CN114749738A - 三面组合整体式阴极及分步电解整体叶盘全型面加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三面组合整体式阴极及分步电解整体叶盘全型面加工方法，属于电解加工领域。该方法特点在于：整体式阴极由三面（端面、叶盆面、叶背面）加工阴极与绝缘块连接作为工具阴极，三面加工阴极之间相互绝缘，独立引电，分步电解。在加工过程中，三面加工阴极分别与分段控电装置连接，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各型面电解精加工。采用本发明方法通过工具阴极与工件阳极的复合运动，在一个加工周期内分步电解依次完成加工，即可实现整体叶盘毛坯到理想叶片的全型面加工。本发明通过三面组合整体式阴极分步引电依次电解，实现整体叶盘的复杂型面精密加工，提高了加工效率且保证了表面加工质量与精度要求。

Description

三面组合整体式阴极及分步电解整体叶盘全型面加工方法

技术领域

本发明属于电解加工技术领域，尤其涉及一种三面组合整体式阴极及分步电解整体叶盘全型面加工方法。

背景技术

整体叶盘作为目前新型航空发动机的关键部件，其叶片与轮盘通过整体叶盘毛坯加工形成，减轻了发动机质量，提高了工件的可靠性与使用寿命。但整体叶盘常采用高强度、高硬度、耐高温等难加工材料且叶片型面多为空间自由扭曲的复杂结构，导致整体叶盘的加工制造方法成为当前研究人员广泛探索的问题。目前所采用加工方法主要有数控铣削、电火花加工、精密铸造、激光加工和电解加工等。

在专利“一种整体叶盘粗铣加工方法”(申请号CN202011037792.1申请人中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，发明人韩德印朱静宇魏松张积瑜赵天杨)中，将对接铣削加工区域按序划分为沿叶片积叠轴两侧交替呈阶梯递进的多个加工区域，各加工区域加工深度按照加工刀具直径进行选择，该方法与传统对接铣削开槽粗铣加工相比，在加工相同区域使刀具消耗减少30％～50％，刀具切削参数提高20％～30％。与之相比，本专利采用的电解加工无残余应力产生。

在专利“一种航空发动机整体叶盘的加工方法及设备”(申请号201810263276.7申请人北京汉飞航空科技有限公司，发明人高素芳)中，采用电火花线切割的方法应用到整体叶盘流道开槽掏料加工中，由于加工过程中无切削力及应力产生，不存在加工振动影响以及刀具磨损问题，从而提高了加工效率同时降低了加工成本。与之相比，本专利采用的电解加工无工具电极损耗。

在专利“一种航空发动机无余量整体叶盘的加工方法”(申请号202110655581.2申请人无锡卡仕精密科技有限公司，发明人丁建豪张力王俊李彦华邓元鑫田至娟)中，采用多喷头熔融沉淀成型3D打印机打印整体叶盘蜡模模型，然后真空熔炼浇注成形方式，得到无余量整体叶盘铸件，加工出的产品精度高，且能够节省时间和成本。与之相比，本专利采用的电解加工生产过程简单，技术难度较低。

在专利“一种无残余应力均质耐高温型SiCf/SiC涡轮整体叶盘的制备方法”(申请号201910456177.5申请人中南大学，发明人阳海棠黄小忠许慎微)中，采用超声切割方式和激光加工方式分别进行产品粗、精加工，最后在表面沉积耐高温涂层，制备的涡轮整体叶盘具有无残余应力、均质、耐高温的优点，显著提高涡轮整体叶盘的承载能力。与之相比，本专利采用的电解加工成本低，且无热变形产生。

电解加工技术是利用电化学阳极溶解进行加工的特种加工技术，具有加工效率高、工具无损耗、加工表面质量好等优点，已成为航空发动机整体叶盘的重要制造方法之一。整体叶盘电解加工工艺常分为两步工序：叶栅通道预加工和叶片型面精加工。第一步叶栅通道预加工主要目的是去除工件毛坯绝大部分材料且加工出存在一定余量和精度的叶片毛坯，同时在相邻叶片毛坯间加工出一条通道以方便精加工的进行。第二步叶片型面精加工目的是去除叶片毛坯上留有的微量余量，以达到标准叶片型面的要求。目前整体叶盘叶栅通道电解加工技术主要包括套料电解加工、数控展成电解加工、径向进给电解加工。

在专利“一种变截面叶片的精密电解加工方法”(申请号201910818869.X申请人中国航发动力股份有限公司，发明人王福平陈文亮雷晓晶胡思嘉李元任景刚杨波黄楚芃)中，依次采用选择套取叶型和整体复制的方法，实现整体叶盘开通道和叶片均匀化成形，实现变截面叶片型面精密电解加工过程的稳定化与加工质量，实现工程化应用。与之相比，本专利采用的电解加工阴极设计简单，可用于复杂型面加工。

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，加工时，夹具驱动轴带动连杆运动实现阴极内腔形状的变化，解决了传统的套料电解加工难以加工大扭曲变截面整体叶盘叶片的问题。与之相比，本专利采用的整体式阴极电解加工可实现通道和叶片全型面加工。

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，采用工具阴极沿叶盘毛坯径向进给的电解加工方法，加工过程中整盘毛坯与工具阴极协同变速旋转，使得成形的叶栅通道余量分布均匀且表面加工质量高。与之相比，本专利采用的三面组合整体式阴极电解加工可在此基础上实现叶片全型面精加工。

在专利“一种整体叶盘电解成形旋转开形工装及电解成形方法”(申请号201911052748.5申请人中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，发明人郑鑫刘海波桓恒陈东)中，采用套筒组件内的旋转开形工具对整体叶盘径向进给实现叶片的开形，加工出的叶片余量均匀，且精度高。与之相比，本专利采用的三面组合整体式阴极电解加工可在叶盘开形之后同工位下实现叶片全型面精加工。

目前叶片型面精加工技术主要通过叶片两侧各有一个成型阴极的相向进给将叶片型面加工成型，实现电解精加工。

在专利“一种双进给轴可偏摆角度的整体叶盘叶片电解加工机床”(申请号202110884490.6申请人南京航空航天大学，发明人刘嘉汪浩朱荻刘言)中，通过两个可偏摆角度的直线进给主轴以及可前后和上下运动的AC轴双回转工作台，满足切向进给叶片前缘和后缘精确修型加工的需求。与之相比，本专利采用的组合整体式阴极复合运动既可进给实现叶片的精加工与修型，也可完成叶栅通道粗加工。

在专利“一种整体叶盘的振动式电解成型加工装置”(申请号202022634707.1申请人常州心匠智能装备有限公司，发明人夏任波徐波夏健波)中，采用阴极上设置振动组件与驱动组件进行叶片型面精加工，能迅速排除加工过程中产生的热量和电解产物，使得电解液得到有效的更新，防止阴极被烧坏，有效提高叶盘叶片的加工质量。与之相比，本专利采用的整体式阴极可在一个加工周期内分步电解完成叶珊通道加工与叶片型面精加工，且保证加工质量。

随着加工效率与质量精度要求逐渐提高，目前研究开始朝着叶栅通道预加工与叶片型面精加工结合形成一体化加工的方向发展。

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，采用工具阴极做旋转运动和径向平移运动同时工件做微量旋转运动和微量平移运动的空间复合运动方式完成整体叶盘叶片型面一次电解成型加工。与之相比，本专利采用先径向进给再双向进给的复合运动来完成整体叶盘的一体化全型面加工。

在专利“一种整体叶盘电解加工方法”(申请号201811128151.X申请人南京航空航天大学，发明人黄明涛张明岐程小元傅军英)中，采用包括叶盆型面和叶背型面加工头的加工阴极作为阴极，在完成叶栅通道径向进给加工后，通过旋转整体叶盘毛坯完成叶盆与叶背型面的精加工，满足了低制造成本、高效率、高精度的加工要求。与之相比，本专利采用三面组合整体式阴极分步电解的方法，在进行叶栅通道加工过程中，仅端面电极引电，其余两面电极绝缘，保证了通道粗加工后叶片毛坯的余量。

在专利“一种整体叶盘一体化电解加工的方法及电解工具”申请号201911225268.4申请人合肥工业大学，发明人张聚臣李兴林陈远龙张斌)中，采用曲面阴极多轴联动进给与工件旋转运动，实现具有复杂扭曲形状的整体叶盘工件的叶盆、叶背和轮毂一体化电解成形。与之相比，本专利采用三面组合整体式阴极分步电解的方式，针对不同待加工面，通过切换不同工作电极的引电实现叶片全型面加工，且避免造成杂散腐蚀，保证了叶片加工精度与表面质量。

目前在整体叶盘电解加工的叶栅通道与叶片型面成形过程研究中，常采用单一整体电极，在加工时通过工件与工具的相互旋转和平移复合运动进行协同进给。然而在各个加工步骤过程中，单一整体的电极始终处于通电状态，导致在加工目标型面时，使非加工面同时进行电解，造成加工误差。目前已有的加工方法通过在阴极工具加工头中间插入绝缘板，在加工一侧的叶片型面时，使另一侧型面电极不通电。然而在进行叶栅通道加工时，叶盆与叶背型面加工头同时通电会使侧面间隙扩大，造成叶片毛坯余量减小，影响后续叶片型面精加工过程。因此，为解决上述问题，发明人提供了一种三面组合整体式阴极分步电解的整体叶盘全型面加工方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是一种三面组合整体式阴极及分步电解整体叶盘全型面加工方法，在一个加工周期内完成电解叶栅通道预加工与叶片型面精加工，在加工过程中切换不同面加工阴极单独引电分步电解以保证各型面的加工精度，可实现整体叶盘叶片的精密电解全型面加工。

一种三面组合整体式阴极，其特征在于：包括位于中间的端面加工阴极，还包括分别以对称方式位于端面加工阴极左右两侧的叶盆面加工阴极和叶背面加工阴极；上述阴极的三部分采用既分离又整体式的结构形式，即一方面它们各自单独引电构成分离式结构形式；另一方面它们三者通过绝缘块连接固定构成整体式结构形式；此外，它们三者的所有非加工面均涂覆绝缘层，使得单个加工阴极电解型面时另外两个加工阴极均不导电，避免造成杂散腐蚀影响。

所述的三面组合整体式阴极，其特征在于：上述端面加工阴极的纵剖面为“T字型”；上述叶盆面加工阴极和叶背面加工阴极的纵剖面分别为“反L型”和“L型”。

所述三面组合整体式阴极的分步电解整体叶盘全型面加工方法，其特征在于包括以下过程：一个加工周期内的叶片全型面电解加工过程共分为四个加工步骤；步骤一：驱动整体式阴极至叶栅通道加工的最佳进给位置，调节分段控电装置使端面加工阴极引电，然后驱动整体式阴极沿着整体叶盘毛坯径向作旋转径向进给复合运动，同时叶盘阳极绕其中心轴旋转，完成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叶盆面加工阴极或叶背面加工阴极引电，驱动整体式阴极至叶盆或叶背待加工型面的最佳进给位置，然后保持叶盘阳极固定不动，驱动整体式阴极向待加工面作空间进给复合运动，完成叶盆或叶背型面电解精加工；步骤三：在同工位下，调节分段控电装置切换电极使另一侧的叶背面加工阴极或叶盆面加工阴极引电，驱动整体式阴极反向运动至叶背或叶盆待加工型面的最佳进给位置，然后依旧保持叶盘阳极固定不动，驱动整体式阴极向待加工面作空间进给复合运动，完成另一侧叶背或叶盆型面电解精加工；步骤四：当一组通道的叶片全型面加工完之后，调节分段控电装置使端面加工阴极、叶盆面加工阴极和叶背面加工阴极均不引电，驱动整体式阴极按照设定的回退程序复位至初始加工位置，驱动整体叶盘阳极旋转360/n deg，其中n为叶片数量，重复上述加工步骤，最终完成整体叶盘毛坯的所有叶片加工。

有益效果：与现有技术相比，本发明存在如下显著特点：

（1）、提供了一种组合整体式阴极结构，三面组合整体式电极由端面加工阴极、叶盆面加工阴极与叶背面加工阴极三部分组合而成，三者通过绝缘块连接作为电解加工的工具阴极。三面组合的加工阴极之间相互绝缘，独立引电。

（2）、提供了一种对整体叶盘毛坯的理想叶片的不同型面分步电解成型的叶片全型面加工方法，通过整体式电极中的三面加工阴极分别与分段控电装置连接实现三面加工阴极分步引电，在轮毂面加工时使端面加工阴极独立引电，在叶盆型面加工时使叶盆面加工阴极独立引电，在叶背型面加工时使叶背面加工阴极独立引电，使整体式阴极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。通过独立引电，分步电解的方式，避免了非加工面的杂散腐蚀，保证了加工精度。

（3）、组合整体式阴极适用种类范围广，对于不同型面的复杂扭曲变截面叶片，可以针对性设计各加工阴极型面进行组装，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，降低了时间成本。

（4）、组合整体式阴极结构设计与优化过程简单，对各加工面能够调整空间进给方向，保证了叶片型面与轮毂面的余量均匀分布，提高了表面加工质量。此外电解加工过程中，无需设计复杂的运动轨迹，通过组合整体式成型阴极简单的复合运动进给即可加工出理想型面，简化了加工过程，提高了加工效率。

（5）、在双面（叶盆面、叶背面）组合电极之间增加端面加工电极且相互绝缘，使得在加工整体叶盘毛坯的叶栅通道时，单独引电端面加工阴极，两侧面加工阴极不导电，保证了通道预加工的余量分布同时提高了轮毂面的表面质量与加工精度。此外组合式阴极采用延伸阴极的结构，实现对叶片进气边与排气边的加工。

（6）、加工过程工艺参数可调范围增加，由于整个加工过程组合整体式阴极实现可控断电，在控制加工条件时，可以针对不同叶栅通道与叶片型面设定进给速度、进给方向、加工电压范围，无需考虑对其余非加工面的电解影响。

（7）、本发明中设计三面组合整体式阴极分步电解的叶片全型面加工，无需更换阴极与夹具，减少阴极设计优化流程与装夹定位时间，减小了重复装夹定位过程产生的误差，提高了加工位置和尺寸精度，保证了整体叶盘电解加工高精度、高效率、低成本的要求。

附图说明

图1为本发明中整体叶盘电解加工过程示意图；

图2为本发明中三面组合整体式阴极结构示意图；

图3为本发明中整体叶盘电解加工过程局部放大图；

图中标号名称：整体叶盘毛坯1，叶背面加工阴极2，绝缘板3，端面加工阴极4，分段控电装置5，空间旋转进给轴6，叶盆面加工阴极7，工件转台中心轴线8，叶背阴极连接柱9，端面阴极连接柱10，叶盆阴极连接柱11，绝缘层12，叶片模型13。

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1作为阳极，绕工件转台中心轴线8实现旋转运动；三面组合整体式阴极为工具阴极，以空间旋转进给轴6实现空间进给复合运动。三面组合整体式加工阴极由三面加工阴极组合而成，分别为：端面加工阴极4、叶盆面加工阴极7与叶背面加工阴极2。组合整体式加工阴极接触面涂覆绝缘层12并由绝缘板3连接。组合整体式加工阴极底部带有三个金属连接（9、10、11）分别连接三个加工阴极（2、4、7）与分段控电装置5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1安装固定在机床旋转平台上，使叶盘毛坯中心轴与工件转台中心轴线8重合，整体叶盘毛坯1接电解加工电源正极。

步骤S2，将三面组合整体式阴极（2、4、7）连接分段控电装置5安装在可以实现多轴联动的空间旋转进给轴6上，空间旋转进给轴6上连接电解加工电源负极；

步骤S3-1，驱动整体式阴极（2、4、7）至叶栅通道加工的最佳进给位置，调节分段控电装置5使端面加工阴极4连接加工电源。

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整体式阴极（2、4、7）沿着整体叶盘毛坯1径向作旋转径向进给复合运动，同时整体叶盘毛坯1绕工件转台中心轴线8旋转，完成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。驱动整体式阴极（2、4、7）至相邻叶盆待加工型面的最佳进给位置，在同工位下，调节分段控电装置5切换电极使叶盆面加工阴极7连接加工电源。

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整体式阴极（2、4、7）向相邻叶盆面作空间进给复合运动，同时保持整体叶盘毛坯1固定不动，完成相邻叶盆型面电解精加工。

步骤S5-1，叶盆型面电解精加工加工结束，断开电解加工电源，关闭电解液循环系统停止电解液供液。反向驱动整体式阴极（2、4、7）至相邻叶背待加工型面的最佳进给位置，在同工位下，调节分段控电装置5切换电极使叶背面加工阴极2连接加工电源。

步骤S5-2，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整体式阴极（2、4、7）向相邻叶背面作空间进给复合运动，同时保持整体叶盘毛坯1固定不动，完成相邻叶背型面电解精加工。

步骤S6，叶背型面电解精加工加工结束，断开电解加工电源，关闭电解液循环系统停止电解液供液。此时即完成了一个加工周期的叶栅通道粗加工与叶片全型面精加工。当一组通道的叶片全型面加工完之后，调节分段控电装置5切换电极重新使端面加工阴极4连接加工电源。驱动整体式阴极（2、4、7）按照设定的回退程序复位至初始加工位置，驱动整体叶盘阳极旋转360/n deg（n为叶片数量），依次重复上述加工步骤，分步电解进行下一个叶栅通道预加工与叶片型面精加工，最终完成整体叶盘毛坯1的所有叶片的全型面加工。

Claims (3)

1.一种三面组合整体式阴极，其特征在于：

包括位于中间的端面加工阴极（4），还包括分别以对称方式位于端面加工阴极（4）左右两侧的叶盆面加工阴极（7）和叶背面加工阴极（2）；

上述阴极的三部分采用既分离又整体式的结构形式，即一方面它们各自单独引电构成分离式结构形式；另一方面它们三者通过绝缘块（3）连接固定构成整体式结构形式；

此外，它们三者的所有非加工面均涂覆绝缘层，使得单个加工阴极电解型面时另外两个加工阴极均不导电，避免造成杂散腐蚀影响。

2.根据权利要求1所述的三面组合整体式阴极，其特征在于：

上述端面加工阴极（4）的纵剖面为“T字型”；

上述叶盆面加工阴极（7）和叶背面加工阴极（2）的纵剖面分别为“反L型”和“L型”。

3.利用权利要求1所述三面组合整体式阴极分步电解的整体叶盘全型面加工方法，其特征在于包括以下过程：

一个加工周期内的叶片全型面电解加工过程共分为四个加工步骤；

步骤一：驱动整体式阴极至叶栅通道加工的最佳进给位置，调节分段控电装置使端面加工阴极（4）引电，然后驱动整体式阴极沿着整体叶盘毛坯径向作旋转径向进给复合运动，同时叶盘阳极绕其中心轴旋转，完成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叶盆面加工阴极（7）或叶背面加工阴极（2）引电，驱动整体式阴极至叶盆或叶背待加工型面的最佳进给位置，然后保持叶盘阳极固定不动，驱动整体式阴极向待加工面作空间进给复合运动，完成叶盆或叶背型面电解精加工；

步骤三：在同工位下，调节分段控电装置切换电极使另一侧的叶背面加工阴极（2）或叶盆面加工阴极（7）引电，驱动整体式阴极反向运动至叶背或叶盆待加工型面的最佳进给位置，然后依旧保持叶盘阳极固定不动，驱动整体式阴极向待加工面作空间进给复合运动，完成另一侧叶背或叶盆型面电解精加工；

步骤四：当一组通道的叶片全型面加工完之后，调节分段控电装置使端面加工阴极（4）、叶盆面加工阴极（7）和叶背面加工阴极（2）均不引电，驱动整体式阴极按照设定的回退程序复位至初始加工位置，驱动整体叶盘阳极旋转360/n deg，其中n为叶片数量，重复上述加工步骤，最终完成整体叶盘毛坯的所有叶片加工。

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