CN114749739A - 一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置及方法，涉及电解加工技术领域；该装置包括密封设置的夹具体，所述夹具体内活动设置有工具阴极，所述工具阴极侧面紧密连接有阴极导电板，工具阴极和阴极导电板一端固定连接有主轴连接杆，所述工具阴极通过所述阴极导电板与加工电源负极连接，所述加工电源的正极与涡轮盘的阳极连接；所述工具阴极上等间距的设置有多个金属段，所述金属段包括全轮廓楔形结构的阴极齿，所述夹具体连接有与所述工具阴极连通的进液口和出液口，所述进液口和出液口分别通过管路与电解液循环系统连接。本发明基于上述加工装置的加工方法，能够实现航空发动机榫槽的高精度、高效率、低成本制造。

Description

一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置及方法

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，特别是涉及一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置及方法。

背景技术

在航空发动机中，叶片和轮盘之间的装配主要采用榫头和榫槽配合的榫接结构连接。榫接结构具有承载能力强、便于冷却、易于拆装等突出优点，已在涡扇、涡喷、涡轴及涡浆等各类航空发动机中广泛应用。在航空发动机榫接结构中，榫槽的制造质量尤为关键。榫槽负载应力分布的分析表明，榫槽榫齿根部圆角处承受的径向应力最大，榫齿和榫齿根部圆角的表面完整性对榫槽寿命至关重要。数十乃至上百个榫槽均布于轮盘周向，榫槽关键尺寸超差及表面存在缺陷都将导致发动机性能和寿命受到严重影响，由此可见，榫槽的制造精度和表面完整性极为重要。

航空发动机的涡轮盘通常采用高温合金、钛合金等难切削材料，其中枞树形榫槽的结构最为复杂，制造非常困难，现有的榫槽机械拉削、铣削、磨削以及电火花线切割等加工技术都存在弊端。机械拉削涡轮盘榫槽，拉削机床昂贵，采用成形拉刀造价高，不同尺寸的发动机涡轮盘需要不同的拉刀组，制造成本高，且拉削后的榫槽表面存在机械损伤；采用成型铣刀或砂轮加工，切削和磨削加工线速度低、受力大，刀具和砂轮的磨损都较为严重，目前铣削和磨削加工技术还未在工业生产中广泛应用；慢走丝放电线切割榫槽的加工效率仅为机械拉削加工的十分之一左右，后续清除重铸层的加工工序还会进一步降低加工效率，过低的加工效率将大幅延长榫槽零部件的生产周期。

现有专利“钛合金身管膛线高效精密电解加工阴极CN201810551707.X”设计了一种周向带有长凸条的阴极体，同时做旋转和轴向进给运动，采用连续的长阴极加工，间隙相对较大，适用于精度要求适中的膛线加工。

现有专利“开口对称式阴极榫槽电解加工装置及方法ZL201910573829.3”公开了一种开口对称式阴极榫槽电解加工装置，套形加工榫槽，以阴极的固定轮廓去除一周材料，获得榫槽的表面轮廓。阴极和涡轮盘的间隙较大，属于套料电解加工，适合榫槽的粗加工。

现有专利“一种电解-拉削复合加工方法”CN110497050A和“一种电解-拉削复合加工工具电极”CN110640245A，中提出先电解腐蚀降低涡轮盘表面材料的力学性能，再通过拉刀机械拉削加工榫槽表面，提高拉刀的使用寿命；该方法去除材料主要依靠机械拉削，加工后的榫槽表面存在机械损伤。

综上所述，面对航空发动机涡轮盘榫槽精密加工的迫切需求，需要一种新的榫槽电解加工方法和装置，实现航空发动机榫槽的高精度、高效率、低成本制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现航空发动机榫槽的高精度、高效率、低成本制造。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，包括密封设置的夹具体，所述夹具体内活动设置有工具阴极，所述工具阴极侧面紧密连接有阴极导电板，所述工具阴极和阴极导电板的一端固定连接有主轴连接杆，工具阴极和阴极导电板制成一体，所述工具阴极通过所述阴极导电板与加工电源负极连接，所述加工电源的正极与涡轮盘的阳极连接，加工过程中工具阴极的周期往复运动与电源通断进行耦合控制，工件毛坯为套料电解加工后的涡轮盘榫槽；所述工具阴极上等间距的设置有多个金属段，所述金属段包括带有小升角的全轮廓楔形结构的阴极齿，所述夹具体连接有与所述工具阴极连通的进液口和出液口，所述进液口和出液口分别通过管路与电解液循环系统连接。

可选的，所述夹具体两端分别固定连接有前端盖和后端盖，所述夹具体顶部固定设置有上端盖，所述上端盖、前端盖和后端盖上分别设置有密封装置；所述工具阴极和阴极导电板一端穿过所述前端盖后连接有所述主轴连接杆；所述进液口包括开设于所述前端盖的前进液口和开设于所述上端盖的上进液口，所述出液口开设于所述后端盖上。

可选的，所述工具阴极还包括绝缘段，所述金属段等间距的设置于所述绝缘段上；所述绝缘段包括前导流段、后导流段和中间绝缘段；所述前导流段为底部具有锥度的楔形结构，且所述前导流段下方的前后两侧面为渐扩全轮廓齿结构，即前导流段下方的纵截面为底部窄、上方宽，自底部至上方宽度逐渐增大的楔形结构，该楔形结构的侧面为渐扩全轮廓齿结构，所述前导流段的后端面轮廓与其相邻的所述阴极齿的前端面轮廓结构相同；所述中间绝缘段设置于相邻两个所述阴极齿之间；所述后导流段与所述前导流段轮廓相同。

可选的，所述中间绝缘段包括绝缘过渡段、随动进液口和独立导流段；所述绝缘过渡段一端与相邻所述阴极齿的端面采用等截面结构连接，所述绝缘过渡段的另一端与所述随动进液口连接，且所述绝缘过渡段的长度大于涡轮盘榫槽的长度；所述随动进液口为开设于所述中间绝缘段两侧的全轮廓槽，所述随动进液口用于与所述上进液口连通；所述独立导流段一端与所述随动进液口连接，另一端与相邻的所述阴极齿的端面连接，且所述独立导流段两侧为渐扩的轮廓齿形结构。

可选的，所述夹具体内顶部开设有与所述上进液口连通且底部开口的固定进液腔，所述固定进液腔位于涡轮盘的榫槽正上方，所述固定进液腔底部与所述工具阴极上表面贴合，且能够与所述工具阴极相对滑动；所述阴极齿的上方一端开有能够与所述固定进液腔连通的随动进液流道，所述随动进液流道开设于所述工具阴极上，且所述随动进液流道底部分别与其对应的随动进液口连通，电解液通过上进液口、固定进液腔和随动进液流道，进入随动进液口，形成辅助供液流道。

可选的，所述阴极齿自靠近所述主轴连接杆一端至远离所述主轴连接杆一端尺寸逐渐增大。

可选的，所述阴极齿厚度为5-10mm之间，所述阴极齿采用导电金属制成。

本发明还提供一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的方法，包括如下步骤：

S1、工具阴极进给，位于最前端的第一个阴极齿靠近进入涡轮盘榫槽的加工区，与该阴极齿对应的随动进液流道进入固定进液腔处，从而与固定进液腔连通，该阴极齿前方的随动进液口通过上进液口、固定进液腔和随动进液流道连通电解液循环系统辅助供液；

S2、工具阴极沿榫槽的延伸方向进给，同时沿进给方向作周期往复运动，当工具阴极沿进给正方向运动接近工件时通电加工；当工具阴极的负方向运动和进给运动的合成速度为0时，切断电源，电解液保持供液，榫槽表面不溶解，电解液对工件表面附着产物冲刷排出；

S3、工具阴极保持进给，第一个阴极齿穿过榫槽工件，随动进液流道顶部的入口滑出固定进液腔，此时固定进液腔底部与工具阴极上表面滑动密封接触连接，从而该阴极齿前方的随动进液口无法连通上进液口，停止辅助供液；

S4、工具阴极保持进给，绝缘过渡段进入涡轮盘榫槽的加工区，关断电源，榫槽表面不发生溶解；

S5、工具阴极保持进给，第二个阴极齿对应的随动进液流道进入固定进液腔，第二个阴极齿前方对应的随动进液口辅助供液，第二个阴极齿进入加工区，重复上述过程；上述加工过程中，与电解液循环系统连通的前进液口和出液口持续循环供液；

S6、加工完成后，关闭电源及电解液循环系统，将工具阴极退回初始位置。

上述工具阴极振幅和振频、脉冲电源频率与占空比需根据阴极进给速度和加工电压确定。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明在涡轮盘榫槽电解拉削加工中采用脉动态电解加工方法，工具阴极沿榫槽的延伸方向进给，同时沿进给方向作周期往复运动，当工具阴极沿进给正方向运动接近工件时通电加工；当工具阴极的负方向运动和进给运动的合成速度为0时，切断电源，通过间歇给电和工具周期往复运动的耦合，可以使每一次电解加工产生的电解产物都排出加工间隙，且通电周期内产物积累很少，可以实现远小于常规直流电解加工间隙的稳定加工，显著提高加工精度。本发明采用阴极齿的厚度薄，阴极齿间距大于工件榫槽的长度，加工时仅一个阴极齿参与加工的模式，显著缩短了加工间隙的电解液流程长度，进一步减少了产物在加工中的积累程度，有助于提升加工精度。本发明采用辅助供液的模式，可显著提升阴极齿周向加工间隙内电解液流场的均匀性，提升榫槽电解拉削加工重复性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置示意图；

图2为本发明加工过程工具阴极与涡轮盘榫槽的间隙变化示意图；

图3为本发明的辅助供液示意图；

图4为本发明的工具阴极结构示意图；

图5为本发明的阴极齿结构示意图；

图中标号名称：1、出液口，2、阴极导电板，3、工具阴极，4、后端盖，5、夹具体，6、涡轮盘，7、上端盖，8、上进液口，9、前进液口，10、前端盖，11、主轴连接杆，12、电解液循环系统，13、脉冲电源，14、固定进液腔，15、阴极齿，16、独立导流段，17、后导流段，18、随动进液口，19、绝缘过渡段，20、随动进液流道，21、前导流段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现航空发动机榫槽的高精度、高效率、低成本制造。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示，本发明提供的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置的工具阴极3通过阴极导电板2、主轴连接杆11与加工电源负极连接，加工电源为脉冲电源13，工件阳极与加工电源正极连接。前进液口9和上进液口8安装在夹具体5上，与电解液循环系统12相接。主轴带动工具阴极3高速轴向进给，前导流段、第一个阴极齿、绝缘过渡段、第二个阴极齿……依次穿过涡轮盘6榫槽。阴极的进给运动由阴极振动进给和直线进给运动合成。夹具体5两端分别固定连接有前端盖10和后端盖4，夹具体5顶部固定设置有上端盖7，上端盖7、前端盖10和后端盖4上分别设置有密封装置；工具阴极3侧面紧密连接有阴极导电板2，工具阴极3和阴极导电板2一端穿过前端盖10后连接有主轴连接杆11；出液口1开设于后端盖4上。

如图1、2所示，工具阴极3沿榫槽的延伸方向进给，同时沿进给方向作周期往复运动，当工具阴极3沿进给正方向运动接近工件时通电加工；当工具阴极3的负方向运动和进给运动的合成速度为0时，切断电源，电解液保持供液，榫槽表面不溶解，电解液对工件表面附着产物冲刷排出。图中a、c两点为阴极振动周期内沿负方向运动的最大距离对应的位置点，此时加工间隙Δ₂最大。图中b点为阴极振动周期内沿正方向运动的最大距离对应的位置点，此时加工间隙Δ₁最小。

如图3、4所示，前进液口9供液，工具阴极3进给，第一个阴极齿15靠近涡轮盘6榫槽的加工区。夹具体5在上进液口8下方开有固定进液腔14，随动供液流道20进入固定进液腔14，阴极齿15前方的随动进液口18辅助供液，顺着独立导流段16的外轮廓，进入阴极齿15和榫槽的加工小间隙区域；工具阴极3保持进给，第一个阴极齿15穿过榫槽工件，与其对应的随动供液流道20入口滑出固定供液腔14，该阴极齿15前方对应的随动进液口18停止辅助供液。绝缘过渡段19进入涡轮盘榫槽的加工区，关断电源，榫槽表面不发生溶解。第二个阴极齿15前对应的随动供液流道20进入固定供液腔，第二个阴极齿15前方的随动进液口18开始辅助供液。第二个阴极齿15进入加工区，重复上述过程。随着工具阴极3持续进给，榫槽毛坯周向金属材料不断被溶解，直至整个工具阴极从榫槽工件中穿出后，榫槽全轮廓加工完成。

如图4、5所示，前导流段21、第一个随动进液口18、第一个独立导流段16、第一个阴极齿15、第一个绝缘过渡段19、第二随动进液口18……和后导流段17依次安装在工具阴极3上。工具阴极3和阴极导电板2制成一体。阴极导电板2和阴极齿15由导电金属材料制成。阴极齿15厚度为5-10mm，绝缘过渡段为40-50mm。前导流段和后导流段都带有锥角。工具阴极3上方依次开槽作为随动进液流道20，形成辅助进液的通道。

采用本发明一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的方法及装置的加工过程包括以下步骤：

步骤一：夹具体5安装在机床工装盘上。工件毛坯为套料电解加工后的涡轮盘榫槽，与加工电源正极连接；工具阴极通过阴极导电板、主轴连接杆与加工电源负极连接。

步骤二：电解液从前进液口9流入，顺着前导流段的全轮廓齿形流入。

步骤三：工具阴极3进给到接近涡轮盘榫槽外侧，对刀。

步骤四：电解液从上进液口8进入随动进液流道20，与顺着前导流段21的流入的电解液经过独立导流段16，流进阴极齿15和榫槽表面的加工间隙内，再流经第二个阴极齿15、绝缘过渡段19、第三个阴极齿15……后导流段17回到电解液池。

步骤五：第一个阴极齿15进入加工状态，工具阴极3以50-100mm/min或以上的速度继续沿榫槽轴向进给，各阴极齿15先后完成加工。

步骤六：关闭电源及电解液循环系统，将工具阴极3退回初始位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：包括密封设置的夹具体，所述夹具体内活动设置有工具阴极，所述工具阴极侧面紧密连接有阴极导电板，所述工具阴极和阴极导电板的一端固定连接有主轴连接杆，所述工具阴极通过所述阴极导电板与加工电源负极连接，所述加工电源的正极与涡轮盘的阳极连接；所述工具阴极上等间距的设置有多个金属段，所述金属段包括全轮廓楔形结构的阴极齿，所述夹具体连接有与所述工具阴极连通的进液口和出液口，所述进液口和出液口分别通过管路与电解液循环系统连接。

2.根据权利要求1所述的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：所述夹具体两端分别固定连接有前端盖和后端盖，所述夹具体顶部固定设置有上端盖，所述上端盖、前端盖和后端盖上分别设置有密封装置；所述工具阴极和阴极导电板一端穿过所述前端盖后连接有主轴连接杆；所述进液口包括开设于所述前端盖的前进液口和开设于所述上端盖的上进液口，所述出液口开设于所述后端盖上。

3.根据权利要求2所述的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：所述工具阴极还包括绝缘段，所述金属段等间距的设置于所述绝缘段上；所述绝缘段包括前导流段、后导流段和中间绝缘段；所述前导流段为底部具有锥度的楔形结构，且所述前导流段前后两侧面为渐扩全轮廓齿结构，所述前导流段的后端面轮廓与其相邻的所述阴极齿的前端面轮廓结构相同；所述中间绝缘段设置于相邻两个所述阴极齿之间；所述后导流段与所述前导流段轮廓相同。

4.根据权利要求3所述的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：所述中间绝缘段包括绝缘过渡段、随动进液口和独立导流段；所述绝缘过渡段一端与相邻所述阴极齿的端面采用等截面结构连接，所述绝缘过渡段的另一端与所述随动进液口连接，且所述绝缘过渡段的长度大于涡轮盘榫槽的长度；所述随动进液口为开设于所述中间绝缘段两侧的全轮廓槽，所述随动进液口用于与所述上进液口连通；所述独立导流段一端与所述随动进液口连接，另一端与相邻的所述阴极齿的端面连接，且所述独立导流段两侧为渐扩的轮廓齿形结构。

5.根据权利要求4所述的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：所述夹具体内顶部开设有与所述上进液口连通且底部开口的固定进液腔，所述固定进液腔位于涡轮盘的榫槽正上方，所述固定进液腔底部与所述工具阴极上表面贴合，且能够与所述工具阴极相对滑动；所述阴极齿的上方一端开有能够与所述固定进液腔连通的随动进液流道，所述随动进液流道开设于所述工具阴极上，且所述随动进液流道底部分别与其对应的随动进液口连通。

6.根据权利要求2所述的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：所述阴极齿自靠近所述主轴连接杆一端至远离所述主轴连接杆一端尺寸逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的装置，其特征在于：所述阴极齿厚度为5-10mm之间，所述阴极齿采用导电金属制成。

8.一种脉动态精密电解拉削加工涡轮盘榫槽的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、工具阴极进给，位于最前端的第一个阴极齿靠近进入涡轮盘榫槽的加工区，与该阴极齿对应的随动进液流道进入固定进液腔处，该阴极齿前方的随动进液口辅助供液；

S2、工具阴极沿榫槽的延伸方向进给，同时沿进给方向作周期往复运动，当工具阴极沿进给正方向运动接近工件时通电加工；当工具阴极的负方向运动和进给运动的合成速度为0时，切断电源，电解液保持供液，榫槽表面不溶解，电解液对工件表面附着产物冲刷排出；

S3、工具阴极保持进给，第一个阴极齿穿过榫槽工件，随动进液流道顶部的入口滑出固定进液腔，该阴极齿前方的随动进液口停止辅助供液；

S4、工具阴极保持进给，绝缘过渡段进入涡轮盘榫槽的加工区，关断电源，榫槽表面不发生溶解；

S5、工具阴极保持进给，第二个阴极齿对应的随动进液流道进入固定进液腔，第二个阴极齿前方对应的随动进液口辅助供液，第二个阴极齿进入加工区，重复上述过程；

S6、加工完成后，关闭电源及电解液循环系统，将工具阴极退回初始位置。

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