参数和电源参数，按设定加工间隙调整电极端面与整体叶盘工件6所需位置，安装完成后，整体叶盘工件6与套形加工电极3分别与直流加工电源的正负极连接，将机床进液管与入液管嘴连通至电解液槽；选定电解加工工艺参数和电源参数，极间通以一定的加工电压，电解液以一定的压力从加工间隙中高速冲刷，套形加工电极3同时进给，直至加工完成后阴极退回。

加工参数可以选择为：电解液为15％NaNO₃水溶液，电解液温度25℃；电解液压力为1MPa；加工电压：18V；加工进给速度为1mm/min，加工行程30mm，完成一个叶片套形加工后，停止进给，切断电源，套形加工电极3退回。

加工结果：加工时长约为30min，得到的叶片叶型完整，表面质量好，尺寸、形状、位置角度满足零件设计要求。

如附图6所示，本发明实施例所示加工装置及方法通过工艺试验验证以及在整体叶盘叶片的加工中的实际使用，完全达到了整体叶盘弯扭变截面叶片电化学套形加工的要求和目的，应用效果良好。

综上所述，本发明实施例建立了沿套形加工电极3两侧向加工区域供液的开放式多路供液流场布局，实现了整个弯扭变截面叶片的电解加工，解决了传统套形加工由于流场不断变化无法形成稳定一致的加工流场、加工区域边缘易缺少电解液发生短路的难题。而且，本发明实施例中左侧进液装置4和右侧进液装置5设置在套形加工电极3的两侧，与套形加工电极3分离设置，左侧进液装置4和右侧进液装置5与套形加工电极3一起同步运动，解决了叶片之间叶栅通道狭窄带来的加工出的叶型与水套干涉的问题，电解液的流场状况在电化学套形加工中的每个位置始终保持一致，加工过程稳定；最后，本发明实施例采用无封闭水套式阴极结构，套形加工电极3由电解加工机床驱动，因此，套形加工电极3可以按照复合加工路径进行移动旋转，不受叶型截面形状和位置限制。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，其特征在于，包括：套形加工电极、左侧进液装置和右侧进液装置；所述左侧进液装置和所述右侧进液装置分别设置在所述套形加工电极的两侧，用于从待加工件的两侧向待加工区域补充电解液，所述套形加工电极与电源负极连接，待加工件与电源正极连接，且所述套形加工电极在电解加工机床的驱动下进行运动，所述套形加工电极用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部进行加工；所述左侧进液装置和所述右侧进液装置在加工过程中与所述套形加工电极随动；

所述加工装置还包括辅助进液装置，所述辅助进液装置用于从待加工件的叶片的叶尖部向叶根部补充电解液；所述左侧进液装置、所述右侧进液装置和所述辅助进液装置通过机床进液管连通至电解液槽；所述左侧进液装置和所述右侧进液装置分别通过对应的电极支架与所述套形加工电极连接；所述待加工件设置在所述电解加工机床上，用于在所述电解加工机床的驱动下直线轴移动和/或沿径向进给。

2.根据权利要求1所述的一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，其特征在于，所述套形加工电极通过连接座连接至所述电解加工机床上。

3.根据权利要求1所述的一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，其特征在于，所述电解液包括浓度为10％-20％的NaNO₃水溶液。

4.根据权利要求3所述的一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，其特征在于，所述电解液的工作温度15℃-35℃，电解液的压强为0.5MPa-1.5MPa。

5.根据权利要求1所述的一种弯扭变截面叶片电化学套形加工装置，其特征在于，所述电源输出的电解加工的工作电压为12V-24V。

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