CN114769761A - 柔性电极动态变形的双电极电解加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性电极动态变形的双电极电解加工装置及方法，属于电解加工技术领域。该方法特点在于：采用具有良好导电性与弹性的材料制备柔性电极，在加工叶盘叶片等零件时，两个电极间隔排布在加工装置上，根据加工对象调整其位置，使其对应加工叶盆、叶背两个型面；该装置结构上下对称，当载荷施加轴进给时，由于两个电极位置不同，受到不同大小的弯矩，进而产生不同变形；加工时，根据加工型面的曲率变化特点，调控载荷施加轴的进给量，同时利用机构将旋转运动转化为电极的平移，并复合工件的旋转运动，从而实现柔性电极动态变形的双电极电解加工。本发明利用简单电极，通过一次装夹，实现两个复杂型面的同时加工，大大提高了加工效率。

Description

柔性电极动态变形的双电极电解加工装置及方法

技术领域

本发明涉及一种柔性电极动态变形的双电极电解加工装置及方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

整体叶盘类零件是新型航空发动机的核心构件，其将叶片和轮盘构成一个整体，从而减轻发动机的质量，减少零件数量，提高发动机工作效率与推重比，同时提高发动机的可靠性与使用寿命。在国外，欧洲“台风”战机的推重比可以达到10，其使用的EJ200发动机的第一级压气机和第三级风扇均采用整体叶盘结构。闭式整体叶盘作为叶盘类零件的一种，其在叶片顶部增加整圈叶冠结构，可以有效抑制叶片的颤震；提高闭式整体叶盘的整体强度和刚度，因此闭式整体叶盘在航空航天领域的应用在不断增加。比如，欧洲航天局和瑞典Volvo Aero公司合作完成的Ariane5型运载火箭第一级发动机中，闭式涡轮转子及导向叶环均有应用。但是由于整体叶盘类零件具有结构复杂、叶型扭曲、通常采用高温合金等难加工材料等特点，给加工制造带来了巨大困难。目前整体叶盘的制造工艺包括传统机械加工、精密铸造、电火花加工及电解加工等。

在专利“一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法”（申请号201611071724 .0申请人北京动力机械研究所，发明人孙晶罗远锋谷万龙宛春博邱文旺刘月萍）中，提出进行闭式叶轮的叶片精加工刀具轨迹规划，使精加工得到的刀痕沿流线方向，提高产品工作效率；另外采用小角度五轴插铣，大幅减少了刀具受径向分力导致的刀具变形，提高了叶片加工精度；可以使两端进刀加工产生的接刀痕更小。

在专利“一种闭式叶轮熔模精密铸件流道尺寸的控制方法”（申请号201911206733.X申请人西安航天发动机有限公司，发明人杨欢庆王琳高怀胜纪艳卿吴晓明陈鹏荣）中，提出的流道尺寸控制方法，解决了闭式叶轮熔模精密铸件流道尺寸精度差的问题，提高了产品水力学性能指标，节省了产品试制周期，降低了制造成本。

在专利“闭式叶轮及其成形方法”（申请号201811546242 .5申请人苏州大学，发明人石拓陈磊石世宏鲁健傅戈雁）中，采用光内送粉激光熔覆成形技术，通过斜定向叶片堆积和桥接成形，能够有效避免位置干涉问题，使叶片堆积处和桥接处形貌良好。

在专利“闭式整体叶盘电火花加工预孔抽液排屑方法”（申请号201810899563.7申请人上海交通大学，发明人康小明赵万生徐海华）中，提出通过采用多轴联动电火花加工机床对带有预孔的闭式整体叶盘毛坯上的每个流道依次进行电火花加工，流道加工时从工具电极的对面一侧将加工产生的带有电蚀产物的工作液通过预孔抽出，从而实现放电加工区工作液的更新，提高了闭式整体叶盘电火花加工的效率。

在专利“分步分区法整体叶轮电解加工工艺及装置”（申请号201010100905.8申请人南京航空航天大学，发明人赵建社王福元吴建民等）中，提出分步法数控电解加工，把叶片加工分为加工叶盆、叶背、叶根3道工序，进行电解加工，用于解决叶背、叶根加工精度低及存在过切或欠切等问题。

电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理，借助预先成型的阴极将工件按照一定形状和尺寸加工成型的工艺方法，其具有加工效率高、工具无损耗、加工范围广、加工表面质量好等优点，被广泛应用于航空航天领域。尤其在航空发动机整体叶盘类零件的加工制造中，电解加工已经成为整体叶盘类零件加工制造的主要加工工艺之一。近年来，许多学者和研究人员针对整体叶盘的电解加工开展了大量研究。

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，利用所设计工装对整体叶盘变曲面叶片旋转开形加工，加工出的叶片余量均匀，且精度高。

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，发明人王德新朱海南于冰盛文娟）中，通过套料电解加工的方式，只有套料电极的端面参与加工，提高开槽加工后的余量均匀性。

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，提出了一种曲面阴极多轴联动实现复杂型面整体叶盘叶盆、叶背和轮毂一体化电解加工工具，可通过一次加工可获得高尺寸精度、高表面质量的航空航天发动机整体叶盘工件。

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，提出利用工具阴极径向进给加工出叶栅通道后，驱动整体叶盘顺时针、逆时针旋转，靠近工具阴极进行电解精加工。

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，提出了电解加工大扭曲叶片整体叶盘的内腔的可变工具阴极，用于加工大扭曲变截面整体叶盘叶片。

在专利“可直线与旋转复合进给的整体叶盘电解加工工具及方法”（申请号201410013249.6 申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬张聚臣刘嘉朱栋朱荻）中，提出成型阴极在径向进给加工过程中复合旋转运动，可提高工艺适用性，加工型面扭曲复杂的叶栅通道，提升叶栅通道加工精度与水平。

在专利“一种非匀速双旋转变加工刃阴极整体叶盘电解加工方法”（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，设计阴极的加工刃为变宽度加工刃，驱动其按仿真轨迹单向变速旋转径向进给；驱动毛坯按仿真优化的参数协同阴极变向变速旋转，在毛坯上形成叶栅通道，提高加工余量分布均匀性。

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，通过工具阴极旋转运动、径向平移运动、工件微量旋转运动、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。

在专利“整体叶轮电解加工工具电极的空间轨迹优化方法”（申请号200910025903.4申请人南京航空航天大学，发明人徐庆朱荻刘嘉李寒松）中，通过工具阴极与工件阳极间的多维插补运动，优化工具阴极的运动轨迹，加工出的叶栅通道余量小且均匀性良好。

整体叶盘类零件将叶片和轮盘构成一个整体，叶片的主要型面是由叶盆、叶背两个复杂型面组成，叶片的电解加工往往需要设计两个复杂的成形电极，如果可以简化工具电极设计，通过简单形状的电极，完成复杂型面的加工同时保证加加工精度，将会大大提高加工效率，减少加工成本。因此，本发明提出一种柔性电极动态变形的双电极电解加工装置及方法。

发明内容

发明目的：

本发明的目的在于提供一种通过简单形状电极的一次装夹，实现两个复杂型面同时加工的电解加工方法。

技术方案：

一种柔性电极动态变形的双电极电解加工装置，其特征在于：所述电解加工装置由上部-机构运动装置、柔性电极，叶盘工件，工件旋转台，下部-机构运动装置组成；上述上部-机构运动装置与下部-机构运动装置结构相同，上下对称；均由机构运动主轴、连杆、滑块、桥杆、承重底盘、电极夹头、转动连杆、转动销、固定销钉、移动销、载荷施加轴组成；其中承重底盘固定安装在机床上；桥杆两端固定于承重底盘上，且整体位于承重底盘直径方向，上述滑块安装于桥杆，组成滑动副；上述连杆的一端通过旋转副与机构运动主轴相连，另一端通过旋转副与滑块相连；其中转动连杆第一端通过转动销与滑块连接，转动连杆可绕转动销轴线转动；转动连杆第二端具有腰型槽结构；载荷施加轴第一端通过滑块的孔定位并可在该孔内上下滑动；载荷施加轴第二端与转动连杆第二端的腰型槽结构通过移动销连接，转动连杆第二端可绕移动销轴线转动；电极夹头安装在转动连杆上，并可沿着转动连杆滑动，通过固定销钉固定位置；上述柔性电极(Ⅱ)采用具有良好导电性与弹性的材料制备，结构为管电极，其上端与上部-机构运动装置的电极夹头相连，下端与下部-机构运动装置的电极夹头相连；上述叶盘工件进行预开孔，便于柔性电极的安装，叶盘工件安装在工件旋转台上；上述上部-机构运动装置与下部-机构运动装置的电极夹头各有2个，管电极亦有2个。

利用上述的柔性电极动态变形的双电极电解加工装置的电解加工方法，其特征在于：柔性电极上端与上部-机构运动装置的电极夹头相连，下端与下部-机构运动装置的电极夹头相连，叶盘工件通过工件旋转台旋转到加工位置；电极夹头根据加工对象，沿着转动连杆滑动到合适位置，通过固定销钉固定位置；上部-机构运动装置与下部-机构运动装置中的机构运动主轴同速转动，分别带动上部-机构运动装置与下部-机构运动装置中的连杆同时移动，进而实现上部-机构运动装置与下部-机构运动装置中的滑块的平移，最终完成柔性电极沿叶盘工件径向的移动；同时上部-机构运动装置与下部-机构运动装置中的载荷施加轴(按加工型面曲率变化特点进给，带动转动连杆绕转动销轴线转动，由于两个柔性电极位置不同，受到不同大小的弯矩，进而实现两个柔性电极的不同动态变形，最终实现柔性电极动态变形的双电极电解加工。

上述的一种柔性电极动态变形的双电极电解加工方法，其流场的特征在于：由于工具电极在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，流场为开放式流场，即外加电解液供液装置，使得电解液沿工具阴极的轴线方向流动。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点。

（1）提供了一种柔性电极动态变形的双电极电解加工方法，提高了加工效率。在加工叶盘叶片等由两个复杂型面组合而成的零件时，两个工具电极分别对应加工零件的不同型面，同时沿零件型面表面进行扫掠式电解加工。采用此方法，通过简单形状电极的一次装夹，实现两个复杂型面的同时加工，大大提高了加工效率。

（2）提供了一种闭式整体叶盘的加工方法，加工余量合理分布。本发明采用双电极电解加工方法，通过一个工具电极加工叶栅通道叶盆面，另一个工具电极加工相邻叶栅通道叶背面，两个工具电极同时进行加工，即通过双电极的复合运动完成相邻叶栅通道叶盆、叶背面的电解加工，单个工具电极只需考虑单面加工余量。与径向进给电解加工相比，径向进给电解加工通过单一工具电极完成叶栅通道叶盆、叶背面电解加工，阴极设计需同时考虑叶盆、叶背面的余量分布，且径向进给电解加工为单一径向进给，而叶片型面复杂，容易造成较大的余量分布。

（3）适用范围广。整体叶盘类零件种类众多，不同种类整体叶盘的叶栅通道形状各不相同，本发明可根据加工零件型面的不同，依据其型面曲率变化特点，施加不同载荷，使工具电极产生不同的变形，同时，柔性电极直径可以尽可能减小，从而保证狭窄通道的加工需求。本发明除加工叶盘类零件外，还可适用于加工由两个复杂型面组合而成的零件。

附图说明

图1为双电极电解加工装置示意图；

图2为机构运动装置示意图；

图3为柔性电极变形原理示意图；

图4为机构运动原理示意图；

图5为加工运动方向示意图；

图中标号名称：Ⅰ、上部-机构运动装置，Ⅱ、柔性电极，Ⅲ、叶盘工件，Ⅳ、工件旋转台，Ⅴ、下部-机构运动装置，1、机构运动主轴，2、连杆，3、滑块，4、桥杆，5、承重底盘，6、电极夹头，7、转动连杆，8、转动销，9、固定销钉，10、移动销，11、载荷施加轴。

具体实施方式

下面结合附图以闭式整体叶盘叶栅通道电解加工为例，对本发明的具体实施过程做详细介绍。

如图1所示，实施本发明“柔性电极动态变形的双电极电解加工装置及方法”的装置主要由上部-机构运动装置Ⅰ、柔性电极Ⅱ，叶盘工件Ⅲ，工件旋转台Ⅳ，下部-机构运动装置Ⅴ组成。

本发明电解液流动形式的设计。考虑柔性电极Ⅱ在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，本发明选择开放式流场，即外加电解液供液装置，电解液沿柔性电极Ⅱ的轴线方向流动，如图1所示。

如图2所示，上部-机构运动装置Ⅰ与下部-机构运动装置Ⅴ结构相同，上下对称；包括机构运动主轴1、连杆2、滑块3、桥杆4、承重底盘5、电极夹头6、转动连杆7、转动销8、固定销钉9、移动销10、载荷施加轴11。

本发明柔性电极动态变形的双电极电解加工的运动形式如图3、图4所示，两个柔性电极Ⅱ上端与上部-机构运动装置Ⅰ的电极夹头6相连，下端与下部-机构运动装置Ⅴ的电极夹头6相连，叶盘工件Ⅲ通过工件旋转台Ⅳ旋转到加工位置；电极夹头6根据加工对象，沿着转动连杆7滑动到合适位置，通过固定销钉9固定位置；上部-机构运动装置Ⅰ与下部-机构运动装置Ⅴ中的机构运动主轴1同速转动，分别带动上部-机构运动装置Ⅰ与下部-机构运动装置Ⅴ中的连杆2同时移动，进而实现上部-机构运动装置Ⅰ与下部-机构运动装置Ⅴ中的滑块3的平移，最终完成两个柔性电极Ⅱ沿叶盘工件Ⅲ径向的移动；同时上部-机构运动装置Ⅰ与下部-机构运动装置Ⅴ中的载荷施加轴11按加工型面曲率变化特点进给，带动转动连杆7绕转动销8轴线转动，由于柔性电极Ⅱ位置不同，受到不同大小的弯矩，进而实现柔性电极Ⅱ的不同动态变形，最终实现柔性电极动态变形的双电极电解加工；

本发明的柔性电极Ⅱ的制备。柔性电极Ⅲ选择耐腐蚀性好，具有一定刚性与延展性的金属材料，在施加相应载荷时可以产生弯曲变形，当移除载荷时，工具电极回弹，变形恢复。其形状为细长形管状或棒状。

本发明的叶盘工件Ⅲ的制备。电解加工前，需先通过机械加工方法开等叶片数量的通孔，通孔的宽度应大于柔性电极Ⅱ的直径。

本发明以闭式整体叶盘为例，实现柔性电极动态变形的双电极电解加工的过程需要以下步骤。

步骤一：将叶盘工件Ⅲ安装在工件旋转台Ⅳ上，叶盘工件Ⅲ连接电解加工电源正极，工件旋转台Ⅳ旋转调整叶盘工件Ⅲ的加工位置；

步骤二：两个柔性电极Ⅱ穿过叶盘工件Ⅲ的通孔，两端与上部-机构运动装置Ⅰ的电极夹头6相连，下端与下部-机构运动装置Ⅴ的电极夹头6相连，柔性电极Ⅱ连接电解加工电源负极；移动电极夹头6，调整两个柔性电极Ⅱ的初始位置，并用固定销钉9固定；

步骤三：对前面安装的零部件的位置进行检测和校对；

步骤四：如图5所示，按设定参数机构运动主轴1旋转，载荷施加轴11进给，使柔性电极Ⅱ产生初始变形，同时复合工件旋转台Ⅳ旋转，确定加工初始位置；

步骤五：通入电解液，接通电解加工电源，上部-机构运动装置Ⅰ与下部-机构运动装置Ⅴ在设定加工参数下运动，机构运动主轴1旋转，带动两个柔性电极Ⅱ沿叶盘工件Ⅲ的径向运动；同时载荷施加轴11按加工参数进给，向两个柔性电极Ⅱ施加载荷，使两个柔性电极Ⅱ产生对应叶盆、叶背型面的变形；叶盘工件Ⅲ在工件旋转台Ⅳ带动下转动，最终完成叶片叶盆、叶背面的加工；

步骤六：加工结束，断开电解加工电源，停止电解液供液，工件旋转台Ⅳ旋转分度，依序循环以上步骤，直至叶盘工件Ⅲ的所有叶片电解加工完成。

Claims (3)

1.一种柔性电极动态变形的双电极电解加工装置，其特征在于：

所述电解加工装置由上部-机构运动装置(Ⅰ)、柔性电极(Ⅱ)，叶盘工件(Ⅲ)，工件旋转台(Ⅳ)，下部-机构运动装置(Ⅴ)组成；

上述上部-机构运动装置(Ⅰ)与下部-机构运动装置(Ⅴ)结构相同，上下对称；均由机构运动主轴(1)、连杆(2)、滑块(3)、桥杆(4)、承重底盘(5)、电极夹头(6)、转动连杆(7)、转动销(8)、固定销钉(9)、移动销(10)、载荷施加轴(11)组成；

其中承重底盘(5)固定安装在机床上；桥杆(4)两端固定于承重底盘(5)上，且整体位于承重底盘(5)直径方向，上述滑块(3)安装于桥杆(4)，组成滑动副；上述连杆(2)的一端通过旋转副与机构运动主轴(1)相连，另一端通过旋转副与滑块(3)相连；

其中转动连杆(7)第一端通过转动销(8)与滑块(3)连接，转动连杆(7)可绕转动销(8)轴线转动；转动连杆(7)第二端具有腰型槽结构；载荷施加轴(11)第一端通过滑块(3)的孔定位并可在该孔内上下滑动；载荷施加轴(11)第二端与转动连杆(7)第二端的腰型槽结构通过移动销(10)连接，转动连杆(7)第二端可绕移动销(10)轴线转动；电极夹头(6)安装在转动连杆(7)上，并可沿着转动连杆(7)滑动，通过固定销钉(9)固定位置；

上述柔性电极(Ⅱ)采用具有良好导电性与弹性的材料制备，结构为管电极，其上端与上部-机构运动装置(Ⅰ)的电极夹头(6)相连，下端与下部-机构运动装置(Ⅴ)的电极夹头(6)相连；

上述叶盘工件(Ⅲ)进行预开孔，便于柔性电极(Ⅱ)的安装，叶盘工件(Ⅲ)安装在工件旋转台(Ⅳ)上；

上述上部-机构运动装置(Ⅰ)与下部-机构运动装置(Ⅴ)的电极夹头(6)各有2个，管电极亦有2个。

2.利用权利要求1所述的柔性电极动态变形的双电极电解加工装置的电解加工方法，其特征在于：

柔性电极(Ⅱ)上端与上部-机构运动装置(Ⅰ)的电极夹头(6)相连，下端与下部-机构运动装置(Ⅴ)的电极夹头(6)相连，叶盘工件(Ⅲ)通过工件旋转台(Ⅳ)旋转到加工位置；电极夹头(6)根据加工对象，沿着转动连杆(7)滑动到合适位置，通过固定销钉(9)固定位置；

上部-机构运动装置(Ⅰ)与下部-机构运动装置(Ⅴ)中的机构运动主轴(1)同速转动，分别带动上部-机构运动装置(Ⅰ)与下部-机构运动装置(Ⅴ)中的连杆(2)同时移动，进而实现上部-机构运动装置(Ⅰ)与下部-机构运动装置(Ⅴ)中的滑块(3)的平移，最终完成柔性电极(Ⅱ)沿叶盘工件(Ⅲ)径向的移动；

同时上部-机构运动装置(Ⅰ)与下部-机构运动装置(Ⅴ)中的载荷施加轴(11)按加工型面曲率变化特点进给，带动转动连杆(7)绕转动销(8)轴线转动，由于两个柔性电极(Ⅱ)位置不同，受到不同大小的弯矩，进而实现两个柔性电极(Ⅱ)的不同动态变形，最终实现柔性电极动态变形的双电极电解加工。

3.根据权利要求2所述的一种柔性电极动态变形的双电极电解加工方法，其流场的特征在于：由于工具电极在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，流场为开放式流场，即外加电解液供液装置，使得电解液沿工具阴极的轴线方向流动。

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