CN118287772A - 螺旋结构柔性电极及其加工方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋结构柔性电极及其加工方法与应用，属于电解加工技术领域。该电极由加工区域和非加工区域组成，加工区域位于电极中部，侧壁呈螺旋结构，并具有螺旋式的出液缝隙；非加工区域位于电极两端，侧壁无出液缝隙。在电解加工过程中，该电极沿切割方向不断进给，同时承受载荷产生弯曲变形，工件材料不断溶解，从而加工出预定的型面。该电极的设计综合考虑了弹性、刚度和出液流场等因素，能够适应电极弯曲变形电解加工的要求。此外，该电极制作简便，可重复使用，减少了阴极的制备时间，适合加工闭式整体叶盘等复杂型面。

Description

螺旋结构柔性电极及其加工方法与应用

技术领域

本发明涉及一种螺旋结构柔性电极及其加工方法与应用，属于电解加工技术领域。

背景技术

整体叶盘是新一代航空发动机的核心零部件，其将叶片与轮盘设计为一体，简化了发动机结构，发动机的零部件数量和重量也得到显著减少，同时消除了榫槽与叶片的摩擦，提升了发动机的推重比。整体叶盘多采用镍基高温合金和新型钛合金等难铣削加工的材料，且其结构复杂、叶片型面精度要求高，因此制造成本高、周期较长。电解加工具有不受金属材料力学性能限制、加工效率高、无工具损耗、无再铸层、无残余应力和微裂纹等优点，已经成为加工航空复杂零部件的重要方法。

整体叶盘的电解加工工序主要包括两步，叶栅通道粗加工与叶片型面精加工。整体叶盘叶栅通道电解加工方法主要包括套料电解加工和成型电极电解加工。整体叶盘叶片型面精加工主要通过两个成型阴极的相向进给将叶片型面加工成型。

在专利“双叶片套料电解加工装置及其加工方法”(申请号202010425084.9申请人南京航空航天大学，发明人朱栋张晓博林家豪)中，针对具有大小叶片的整体构件，设计两种特征的整体式工具阴极，将工具阴极沿轴向进给，实现双叶片的快速套型加工，设计了双流道均流供液流场,保证两叶片加工区域内具有充足的电解液，在阴极前缘端面涂覆绝缘层,后缘尾部添加绝缘块,将阴极非加工区域与工件隔离,保护工件盘体的基体和叶片的尾缘。

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，发明人朱海南杨涧石于冰李伟)中，通过套料电解加工的方式，实现了对整体叶盘宽弦、大扭角叶型通道开槽的高效加工。

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，阴极为依据叶栅通道及轮毂型面设计的中空薄壁结构，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申请人盐城工学院，发明人王福元徐家文赵建社)中，主要电解液通过主导流缝进入导流区，经由导流区进入加工间隙，其余电解液通过补液引流缝进入补液腔，从上部对加工间隙进行补液，它与主电解液一起形成一个稳定加工流场。

在专利“基于三维复合流场的整体叶盘型面电解加工装置及方法”(申请号201310453440.8申请人南京航空航天大学，发明人刘嘉万龙凯徐正扬朱栋)中，所设计的三维复合流场可以提高流道突变区域流体的压力,改善了流场的可达性,同时该电解加工装置保证了电解液流场的稳定性,实现了整体叶盘型面的稳定加工。

在专利“多电极螺旋进给整体叶轮叶间流道电解加工方法”(申请号200910025834.7申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐庆徐正扬)中，机床平移台带动多个工具电极同时沿叶轮毛坯轴线方向直线进给，平移台上的转台带动多个工具电极转动，同时，叶轮毛坯绕自身轴线旋转，工具电极沿上述合成运动确定的运动轨迹进行电解加工，通过工具阴极与工件阳极间的多维插补运动，利用管状电极加工出叶栅通道。

闭式整体叶盘在叶片边缘增加整圈叶冠之后，叶片的颤震可以得到有效抑制，叶盘的整体强度和刚度得到提高，由于外圈的存在，闭式整体叶盘相较于开式整体叶盘具有流道封闭、狭窄的特点，且为了改善叶片的气动特性，叶片型面往往采用大扭曲自由曲面，导致叶间流道弯扭程度增加，甚至叶片相互遮挡，这增加了闭式整体叶盘的加工难度。

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，叶盘毛坯翻转使排气侧余量处于直线进给即可到达的位置，用排气口阴极进行加工去除，刀具可达性好，加工效率高，可缩短加工周期。

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，提出了一种柔性电极动态变形电解加工方法及其在加工闭式叶盘中的应用，通过简单形状的电极，加工如闭式整体叶盘的复杂型面，提高了电解加工效率和加工精度。

电解加工是通过设计成型阴极获得目标型面的拷贝式加工工艺，对于复杂的型面，其成型阴极的设计也较为复杂，例如整体叶盘类零件，其阴极设计及制备周期往往较长，这限制了其加工效率的提高。柔性电极动态变形电解加工是通过简单形状的阴极实现复杂型面加工的新工艺，适用于闭式整体叶盘等复杂型面的电解加工。柔性电极作为整个加工过程的重要载体，对其弹性、导电性能等有着较高的要求，柔性电极的结构设计对流场均匀性及稳定性起着决定性作用，同时加工过程中柔性电极的振动对加工稳定性有着重要影响。因此，本发明从弹性、振动、导电和加工流场等方面入手，提出了一种螺旋结构柔性管电极，并以闭式整体叶盘电解加工为例介绍了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋结构柔性管电极，其设计满足弹性、振动、导电和流场四项性能要求，适用于柔性管电极弯曲变形电解加工工艺，可应用于加工多种复杂型面如闭式整体叶盘的复杂型面，可以重复使用，提高电解加工效率，缩短准备周期，减少加工成本。

一种螺旋结构柔性管电极，其特征在于：

螺旋结构柔性管电极分为加工区域和非加工区域两部分，所述加工区域位于柔性管电极的中间位置，其侧壁为螺旋结构，且有螺旋式的出液间隙，所述非加工区域位于电极的两端位置，其侧壁无出液间隙。

上述的螺旋结构柔性管电极，其特征在于：

螺旋结构柔性管电极的设计要考虑其弹性、刚度和流场三项性能要求，以下用圆形截面等间距设计举例。

(1)弹性要求：柔性管电极在发生弯曲变形后可以依靠自身弹性完全恢复初始形状，即只发生弹性变形，不发生塑性变形。在柔性管电极发生弯曲变形的过程中，其加工区域外侧拉伸内侧压缩，因此需要其外侧拉伸量和内侧压缩量均小于其弹性变形的极限变形量。

根据理论力学、材料力学等基本原理，推导出以下公式：

柔性管电极加工区域外侧拉伸、内侧压缩变形量：

柔性管电极加工区域许用最大拉、压力：

柔性管电极加工区域刚度系数：

式中：D为柔性管电极中径；n为柔性管电极加工区域螺旋圈数；t为柔性管电极加工区域节距；R为柔性管电极弯曲曲率半径；τ_s为柔性管电极材料的许用切应力；d为柔性管电极线径；G为柔性管电极材料的剪切模量。

根据上述公式，柔性管电极加工区域弹性变形的极限变形量：

为保证柔性管电极弯曲变形后可以完全回弹，需要其外侧拉伸量和内侧压缩量均小于其弹性变形的极限变形量，即：

X₁<X₂

带入整理得：

在柔性管电极设计过程中，首先确定其弯曲变形时的最小曲率半径R_min，然后将柔性管电极具体的结构、材料参数带入上式，满足上式即满足弹性要求，在实际使用过程中，柔性管电极弯曲变形时各处曲率半径需大于R_min。

(2)刚度要求：在电解加工过程中，柔性管电极会不可避免的产生振动，为了使加工可以顺利进行，柔性管电极振动幅度需小于电解加工加工间隙。柔性管电极的振幅与电解液流动和其自身刚度有关，其刚度系数：

为提高柔性管电极的刚度，可以选用剪切模量G更大的材料，选择线径d更大，选择更小的中径D和更少的螺旋圈数n，进而降低电解加工时的振幅，可以提高电解加工效率。

(3)流场要求：柔性管电极流场需稳定均匀且流速较快，带走电解加工产物，满足电解加工需求。为了保证电解加工间隙内有足够的电解液，且电解液的速度比较快，需要使管电极内部有足够的空间供电解液流过。因此，管电极内径的大小对流场的影响很大。一般来说，管电极内径越大，流场越有利于电解加工。根据管电极加工试验经验及有限元仿真，出液间隙处的电场强度较弱，会影响加工表面的形貌。如果间隙过大，会在加工表面形成一个小凸台，进而影响电解液从管内喷出。如果间隙过小，会使整体流量减少。因此，出液缝隙应该在一定范围内尽可能地细密。

为得到更好的流场，可以选用较大的中径D和较小的线经d，并选择合适的加工区域节距t。在实际设计中需要综合考虑各项要求，设计出符合应用实际的最优参数。

上述螺旋结构柔性管电极的加工方法，其特征在于包括以下加工方式

加工方式一、缠绕式加工，使用金属线材料进行螺旋缠绕而成，中间加工区域相邻螺旋之间留有设定好的出液间隙，两端非加工区域相邻螺旋之间没有间隙且紧紧贴合，金属线材料为弹性合金等弹性和导电性良好的材料,金属线材料的截面为圆形或矩形；通过调整其截面形状和尺寸以改变柔性管电极整体的刚度和流场，加工区域相邻螺旋之间的出液间隙为等间隙或变间隙，通过调整其出液间隙的大小和分布以改变柔性管电极不同位置的刚度和流场；

加工方式二、切割式加工，对直管进行切割，在中间加工区域切割出螺旋槽出液结构，两端非加工区域保留初始管的形状，直管材料为弹性合金等弹性和导电性良好的材料，通过调整直管的壁厚、螺旋槽宽度和相邻槽之间的距离以改变柔性管电极的刚度和流场。

利用上述的螺旋结构柔性管电极进行弯曲变形电解加工应用，其特征在于：

柔性管电极两端由夹头夹持并连接电源负极，阳极工件接电源正极，电解液经两端夹头由柔性管电极两端流入，通过柔性管电极加工区域的出液间隙，流入加工间隙；在电解加工过程中，柔性管电极沿切割方向不断进给，同时在两端夹头的带动下，柔性管电极按预定形状进行弯曲，阳极工件材料不断溶解，从而加工出预定型面；

由于使用的工具电极为柔性管电极，在电解液的冲击下柔性管电极会不可避免的产生振动，柔性管电极的振动幅度与电解液流场和自身刚度有关，电解加工的加工间隙与加工电压、进给速度等电解加工参数有关，为了实现稳定的电解加工过程，需要根据加工需求，对电解加工参数进行控制，使柔性管电极在任意方向上的振幅都小于该方向上的加工间隙；在电解加工过程中，柔性管电极加工区域的螺旋结构类似于螺旋线圈，当电流通过时会产生磁场，并且具有感抗，其表现为通直流阻交流、通低频阻高频的特性，因此选择使用直流电进行加工，且柔性管电极两端均连接电源负极。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点。

(1)提供了一种螺旋结构柔性管电极，该电极具有良好的柔性、刚性和导电性，可以反复弹性变形和回弹，弯曲变形形状可以控制，适用于电解加工。

(2)所述柔性管电极电解液流场为螺旋喷出式流场，可以全方位出液，相比常规管电极的孔出液或缝出液，其流场更加均匀。

(3)提供了一种双螺旋结构柔性管电极，其相较于单螺旋结构拥有更大的刚度和更小的电阻，整体性能更好，更适用于柔性管电极弯曲变形电解加工。

(4)适用范围广，既可以加工简单等截面的叶片，也可以加工如闭式整体叶盘的复杂型面。本发明螺旋结构柔性管电极可以在机床的控制下弯曲成多种形状，以适应不同加工型面的要求。

附图说明

图1为螺旋结构柔性管电极结构示意图；

图2为柔性管电极弯曲变形时结构示意图；

图3为电解加工时柔性管电极流场示意图；

图4为柔性管电极加工区域变间隙结构示意图；

图5为柔性管电极应用于电解加工示意图；

图6为双螺旋结构柔性管电极结构示意图；

图7为柔性管电极应用于闭式整体叶盘电解加工示意图。

图中标号名称：1、柔性管电极，2、工件，3、夹头，4、闭式整体叶盘工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施过程做详细介绍。

本发明螺旋结构柔性管电极结构如图1所示，其分为加工区域和非加工区域两部分,所述加工区域位于柔性管电极的中间位置，其侧壁为螺旋结构，且有螺旋式的出液间隙，所述非加工区域位于电极的两端位置，其侧壁无出液间隙。图1a为使用缠绕式加工方法的柔性管电极，其中间加工区域相邻螺旋之间留有设定好的出液间隙，两端非加工区域相邻螺旋之间没有间隙且紧紧贴合，金属线材料可以为弹性合金等弹性和导电性良好的材料,金属线材料的截面可以为圆形、矩形等形状。图1b为使用切割式加工方法的柔性管电极，其使用车削、电火花等加工方法对直管进行切割，在中间加工区域切割出螺旋槽出液结构，两端非加工区域保留初始管的形状，直管材料可以为弹性合金等弹性和导电性良好的材料。

本发明螺旋结构柔性管电极发生弯曲变形时结构如图2所示，所述加工区域内侧螺旋间隙压缩，外侧螺旋间隙拉伸，所述非加工区域具有初始张力且受弯矩较小，不发生弯曲或只发生微量弯曲，因此虽然柔性管电极整体发生较大弯曲，但其局部变形仍在材料的弹性变形区间内，可以实现反复弯曲变形和回弹。

本发明螺旋结构柔性管电极在初始状态和弯曲状态下电解液流场如图3a和3b所示。在电解加工过程中，电解液由柔性管电极两端冲入，从柔性管电极加工区域间隙喷出，流进加工间隙中，参与电化学反应。

本发明螺旋结构柔性管电极加工区域变间隙分布如图4所示，在电解加工过程中，电解液由柔性管电极两端冲入，从其中间加工区域喷出，柔性管电极内压力中间大两侧小，这会造成加工区域中间电解液喷出流速快，两侧喷出流速慢，进而造成流量的不均匀，采用变间隙的方法，使流速快处间隙小，流速慢处间隙大，进而使流场各处喷出的流量更加均匀。图4a为使用缠绕式加工方法的柔性管电极，其加工区域螺旋间隙中间小两边大，通过调整其出液间隙的大小和分布可以改变柔性管电极不同位置的刚度和流场。图4b为使用切割式加工方法的柔性管电极，其加工区域中间螺旋出液槽分布稀疏，两边分布密集，通过调整直管的壁厚、螺旋槽宽度和相邻槽之间的距离可以改变柔性管电极的刚度和流场。

本发明螺旋结构柔性管电极应用于电解加工如图5所示，柔性管电极1两端由夹头3夹持并连接电源负极，工件2连接电源正极,电解液经两端夹头由柔性管电极两端冲入，从柔性管电极加工区域的出液间隙中喷出，进入电解加工加工间隙并最终流出。电解加工时，柔性管电极1沿切割方向不断进给，同时在两端夹头3的带动下，柔性管电极按预定形状进行弯曲，阳极工件2材料不断溶解，从而加工出预定型面。

由于使用的工具电极为柔性管电极1，在电解液的冲击下柔性管电极1会不可避免的产生振动，柔性管电极1的振动幅度与电解液流场和自身刚度有关，电解加工的加工间隙与加工电压、进给速度等电解加工参数有关，为了实现稳定的电解加工过程，需要根据加工需求，对电解加工参数进行控制，使柔性管电极1在任意方向上的振幅都小于该方向上的加工间隙。在电解加工过程中，柔性管电极1加工区域的螺旋结构类似于螺旋线圈，当电流通过时会产生磁场，并且具有感抗，其表现为通直流阻交流、通低频阻高频的特性，因此选择使用直流电进行加工，且柔性管电极1两端均连接电源负极。

本发明双螺旋结构柔性管电极结构如图6所示，柔性管电极加工区域为对称的双螺旋结构，其相较于单螺旋结构拥有更大的刚度和更小的电阻，整体性能更好，更适用于柔性管电极弯曲变形电解加工。三螺旋及以上时，由于不同螺旋结构之间不能完全对称，不对称的螺旋结构在弯曲变形时受到的力不同，会造成其侧壁不平整，如果应用于柔性管电极弯曲变形电解加工则会造成加工表面的不平整。因此，双螺旋结构是螺旋结构柔性管电极的最优选择。

本发明螺旋结构柔性管电极应用于闭式整体叶盘电解加工如图6所示，闭式整体叶盘工件4连接电解加工电源正极，柔性管电极1两端通过夹头3连接电解加工电源负极。闭式整体叶盘工件4在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管电极1的直径，柔性管电极1穿过闭式整体叶盘工件4的通孔。在电解加工时，通入电解液，打开电解加工电源，柔性管电极1在夹头3的带动下一边发生弯曲变形，一边沿闭式整体叶盘工件4径向向内运动，完成闭式整体叶盘通道型面的电解加工。

Claims (5)

1.一种螺旋结构柔性管电极，其特征在于：

螺旋结构柔性管电极分为加工区域和非加工区域两部分，所述加工区域位于柔性管电极的中间位置，其侧壁为螺旋结构，且有螺旋式的出液间隙，所述非加工区域位于电极的两端位置，其侧壁无出液间隙。

2.根据权利要求1所述的螺旋结构柔性管电极，其特征在于：

螺旋结构柔性管电极的设计要考虑其弹性、刚度和流场三项性能要求；

(1)弹性要求：柔性管电极在发生弯曲变形后可以依靠自身弹性完全恢复初始形状，即只发生弹性变形，不发生塑性变形。在柔性管电极发生弯曲变形的过程中，其加工区域外侧拉伸内侧压缩，因此需要其外侧拉伸量和内侧压缩量均小于其弹性变形的极限变形量。

根据理论力学、材料力学等基本原理，推导出以下公式：

柔性管电极加工区域外侧拉伸、内侧压缩变形量：

柔性管电极加工区域许用最大拉、压力：

柔性管电极加工区域刚度系数：

式中：D为柔性管电极中径；n为柔性管电极加工区域螺旋圈数；t为柔性管电极加工区域节距；R为柔性管电极弯曲曲率半径；τ_s为柔性管电极材料的许用切应力；d为柔性管电极线径；G为柔性管电极材料的剪切模量。

根据上述公式，柔性管电极加工区域弹性变形的极限变形量：

为保证柔性管电极弯曲变形后可以完全回弹，需要其外侧拉伸量和内侧压缩量均小于其弹性变形的极限变形量，即：

X₁<X₂

带入整理得：

在柔性管电极设计过程中，首先确定其弯曲变形时的最小曲率半径R_min，然后将柔性管电极具体的结构、材料参数带入上式，满足上式即满足弹性要求，在实际使用过程中，柔性管电极弯曲变形时各处曲率半径需大于R_min。

(2)刚度要求：在电解加工过程中，柔性管电极会不可避免的产生振动，为了使加工可以顺利进行，柔性管电极振动幅度需小于电解加工加工间隙。柔性管电极的振幅与电解液流动和其自身刚度有关，其刚度系数：

为提高柔性管电极的刚度，可以选用剪切模量G更大的材料，选择线径d更大，选择更小的中径D和更少的螺旋圈数n，进而降低电解加工时的振幅，可以提高电解加工效率。

(3)流场要求：柔性管电极流场需稳定均匀且流速较快，带走电解加工产物，满足电解加工需求。为了保证电解加工间隙内有足够的电解液，且电解液的速度比较快，需要使管电极内部有足够的空间供电解液流过。因此，管电极内径的大小对流场的影响很大。一般来说，管电极内径越大，流场越有利于电解加工。根据管电极加工试验经验及有限元仿真，出液间隙处的电场强度较弱，会影响加工表面的形貌。如果间隙过大，会在加工表面形成一个小凸台，进而影响电解液从管内喷出。如果间隙过小，会使整体流量减少。因此，出液缝隙应该在一定范围内尽可能地细密。

为得到更好的流场，可以选用较大的中径D和较小的线经d，并选择合适的加工区域节距t。在实际设计中需要综合考虑各项要求，设计出符合应用实际的最优参数。

3.根据权利要求1所述的螺旋结构柔性管电极，其特征在于：

柔性管电极加工区域为单螺旋结构或对称的双螺旋结构。

4.根据权利要求1所述的螺旋结构柔性管电极的加工方法，其特征在于包括以下加工方式：

加工方式一、缠绕式加工，使用金属线材料进行螺旋缠绕而成，中间加工区域相邻螺旋之间留有设定好的出液间隙，两端非加工区域相邻螺旋之间没有间隙且紧紧贴合，金属线材料为弹性合金等弹性和导电性良好的材料；通过调整其截面形状和尺寸以改变柔性管电极整体的刚度和流场，加工区域相邻螺旋之间的出液间隙为等间隙或变间隙，通过调整其出液间隙的大小和分布以改变柔性管电极不同位置的刚度和流场；

加工方式二、切割式加工，对直管进行切割，在中间加工区域切割出螺旋槽出液结构，两端非加工区域保留初始管的形状，直管材料为弹性合金等弹性和导电性良好的材料，通过调整直管的壁厚、螺旋槽宽度和相邻槽之间的距离以改变柔性管电极的刚度和流场。

5.利用权利要求1所述的螺旋结构柔性管电极进行弯曲变形电解加工应用，其特征在于：

柔性管电极两端由夹头夹持并连接电源负极，阳极工件接电源正极，电解液经两端夹头由柔性管电极两端流入，通过柔性管电极加工区域的出液间隙，流入加工间隙；在电解加工过程中，柔性管电极沿切割方向不断进给，同时在两端夹头的带动下，柔性管电极按预定形状进行弯曲，阳极工件材料不断溶解，从而加工出预定型面；

由于使用的工具电极为柔性管电极，在电解液的冲击下柔性管电极会不可避免的产生振动，柔性管电极的振动幅度与电解液流场和自身刚度有关，电解加工的加工间隙与加工电压、进给速度等电解加工参数有关，为了实现稳定的电解加工过程，需要根据加工需求，对电解加工参数进行控制，使柔性管电极在任意方向上的振幅都小于该方向上的加工间隙；在电解加工过程中，柔性管电极加工区域的螺旋结构类似于螺旋线圈，当电流通过时会产生磁场，并且具有感抗，其表现为通直流阻交流、通低频阻高频的特性，因此选择使用直流电进行加工，且柔性管电极两端均连接电源负极。