CN114682863A - 双面组合双阴极及分段控电整体叶盘电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双面组合双阴极及分段控电整体叶盘电解加工方法，属于电解加工领域。该方法特点在于：采用双面组合的双工具阴极同时进给进行整体叶盘的叶栅通道与叶片全型面分步电解加工，各加工阴极独立引电，相互绝缘且非加工面涂覆绝缘层。在分步电解过程中，首先切换至两端面加工阴极引电同时作径向进给复合运动进行叶片两侧的叶栅通道粗加工，然后切换至叶盆、叶背面加工阴极引电作相向进给复合运动进行叶片型面精加工。采用本发明方法在同加工周期内分步电解依次完成叶片全型面加工，无需分开设计更换阴极与夹具，避免了传统整体叶盘通道预加工和型面精加工分离式电解加工的弊端，提高了加工效率且保证了加工质量与精度。

Description

双面组合双阴极及分段控电整体叶盘电解加工方法

技术领域

本发明属于电解加工技术领域，尤其涉及一种双面组合双阴极及分段控电整体叶盘电解加工方法。

背景技术

21世纪以来，随着航空技术的飞速发展，航空发动机作为航空飞机的动力中心，其性能的提高是推动航空航天事业进一步发展的关键。叶盘作为航天发动机的核心部件，其设计水平与加工质量对航空发动机性能的影响有着决定性作用。传统叶盘结构采用叶片与轮毂通过榫头榫槽装配，在先进航空发动机设计中，为提高工作效率、增大推重比、工作可靠、寿命更长，目前研究逐渐以整体叶盘代替传统叶盘。而整体叶盘多由耐高温、耐高压、高强度、高硬度材料构成，构件结构中存在许多弯扭薄型叶片的型面以及复杂造型的型腔，且加工精度要求高。由于其难加工制造已成为世界顶级制造技术难题之一。

电解加工是一种电化学加工方法，其主要原理是通过阳极电化学溶解来去除工件材料的特种加工技术。电解加工的优点在于工具阴极无损耗、加工效率高、表面质量好、可加工任何难切削金属材料、加工中无机械切削应力产生、且加工过程稳定等优点，在国内外普遍应用。

目前整体叶盘电解加工工艺一般分为两道工序：叶栅通道预加工和叶片型面精加工。叶栅通道预加工作为第一道工序，主要目的是去除工件毛坯绝大部分材料且加工出具有一定余量和精度的叶片毛坯。叶片型面精加工作为第二道工序，主要目的是进一步去除叶片毛坯余量，以达到理想型面的加工精度要求。目前整体叶盘叶栅通道预加工的电解方法主要分为套料电解加工与数控电解加工。套料加工主要适用于等截面叶片的加工，加工速度快，加工效率高，但难加工复杂型腔、型面。数控电解加工将数控技术与电解加工技术结合，使用简单成形工具阴极，通过数控轨迹控制，可实现复杂曲面的整体叶盘叶片加工。叶片型面精加工方法主要通过两个成型阴极置于叶片毛坯两侧相向进给从而加工成理想叶片型面。

在专利“整体叶盘电解开槽用电极和整体叶盘电解开槽加工方法”(申请号201210367002.5申请人沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，发明人王德新 朱海南于冰 盛文娟)中，采用空心指状结构阴极，通过套料电解方式，保证了电解开槽的复制精度。与之相比，本专利采用数控电解加工，可以加工复杂扭曲型面的叶片。

在专利“一种整体叶盘电解开槽加工环形电极及工艺方法”(申请号201410513097.6申请人沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，发明人朱海南杨涧石于冰李伟)中，采用环形电极一种整体叶盘电解开槽加工，解决传统加工方法效率低、成本高、质量不稳定的难题。与之相比，本专利采用数控电解加工，加工柔性好，加工应用范围广。

在专利“一种电解加工大扭曲叶片整体叶盘的内腔可变工具阴极”(申请号201910326896.5申请人安徽理工大学，发明人孙伦业陈浩王晖)中，采用内腔可变的工具阴极结构，通过套料电解结合机械仿形运动，加工出大扭曲叶片整体叶盘。与之相比，本专利采用数控电解加工工艺流程简单，加工效率高。

在专利“等截面高温合金整体叶盘电解加工工艺”(申请号202110423072.7申请人沈阳航天新光集团有限公司，发明人蒋贵强孙建通徐静曲光栋张楠)中，采用套料电解的方式，进行等截面高温合金整体叶盘电解加工，满足整体叶盘产品的复杂工作环境，与之相比，本专利采用数控电解加工可加工非等截面扭曲叶片的复杂型腔型面。

在专利“柔性电极动态变形电解加工方法及应用”(申请号202110860375.5申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐正扬刘琳)中，采用弯曲变形的管状或棒状金属工具电极扫掠式电解加工闭式整体叶盘的复杂型面，提高电解加工效率，保证加工精度。与之相比，本专利采用径向运动与相向运动的分步电解方法，适用于开式整体叶盘加工。

在专利“一种闭式整体叶盘流道电解加工设备及方法”(申请号202111247203.7申请人南京航浦机械科技有限公司，发明人杨柳柳刘超赵建社张昌昊)中，采用流道翻转加工的方式进行闭式叶盘型面加工，且有效去除进气边与排气边的余量。与之相比，本专利采用双工具阴极分步数控电解方法，对开式整体叶盘叶片全型面加工。

在专利“空间旋转进给复合工件倾斜摆动整体叶盘电解加工方法”(申请号201410457130.8申请人南京航空航天大学，发明人朱栋谷洲之刘嘉方忠东徐正扬朱荻)中，通过工具电极空间旋转进给复合工件倾斜摆动的方式完成整体叶盘叶栅通道电解加工。与之相比，本专利在叶栅通道预加工后，同加工周期完成叶片全型面加工。

在专利“一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法”(申请号202110929851.4申请人合肥工业大学，发明人张聚臣刘洋陈顺华常伟杰)中，采用五轴并联机器人和回转工作台一次加工生成整体叶盘的叶栅通道。与之相比，本专利采用安装在两轴数控加工轴上的双面组合整体式工具阴极依次完成叶栅通道预加工后与叶片全型面精加工。

在专利“一种非匀速双旋转整体叶盘叶栅通道电解加工方法”(申请号201910756930.2申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬王璟朱荻)中，在电解加工叶栅通道过程中，工具阴极与叶盘均作变速旋转运动，加工出的余量均匀且表面质量高。与之相比，本专利采用双面组合双工具阴极作空间复合运动完成通道叶片全型面加工。

在专利“一种整体叶盘叶片电解精加工成形装置及其整体叶盘叶片加工成形方法”(申请号201310590896.9申请人南京航空航天大学，发明人王福元赵建社徐家文)中，通过五轴四联动电解加工机床，实现自由曲面整体叶盘叶片精加工。与之相比，本专利采用双工具阴极，不仅同周期内可加工叶珊通道，而且一次加工出双通道提高加工效率。

在专利“叶片全轮廓供液的整体叶盘电解加工装置及方法”(申请号202010730223.9申请人南京航空航天大学，发明人朱栋郭建伟朱荻)中，分别对叶片的叶片全轮廓供液，提高加工稳定性和重复精度，实现整体叶盘全轮廓型面加工。与之相比，本专利采用双工具阴极双面电极单独引电，可进一步提高叶片加工精度。

在专利“一种整体叶盘电解加工方法”(申请号201811128151.X申请人中国航空制造技术研究院，发明人黄明涛张明岐程小元傅军英)中，采用的加工工具的加工头包括叶盆型面和叶背型面，完成叶栅通道与叶片型面精加工。与之相比，本专利采用双工具阴极双面组合（端面与叶盆面工具、端面与叶背面工具），在叶栅通道加工时仅端面引电，保证通道后叶片毛坯余量。此外采用双叶栅通道同时加工提高了加工效率。

在专利“空间旋转和平移协同运动的整体叶盘一体化电解成型方法”(申请号201910800505.9申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬王京涛王璟朱荻)中，通过工具阴极和工件空间相互旋转径向复合运动实现整体叶盘叶栅通道、叶背型面、叶盆型面一次电解成型。与之相比，本专利采用双面组合双阴极单独引电分步电解，保证了各型面加工精度。

在整体叶盘毛坯加工成理想型面的过程中，目前大多研究都需要两个电解加工周期，即采用叶栅通道预加工与叶片型面精加工两道分离式工艺。在一个周期内完成加工的研究较少，一方面主要原因为叶栅通道预加工与叶片型面精加工为不同的加工对象与运动轨迹，采用同一个工具阴极难以满足加工要求；另一方面为同周期内采用单个工具阴极通电会使全型面同时进行电解加工，加工精度降低。此外，针对不同的加工工序需单独设计加工阴极以及夹具，在不同电解加工机床上拆卸装夹夹具进行单独加工，导致加工效率过低，加工周期过长，定位与加工精度降低。因此，为了简化阴极设计步骤，提高加工效率，缩短加工周期，减少装夹定位误差，保证加工精度，本发明提出了一种双面组合双阴极的整体叶盘通道全型面分步电解成型方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是在于简化阴极设计步骤，提高加工效率，缩短加工周期，减少装夹定位误差，保证加工精度，提出了一种双面组合双阴极及分段控电整体叶盘电解加工方法。

技术方案：一种双面组合双阴极，其特征在于：电解加工阴极采用双工具阴极结构，双工具阴极分别位于待加工叶片两侧，分别连接两侧的分段控电装置并共同固定在加工轴上；双工具阴极均采用双面组合既分离又整体式结构，即叶背一侧的工具阴极由叶背面加工阴极与叶背侧端面加工阴极组合而成；叶盆一侧的工具阴极由叶盆面加工阴极与叶盆侧端面加工阴极组合而成；一方面，叶背面加工阴极、叶背侧端面加工阴极、叶盆面加工阴极和叶盆侧端面加工阴极这四者均独立引电、构成分离式阴极；另一方面，叶背面加工阴极和叶背侧端面加工阴极之间，以及叶盆面加工阴极和叶盆侧端面加工阴极之间分别通过绝缘块连接构成整体式结构阴极；此外，上述四者的非加工面均涂覆绝缘层，以避免杂散腐蚀。

利用所述双面组合双阴极的分段控电整体叶盘电解加工方法，其特征在于包括以下过程：步骤一：驱动双面组合双阴极至两个叶栅通道加工的最佳进给位置，调节两侧的分段控电装置使对应的叶背侧端面加工阴极、叶盆侧端面加工阴极同时引电，然后驱动双工具阴极沿着整体叶盘毛坯径向作径向进给复合运动，同时整体叶盘毛坯绕其中心轴旋转，完成两组叶栅通道粗加工和叶盘轮毂面加工；步骤二：在同工位下，调节分段控电装置切换电极使两侧的叶盆面加工阴极与叶背面加工阴极引电，驱动两侧双面组合阴极相向运动至各自对应的叶盆、叶背待加工型面的最佳进给位置，然后保持整体叶盘毛坯固定不动，驱动两侧工具阴极向待加工面作空间进给复合运动，完成单个叶片的全型面电解精加工；步骤三：驱动两侧双面组合阴极退回加工初始位置，依次驱动整体叶盘毛坯以初始叶片位置为起点，绕毛坯中心旋转轴旋转角度360k/n deg，其中n为叶片数量，k为偶数；重复上述加工步骤，依次完成从初始叶片起奇数位置所有叶片的全型面精加工，同时整体叶盘所有叶栅通道均已预加工成型；步骤四：驱动两侧双面组合阴极退回加工初始位置，依次驱动整体叶盘毛坯以初始叶片位置为起点，绕毛坯中心旋转轴旋转角度360k/n deg，其中n为叶片数量，k为奇数；驱动两侧双面组合阴极沿叶盘毛坯径向方向进给至偶数位置叶片毛坯两侧已加工出的叶栅通道处，单独重复步骤二，依次完成从初始叶片起偶数位置叶片的全型面精加工，最终在一个加工周期内通过分步电解的方法依次完成整体叶盘所有叶栅通道预加工以及叶片全型面精加工。

有益效果：与现有技术相比，本发明存在如下显著特点：

（1）、提供了一种双面组合双工具阴极的结构。双工具阴极位于待加工叶片两侧，均采用双面组合既分离又整体式结构，叶背一侧的工具阴极由叶背面加工阴极与端面加工阴极组合而成，叶盆一侧的工具阴极由叶盆面加工阴极与端面加工阴极组合而成。双面加工阴极通过绝缘块连接构成整体式结构阴极且非加工面均涂覆绝缘层。

（2）、提供了一种双面组合双阴极分步独立引电的加工方法。双面组合的双工具阴极分别连接两侧的分段控电装置实现叶片两侧双面组合整体式加工阴极分步独立引电。通过调节分段控电装置控制各面加工阴极与加工电源的连接与断开，在同工位下能够切换不同加工阴极引电状态实现叶栅通道粗加工与不同型面电解精加工。

（3）、提供了一种双面组合双阴极同加工周期内分步电解的叶片全型面加工方法。在叶栅通道开槽与叶盘轮毂面加工时使双面组合双阴极中的两端面加工阴极同时引电，以两侧阴极前端面作为加工面沿整体叶盘毛坯同时作径向电解加工。在叶片两侧的叶盆叶背型面加工时，使双面组合双阴极中的叶盆面加工阴极与叶背面加工阴极单独引电，以两侧阴极的叶盆与叶背面作为加工面朝中间叶片毛坯作相向电解加工。

（4）、双面组合双阴极加工效率高，加工周期短。由于在加工过程中，双工具阴极同时完成叶栅通道与叶片型面加工，一次加工即可完成两个通道的开槽与一个叶片全型面加工，简化了整体叶盘通道全型面加工流程，提高了加工效率，缩短了加工周期。

（5）、双面组合双阴极加工灵活性高，结构设计简单。由于双工具阴极采用双面加工阴极组合的方式，可以针对要求的叶片各理想型面单独设计加工阴极进行组装，简化了阴极结构设计。此外，在加工过程中，当单个阴极工具损坏后单独替换即可，无需更换整个阴极，缩短了阴极制作周期，提高了加工灵活性。

（6）、分步电解加工保证了叶片加工余量，提高了加工精度。在分步加工过程中，由于各阴极单独引电，相互绝缘，在进行待加工面电解加工时使非加工面不发生电解反应，避免杂散腐蚀的影响，保证了叶栅通道加工后叶片毛坯余量，提高了加工精度。

附图说明

图1为本发明中双面组合双阴极的整体叶盘通道全型面分步电解加工过程示意图；

图2为本发明中双面组合双阴极结构示意图；

图3为本发明中整体叶盘通道全型面分步电解加工过程局部放大图；

图中标号名称：机床工作转台1，整体叶盘毛坯2，叶盆侧组合工具阴极3，叶盆侧分段控电装置4，叶盆侧阴极杆5，叶盆侧空间进给轴6，待加工叶片7，叶背侧组合工具阴极8，叶背侧分段控电装置9，叶背侧空间进给轴10，叶背侧阴极杆11，叶盘中心旋转轴12，叶背侧绝缘块13，叶背侧端面加工阴极14，叶背侧绝缘涂层15，叶背面加工阴极16，叶盆面加工阴极17，叶盆侧绝缘涂层18，叶盆侧端面加工阴极19，叶盆侧绝缘块20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1和如图2所示，在本发明中整体叶盘电解加工方法中，将整体叶盘毛坯2作为阳极安装固定在机床工作转台1上，绕叶盘中心旋转轴12实现旋转运动；待加工叶片7两侧的双面组合双阴极为工具阴极，分别以空间进给轴6、10实现空间进给复合运动。两个工具阴极分别由两个面加工阴极组成，叶盆侧组合工具阴极3分别由叶盆面加工阴极17，叶盆侧端面加工阴极19，叶盆侧绝缘块20组成，两者接触面之间涂覆叶盆侧绝缘涂层18。叶背侧组合工具阴极8分别由叶背侧绝缘块13，叶背侧端面加工阴极14，叶背面加工阴极16组成，两者接触面之间涂覆叶背侧绝缘涂层15。两侧双面组合整体式工具阴极分别连接分段控电装置4、9固定在两侧加工轴的阴极杆5、11上，共同实现独立引电，分步电解。

采用本发明分步电解整体叶盘毛坯叶栅通道与叶片全型面的电解加工过程，包括如下步骤：

步骤S1，将整体叶盘毛坯2安装固定在机床工作转台1上，可实现0.01°旋转步长的运动精度。叶盘中心旋转轴12与工件转台中心轴线重合，整体叶盘毛坯2接电解加工电源正极。

步骤S2，将两侧双面组合整体式工具阴极3、8分别连接分段控电装置4、9固定在两侧加工轴的阴极杆5、11上，阴极杆安装在可以实现多轴联动的空间旋转进给轴6、10上，可实现0.001m平移与旋转步长的运动精度。空间旋转进给轴6、10分别连接电解加工电源负极；

步骤S3-1，启动阴极数控平台和工件数控平台，驱动两侧双面组合整体式工具阴极3、8分别至待加工叶片7两侧叶栅通道加工的最佳进给位置，调节两侧的分段控电装置4、9使两侧对应的端面加工阴极14、19连接加工电源实现同时引电。

步骤S3-2，开启电解液循环系统通入电解液，接通电解加工电源，按照设定的加工轨迹运行数控程序驱动双工具阴极3、8沿着整体叶盘毛坯径向作径向进给复合运动，同时整体叶盘毛坯2绕其中心轴12旋转，完成两组叶栅通道粗加工和叶盘轮毂面加工。

步骤S4-1，叶栅通道与轮毂面加工结束，断开电解加工电源，关闭电解液循环系统停止电解液供液。在同工位下，调节分段控电装置4、9切换电极使两侧的叶盆面加工阴极17与叶背面加工阴极16引电，驱动两侧双面组合阴极3、8相向运动至各自对应的叶盆叶背待加工型面的最佳进给位置。

步骤S4-2，开启电解液循环系统通入电解液，接通电解加工电源，按照设定的加工轨迹运行数控程序驱动保持整体叶盘毛坯2固定不动，驱动两侧工具阴极3、8向待加工叶片7作空间相向进给复合运动，完成单个叶片的全型面电解精加工。

步骤S5，当一组叶片型面的通道预加工与全型面精加工电解加工结束，断开电解加工电源，关闭电解液循环系统停止电解液供液。驱动两侧双面组合阴极3、8退回加工初始位置，依次驱动整体叶盘毛坯2以初始叶片位置为起点，绕毛坯中心旋转轴12旋转角度360k/n deg（n为叶片数量，k为偶数）。重复上述加工步骤S3、S4，依次完成从初始叶片起奇数位置所有叶片的全型面精加工，同时整体叶盘毛坯2的所有叶栅通道均已预加工成型。

步骤S5，当所有奇数位置叶片的通道全型面加工完成之后，断开电解加工电源，关闭电解液循环系统停止电解液供液。驱动两侧双面组合阴极3、8退回加工初始位置，依次驱动整体叶盘毛坯2以初始叶片位置为起点，绕毛坯中心旋转轴12旋转角度360k/n deg（n为叶片数量，k为奇数），驱动两侧双面组合阴极3、8沿叶盘毛坯径向方向进给至偶数位置叶片毛坯两侧已加工出的叶栅通道处，单独重复步骤S4，依次完成从初始叶片起偶数位置叶片的全型面精加工，最终在一个加工周期内通过分步电解的方法依次完成整体叶盘所有叶栅通道预加工以及叶片全型面精加工。

Claims (2)

1.一种双面组合双阴极，其特征在于：

电解加工阴极采用双工具阴极结构，双工具阴极分别位于待加工叶片两侧，分别连接两侧的分段控电装置并共同固定在加工轴上；

双工具阴极均采用双面组合既分离又整体式结构，即叶背一侧的工具阴极由叶背面加工阴极与叶背侧端面加工阴极组合而成；叶盆一侧的工具阴极由叶盆面加工阴极与叶盆侧端面加工阴极组合而成；

一方面，叶背面加工阴极、叶背侧端面加工阴极、叶盆面加工阴极和叶盆侧端面加工阴极这四者均独立引电、构成分离式阴极；另一方面，叶背面加工阴极和叶背侧端面加工阴极之间，以及叶盆面加工阴极和叶盆侧端面加工阴极之间分别通过绝缘块连接构成整体式结构阴极；此外，上述四者的非加工面均涂覆绝缘层，以避免杂散腐蚀。

2.利用权利要求1所述双面组合双阴极的分段控电整体叶盘电解加工方法，其特征在于包括以下过程：

步骤一：驱动双面组合双阴极至两个叶栅通道加工的最佳进给位置，调节两侧的分段控电装置使对应的叶背侧端面加工阴极、叶盆侧端面加工阴极同时引电，然后驱动双工具阴极沿着整体叶盘毛坯径向作径向进给复合运动，同时整体叶盘毛坯绕其中心轴旋转，完成两组叶栅通道粗加工和叶盘轮毂面加工；

步骤二：在同工位下，调节分段控电装置切换电极使两侧的叶盆面加工阴极与叶背面加工阴极引电，驱动两侧双面组合阴极相向运动至各自对应的叶盆、叶背待加工型面的最佳进给位置，然后保持整体叶盘毛坯固定不动，驱动两侧工具阴极向待加工面作空间进给复合运动，完成单个叶片的全型面电解精加工；

步骤三：驱动两侧双面组合阴极退回加工初始位置，依次驱动整体叶盘毛坯以初始叶片位置为起点，绕毛坯中心旋转轴旋转角度360k/n deg，其中n为叶片数量，k为偶数；重复上述加工步骤，依次完成从初始叶片起奇数位置所有叶片的全型面精加工，同时整体叶盘所有叶栅通道均已预加工成型；

步骤四：驱动两侧双面组合阴极退回加工初始位置，依次驱动整体叶盘毛坯以初始叶片位置为起点，绕毛坯中心旋转轴旋转角度360k/n deg，其中n为叶片数量，k为奇数；驱动两侧双面组合阴极沿叶盘毛坯径向方向进给至偶数位置叶片毛坯两侧已加工出的叶栅通道处，单独重复步骤二，依次完成从初始叶片起偶数位置叶片的全型面精加工，最终在一个加工周期内通过分步电解的方法依次完成整体叶盘所有叶栅通道预加工以及叶片全型面精加工。

Images