廖德平,李寒松,徐正揚(yáng),孫倫業(yè),朱 荻

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京210016)

整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)后,不僅有效減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量,減少了零件數(shù)量,還提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和可靠性,成為新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件[1]。由于整體葉盤(pán)葉形復(fù)雜,精度要求高,且多采用鈦合金、高溫合金等難加工材料,給制造帶來(lái)很大困難[2]。

整體葉盤(pán)的加工方法主要有數(shù)控銑削、電解加工等。數(shù)控銑削加工柔性好,可加工各種復(fù)雜形狀的工件,在可切削材料的加工中能取得很好的加工效果,是目前加工整體葉盤(pán)的主要方法之一。但其在加工過(guò)程中刀具損耗嚴(yán)重,且在加工小通道、薄壁葉片和難加工材料時(shí)較困難[3]。電解加工是利用金屬工件在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)來(lái)去除材料的一種加工方法。由于它具有工具電極無(wú)損耗、無(wú)切削力、不受材料強(qiáng)度和硬度的限制、可加工復(fù)雜型面等諸多優(yōu)點(diǎn)[4-5],故受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,并對(duì)此展開(kāi)了一系列研究,取得了諸多成果,如:采用直線(xiàn)刃展成數(shù)控電解加工整體葉盤(pán)[6];采用倒置絕緣腔電極進(jìn)行葉盤(pán)電解加工[7];在加工整體葉盤(pán)的過(guò)程中,測(cè)得了電流效率和電流密度之間的關(guān)系[8];分析了電解液濃度和流場(chǎng)對(duì)電解加工的影響[9];優(yōu)化了電解加工的加工路徑[10]等。

整體葉盤(pán)電解加工一般分為兩個(gè)步驟:葉柵通道預(yù)加工和葉片型面精加工。徑向進(jìn)給電解加工屬于葉柵通道預(yù)加工,其葉柵通道的余量和余量差(留給精加工的最大余量和最小余量的差值)會(huì)直接影響后續(xù)型面精加工的加工精度,因此有必要對(duì)影響葉柵通道余量的因素進(jìn)行分析。在徑向進(jìn)給電解加工中,加工通道的形狀由工具電極端面的型面線(xiàn)沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)面并考慮最終加工間隙構(gòu)成。在包絡(luò)面確定的情況下,主要由加工間隙影響葉柵通道的形狀,進(jìn)而影響余量和余量差;而電解加工的成形規(guī)律反映的是電解加工間隙隨加工時(shí)間、空間的分布[11],因此有必要對(duì)這種加工方式的成形規(guī)律進(jìn)行研究。

本文通過(guò)建立基于電場(chǎng)分布的徑向進(jìn)給電解加工仿真模型,仿真其成形過(guò)程,進(jìn)而研究其成形規(guī)律,并針對(duì)加工的葉柵通道余量不均勻(余量差過(guò)大)的問(wèn)題,提出采用屏蔽式工具電極來(lái)代替非屏蔽式工具電極,并分析了兩種工具電極的加工差異,最后開(kāi)展相關(guān)工藝試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

1 問(wèn)題提出

圖1是整體葉盤(pán)徑向進(jìn)給電解加工示意圖。葉盤(pán)毛坯接正極,工具電極接負(fù)極,工具電極沿葉盤(pán)毛坯徑向運(yùn)動(dòng),通過(guò)金屬陽(yáng)極溶解作用加工出葉柵通道。

圖1 整體葉盤(pán)徑向進(jìn)給電解加工示意圖

工具電極是影響葉柵通道形狀的主要因素。圖2是工具電極三維示意圖,主要由側(cè)面和端面兩部分區(qū)域組成。

徑向進(jìn)給電解加工的加工間隙分為端面加工間隙和側(cè)面加工間隙。側(cè)面加工間隙指工具電極側(cè)面和葉柵通道側(cè)面的距離,是影響余量差的主要因素,側(cè)面加工間隙不均勻會(huì)導(dǎo)致余量差變大。在加工過(guò)程中,電解液從葉柵通道左側(cè)流進(jìn),右側(cè)流出,帶走加工產(chǎn)物和熱量;工具電極沿葉盤(pán)毛坯徑向運(yùn)動(dòng),加工出葉柵通道的葉片型面和輪轂。加工過(guò)程示意圖見(jiàn)圖3,其中,虛線(xiàn)為加工的葉柵通道,由于受到工具電極側(cè)面的雜散腐蝕作用,葉柵通道側(cè)面先加工的區(qū)域會(huì)比后加工的區(qū)域間隙更大,即虛線(xiàn)所示的“喇叭口”形狀,導(dǎo)致 Δ1與 Δ2相差較大,這使得葉柵通道與標(biāo)準(zhǔn)葉片之間的余量 δ也不均勻,給后續(xù)精加工帶來(lái)很大困難。

為了使側(cè)面加工間隙均勻,對(duì)工具電極的側(cè)面進(jìn)行屏蔽處理,以減小雜散腐蝕。圖4是一種加屏蔽的工具電極加工示意圖,工具電極側(cè)面大部分區(qū)域用絕緣層屏蔽,以減小工具電極側(cè)面對(duì)葉柵通道的雜散腐蝕,使通道側(cè)面先加工好的區(qū)域和后加工好的區(qū)域的側(cè)面間隙 Δ′相差較小,葉柵通道與標(biāo)準(zhǔn)葉片之間的余量 δ′也變得均勻。

圖4 屏蔽式工具電極加工示意圖

2 建模與仿真

為了研究徑向進(jìn)給電解加工的成形規(guī)律,建立了基于電場(chǎng)的加工過(guò)程有限元仿真模型,并對(duì)兩種工具電極的加工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。以加屏蔽的工具電極為例,選取一個(gè)截面進(jìn)行分析,建立電場(chǎng)分析模型(圖5)。為了求解方便且不失準(zhǔn)確,可假設(shè)電解液中的電場(chǎng)為無(wú)源電場(chǎng),電解液電導(dǎo)率為常數(shù)且各向同性[1],同時(shí)不計(jì)陰陽(yáng)極表面的過(guò)電位。由電場(chǎng)理論可知,在封閉區(qū)域 Ω內(nèi)各點(diǎn)電勢(shì)滿(mǎn)足拉普拉斯方程:

將工具陰極和工件陽(yáng)極視為不同電位的等勢(shì)面,施加邊界條件:

式中:Φ1為施加的工具陰極邊界條件;Φ2為施加的工件陽(yáng)極邊界條件。除陰陽(yáng)極邊界外,其他邊界的邊界線(xiàn)法向和電力線(xiàn)垂直,所以施加邊界條件為:

式中:n為邊界表面各處法向向量;Φ3～Φ8為邊界電勢(shì)。施加的邊界條件見(jiàn)圖5。

經(jīng)過(guò)Ansys計(jì)算,可求得工具陰極每一次進(jìn)給之后 Ω內(nèi)各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E的分布。根據(jù)導(dǎo)電媒介中的電場(chǎng)理論可知,電流密度i和電場(chǎng)強(qiáng)度E有如下關(guān)系:

式中:κ為溶液電導(dǎo)率。

在陽(yáng)極邊界上任意一點(diǎn)的腐蝕速度為:

圖5 電場(chǎng)模型

式中:η為電流效率;ω為體積電化學(xué)當(dāng)量。η與電流密度i有關(guān),由于不易計(jì)算,所以一般用實(shí)驗(yàn)方法[8]測(cè)得兩者與電流密度的關(guān)系曲線(xiàn)(圖6),實(shí)驗(yàn)在10%的NaNO3溶液中進(jìn)行,工件材料為高溫合金。

圖6 GH4169的 η ω與i的關(guān)系曲線(xiàn)

在工件陽(yáng)極邊界上取若干個(gè)控制點(diǎn),則任意一點(diǎn)P0(xi,yi)與經(jīng)過(guò) Δ t后的新坐標(biāo)P(xi+1,yi+1)之間有如下關(guān)系:

式中:Δ t為步長(zhǎng);Ex、Ey分別為x方向和y方向的電場(chǎng)強(qiáng)度。將新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)連接形成新的陽(yáng)極輪廓線(xiàn),根據(jù)初始電壓等條件,可求得任一時(shí)刻的陽(yáng)極輪廓及電場(chǎng)分布。

下面選取工具電極的一個(gè)截面仿真其成形過(guò)程。工具陰極電壓為0 V,工件陽(yáng)極電壓為20 V,所取工具電極截面寬8.71 mm。圖7和圖8分別是非屏蔽式工具電極和屏蔽式工具電極在加工過(guò)程中陽(yáng)極輪廓(葉柵通道)的變化過(guò)程。可看出在2 min時(shí),非屏蔽式工具電極和屏蔽式工具電極仿真通道輪廓相近,輪廓最大寬度都為9.4 mm;在30 min時(shí),非屏蔽式工具電極和屏蔽式工具電極仿真的通道輪廓的最大寬度分別為16.6 mm和11 mm;在69min(加工結(jié)束)時(shí),非屏蔽式工具電極和屏蔽式工具電極仿真出的通道輪廓最大寬度分別為18.1 mm和11 mm,而最小寬度都為9.9 mm。因此,在加工結(jié)束時(shí),非屏蔽式工具電極仿真的通道輪廓最大寬度和最小寬度之間的差為8.2 mm,側(cè)面間隙差為4.1 mm;而屏蔽式工具電極仿真的通道輪廓最大寬度和最小寬度之間的差為1.1 mm,側(cè)面間隙差為0.55 mm,所以采用屏蔽式工具電極比非屏蔽式工具電極仿真的通道輪廓的側(cè)面間隙更均勻。

圖7 非屏蔽式工具電極不同時(shí)刻的陽(yáng)極輪廓

圖8 屏蔽式工具電極不同時(shí)刻的陽(yáng)極輪廓

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件與參數(shù)

為驗(yàn)證分析結(jié)果,進(jìn)行了整體葉盤(pán)葉柵通道徑向進(jìn)給電解加工試驗(yàn),其加工系統(tǒng)裝置見(jiàn)圖9,包括:電解液系統(tǒng)、機(jī)床、夾具及電源等。電解液為NaNO3水溶液,工件材料為高溫合金,采用脈沖電源加工,加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加工參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)束后,使用Micro-Hite DCC三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)加工通道進(jìn)行檢測(cè),然后在UG中建模,并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性,將試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較。由圖10和圖11可看出,試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。采用非屏蔽式工具電極的試驗(yàn)曲線(xiàn)比仿真曲線(xiàn)錐度更大,這是因?yàn)榉瞧帘问焦ぞ唠姌O加工的工件側(cè)面間隙不均勻,在通道越深的位置,加工間隙越小,電解產(chǎn)物濃度越高,導(dǎo)致電導(dǎo)率下降,蝕除速度減小,致使加工寬度小于仿真寬度。

圖9 徑向進(jìn)給電解加工系統(tǒng)裝置

圖10 非屏蔽式工具電極試驗(yàn)結(jié)果與仿真

圖11 屏蔽式工具電極試驗(yàn)結(jié)果與仿真

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將加工通道與標(biāo)準(zhǔn)葉片通道比較,得到余量差。以排氣邊一條截面線(xiàn)為例,由圖12和圖13可看出,采用非屏蔽式工具電極加工的葉柵通道排氣邊截面線(xiàn)在葉盆和葉背的余量差分別為4.03 mm和2.23 mm,采用屏蔽式工具電極加工的葉柵通道排氣邊截面線(xiàn)在葉盆和葉背的余量差分別為1.24 mm和1.19 mm,余量分布均勻性明顯提高。

在整個(gè)通道型面上,采用非屏蔽式工具電極加工出的葉柵通道在葉盆和葉背的余量差分別為4.11 mm和3.76 mm,采用屏蔽式工具電極加工出的葉柵通道在葉盆和葉背的余量差分別2.58 mm和2.53 mm,說(shuō)明采用屏蔽式工具電極有助于提高葉柵通道的余量均勻性。

圖12 葉盆單條截面線(xiàn)的余量差

圖13 葉背單條截面線(xiàn)的余量差

與屏蔽式工具電極加工出的葉片相比,非屏蔽式工具電極加工出的葉片葉根厚、葉尖薄,部分葉尖區(qū)域已過(guò)切(圖14),說(shuō)明采用非屏蔽式工具電極加工時(shí),工具電極側(cè)面對(duì)葉柵通道的雜散腐蝕影響較大,越靠近葉尖區(qū)域,雜散腐蝕程度越大,導(dǎo)致葉根葉尖厚薄相差過(guò)大,不利于后續(xù)精加工。而采用屏蔽式工具電極后,加工出的葉尖明顯變厚(圖15),說(shuō)明采用屏蔽式工具電極能減小通道的雜散腐蝕,加工的通道在葉尖和附近區(qū)域的余量變大,使葉片在葉尖區(qū)域變厚,減小了葉尖和葉根的余量差,并有效防止了過(guò)切,有助于后續(xù)精加工。

圖14 非屏蔽式工具電極加工的通道

圖15 屏蔽式工具電極加工的通道

4 結(jié)論

(1)建立了徑向進(jìn)給電解加工的電場(chǎng)仿真模型,仿真了屏蔽式工具電極和非屏蔽式工具電極加工的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,分析了屏蔽式工具電極和非屏蔽式工具電極的成形規(guī)律。結(jié)果表明:采用屏蔽式工具電極比采用非屏蔽式工具電極加工的葉柵通道的側(cè)面間隙更均勻。

(2)分別采用非屏蔽式工具電極和屏蔽式工具電極進(jìn)行電解加工試驗(yàn)。結(jié)果表明:與采用非屏蔽式工具電極相比,采用屏蔽式工具電極后,葉盆的余量差從4.11 mm減小到2.58 mm,葉背余量差從3.76 mm減小到2.53 mm,說(shuō)明采用屏蔽式工具電極有助于減小加工通道的余量差。

[1] 黃春峰.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代零部件,2005(4):96-101.

[2] Sun Chunhua,Zhu Di,Li Zhiyong,et al.Application of FEM to tool design for electrochemical machining freeform surface[J].Finite Elements in Analysis and Design,2006,43(2):168-172.

[3] 徐家文,朱永偉,胡平旺,等.整體葉輪的數(shù)控電解加工及其在航天制造中的應(yīng)用前景[J].宇航材料工藝,2003(1):31-71.

[4] Galantucci L M,T ricarico L.A computer-aid approach for the simulation of the directional-solidification process for gas turbine blades[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,77:160-165.

[5] 朱荻.國(guó)外電解加工的研究進(jìn)展[J].電加工與模具,2000(1):11-16.

[6] 朱永偉,徐家文,胡平旺,等.線(xiàn)狀陰極數(shù)控展成電解加工成形規(guī)律的研究[J].航空精密制造技術(shù),2003(1):13-16.

[7] Muthu P,Dhanalakshmi V,Sankaranarayanasamy K.Optimal tolerance design of assembly for minimum quality loss and manufacturing cost using metaheuristic algorithms[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2009,44:1154-1164.

[8] 朱棟,朱荻,徐正揚(yáng),等.陰極調(diào)速法測(cè)定電解加工η ω-i曲線(xiàn)特性的試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào),2010(4):858-864.

[9] 孫春華,朱荻,李志永,等.考慮流場(chǎng)特性的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片電解加工陰極設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,35(5):613-617.

[10] 李志永,朱荻,王蕾.電解加工發(fā)動(dòng)機(jī)葉片陰極進(jìn)給方向的優(yōu)化[J].航空學(xué)報(bào),2010(4):563-567.

[11] 徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.