閉式整體渦輪電解加工工裝夾具設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

康保印 呂原君 范植堅(jiān)

(①浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；②西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

閉式整體渦輪廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、大型發(fā)電站的汽輪機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備。該類零件一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料強(qiáng)度、硬度高，加工性差，幾何精度要求高，是國(guó)內(nèi)外制造領(lǐng)域的難題[1]。

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理蝕除材料，從而獲得具有一定尺寸精度和表面粗糙度的零件成型加工方法[2]，廣泛應(yīng)用于材料難加工，結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的零件的加工[3]。電解加工的陰極和工裝夾具一般需要專門設(shè)計(jì)，合理的工裝夾具是保證加工正常進(jìn)行和加工精度的關(guān)鍵。而電解加工夾具除了應(yīng)具備常規(guī)機(jī)械加工夾具的定位、夾緊功能外，還應(yīng)解決電解液的密封、供液與導(dǎo)流、導(dǎo)電與絕緣等問(wèn)題，這些功能不能孤立地設(shè)計(jì)，而應(yīng)該通盤考慮、整體設(shè)計(jì)[4]。本文針對(duì)一種閉式整體渦輪，基于UG軟件，一體化設(shè)計(jì)了一套電解加工工裝夾具，滿足夾具的上述各項(xiàng)要求，并通過(guò)工藝試驗(yàn)，加工的工件符合技術(shù)要求，驗(yàn)證了裝置的可靠性。

1 渦輪結(jié)構(gòu)及加工方案

渦輪坯料如圖1a所示，內(nèi)部為空腔，要在圖示環(huán)形溝部位加工出10個(gè)均勻分布的、形狀復(fù)雜的貫通渦道(型面根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì))，如圖1b。

渦輪工作在高溫、高壓及高轉(zhuǎn)速條件下，材料為S03特種不銹鋼，強(qiáng)度、硬度高，常規(guī)加工不具備刀具的可達(dá)性。

采用電解—電火花組合加工方案[5]，電解加工作為粗加工，電火花加工作為精加工，充分利用電解加工效率高(約為電火花加工的5～10倍)和電火花加工精度高的優(yōu)點(diǎn)，并且第一步電解加工已打通的渦道孔，改善了電火花加工時(shí)的排屑狀況，減少了二次放電。

采用“拷型法”加工[6]，即將陰極的形狀通過(guò)電解加工復(fù)制到工件上，從而獲得渦道型面。由于渦道型腔兩端截面積大中間截面積小，電解加工需要從內(nèi)、外兩個(gè)方向接刀打通，為敘述方便，這里將工件外側(cè)渦道簡(jiǎn)稱為外渦道，內(nèi)側(cè)渦道簡(jiǎn)稱為內(nèi)渦道。

2 工件的裝夾

采用DJK160五軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)電解加工機(jī)床，如圖2，陰極安裝在主軸(B軸)上，與電源負(fù)極連接，工件安裝在回轉(zhuǎn)臺(tái)(C軸)上，與電源正極連接，加工時(shí)陰極固定不動(dòng)，工件向陰極進(jìn)給，內(nèi)渦道和外渦道分開(kāi)加工(不能同時(shí)進(jìn)行)。工作臺(tái)為天然大理石材料，具有很好的絕緣性能和抗腐蝕性能。

工件裝夾如圖3所示。工件用螺栓壓板壓緊在支撐盤上，工件上的銷釘與支撐盤上的銷孔配合。支撐盤用螺栓連接在心軸上，并用螺栓和T型螺母連接轉(zhuǎn)臺(tái)，帶動(dòng)工件隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起回轉(zhuǎn)。心軸上端外圓表面與工件內(nèi)壁配合，下端內(nèi)孔與轉(zhuǎn)臺(tái)心軸配合。

3 工裝夾具設(shè)計(jì)

3.1 密封裝置設(shè)計(jì)

電解加工過(guò)程中，加工間隙中需不斷通過(guò)高壓、高流速的電解液，及時(shí)排走電解產(chǎn)物，因此流道必須密封，否則會(huì)造成電解液流量和壓力不足，產(chǎn)生流紋，影響加工精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起短路，使加工無(wú)法正常進(jìn)行[7]。因此流道密封是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

3.1.1 外渦道密封裝置的設(shè)計(jì)

渦道位于工件內(nèi)外環(huán)形溝弧面上，很難采用局部密封，本文設(shè)計(jì)了上下“合抱”、整體密封的結(jié)構(gòu)[8]，如圖4。上、下密封缸通過(guò)6個(gè)均勻分布的螺栓連接，使上、下密封圈(O型密封圈)壓緊工件，下密封缸側(cè)面密封圈與上密封缸內(nèi)壁配合，與工件外表面一起，實(shí)現(xiàn)整體密封。

為保證陰、陽(yáng)極(工件)絕緣，密封裝置采用絕緣材料。這里密封缸材料選用的是工業(yè)中廣泛使用的環(huán)氧玻璃鋼(玻璃纖維復(fù)合環(huán)氧樹(shù)脂)，具有良好的絕緣性和耐腐蝕性，并且膨脹系數(shù)小，熱變形小，具有足夠的強(qiáng)度和彈性模量，保證密封夾具必要的剛度，承受電解液壓力引起的動(dòng)負(fù)荷。

3.1.2 內(nèi)渦道密封裝置的設(shè)計(jì)

內(nèi)渦道也采用整體密封結(jié)構(gòu)，如圖5所示，內(nèi)密封缸缸體，缸體上的密封圈，壓板下的密封墊(詳見(jiàn)圖3)，與工件內(nèi)壁一起，實(shí)現(xiàn)整體密封。內(nèi)密封缸上表面用螺栓壓板壓緊。

3.1.3 渦道打通時(shí)的密封

當(dāng)一個(gè)渦道打通，再加工下一個(gè)渦道時(shí)，打通的渦道孔將會(huì)漏液，因此需同時(shí)裝上內(nèi)、外密封裝置，進(jìn)行內(nèi)外雙側(cè)密封。

圖6所示為打通時(shí)加工外渦道的雙側(cè)密封裝置，內(nèi)密封缸上需安裝密封板。

圖7所示為打通時(shí)加工內(nèi)渦道的密封裝置，同樣，外密封缸上需安裝密封板。

3.2 陰極夾具設(shè)計(jì)

3.2.1 陰極的設(shè)計(jì)

陰極是電解加工的工具，這里采用“反拷法”[9]設(shè)計(jì)陰極，即通過(guò)渦道型面三維模型和成型規(guī)律(cosθ法)設(shè)計(jì)陰極，用制備的工具陰極加工工件。

cosθ法最早由國(guó)外著名學(xué)者H.Tipton提出，是最經(jīng)典、最常用的一種陰極設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹其基本理論：若陰極為平面且與進(jìn)給方向垂直，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，工件的蝕除速度等于陰極進(jìn)給速度，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)陰極和工件之間的距離將穩(wěn)定不變，稱為端面平衡間隙。根據(jù)法拉第定律和電解加工平衡條件，端面平衡間隙Δb為:

(1)

式中：Δb為底面(端面)平衡間隙，mm；η為電流效率;ω為體積電化當(dāng)量，mm3/(A·mm)；κ為電解液電導(dǎo)率，1/(Ω·mm)；U為陰陽(yáng)極之間的電壓，V；δE為陰、陽(yáng)極極化電位值總和，或近似為分解電壓，V；Vf為陰極的進(jìn)給速度，mm/min，據(jù)式(1)可計(jì)算出端面平衡間隙Δb。

當(dāng)加工面為曲面時(shí)，法向平衡間隙Δn與端面平衡間隙之間的關(guān)系為：

(2)

式中：Δn為法向平衡間隙，θ為進(jìn)給方向與法線方向之間的夾角。

在UG軟件中設(shè)計(jì)步驟為：在工件型面上取一定密度(如每隔1 mm取1個(gè)點(diǎn))的點(diǎn)，用上面cosθ法得到陰極上的點(diǎn)并提取點(diǎn)的坐標(biāo)，將坐標(biāo)導(dǎo)入到MATLAB軟件中，編譯插值程序，插入更多的點(diǎn)，用多項(xiàng)式擬合曲線。以內(nèi)陰極設(shè)計(jì)為例，插值擬合程序如下：

>> clear;clc % 清除工作區(qū)間并清除命令行

>> x=A(:,1); % 提取矩陣A的第一列(x坐標(biāo))

>> y=A(:,2); % 提取矩陣A的第二列(y坐標(biāo))

>> p=polyfit(y,x,3); %x、y關(guān)系用三次多項(xiàng)式表示

>> yi= -118.0140664:0.05:-53.9210; %yi坐標(biāo)第一個(gè)和最后一個(gè)之間每隔0.05 mm取點(diǎn)

>> xi=polyval(p,yi); % 求解yi對(duì)應(yīng)的xi值

>> plot(xi,yi) % 繪制xi/yi擬合曲線

再將擬合的曲線導(dǎo)入到UG軟件中，得到陰極型面曲線，圖9a、b分別為在MATLAB中擬合的曲線和在導(dǎo)入到UG中生成的內(nèi)陰極型面曲線。

圖10a、b分別為設(shè)計(jì)的外陰極和內(nèi)陰極，陰極內(nèi)均有空腔，作為電解液流動(dòng)的流道，陰極加工面上開(kāi)有過(guò)液窄縫或小孔，非加工面涂有絕緣涂層。

3.2.2 外渦道陰極夾具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)外渦道陰極夾具如圖11所示。法蘭連接在機(jī)床主軸上，依次連接2號(hào)連桿、1號(hào)連桿、陰極。電解液采用“反流式”[10]供液(電解液從陰極外部流入陰極內(nèi)部)，即電解液從進(jìn)液口流入，從陰極上的過(guò)液窄縫流進(jìn)陰極內(nèi)腔，再經(jīng)1號(hào)連桿和2號(hào)連桿，從法蘭上的出液口流出。流道設(shè)計(jì)時(shí)，為使流體為收縮流和保證腔體內(nèi)形成一定的背壓和電解液充滿腔體，應(yīng)滿足進(jìn)液面積≥過(guò)液面積(陰極上過(guò)液小孔或窄縫)≥出液面積。

3.2.3 內(nèi)渦道陰極夾具設(shè)計(jì)

內(nèi)渦道要在工件內(nèi)腔進(jìn)刀，另一端與機(jī)床主軸連接，因此設(shè)計(jì)為互相垂直的“Z”字形結(jié)構(gòu)，如圖12所示。內(nèi)渦道采用“正流式”供液(電解液從陰極內(nèi)部流到陰極外部)，即電解液從5號(hào)連桿流入，經(jīng)6號(hào)、7號(hào)連桿(各連桿之間均有密封墊密封)，從陰極內(nèi)部流出，再?gòu)某鲆嚎诹鞒?，出液口裝有流量調(diào)節(jié)閥門(見(jiàn)圖14)。

3.2.4 加工路徑的設(shè)計(jì)

加工時(shí)，陰極固定，工件沿Y軸進(jìn)給。加工外渦道時(shí)，機(jī)床主軸(即B軸，圖2所示)Z方向坐標(biāo)(距工作臺(tái)距離)為213 mm，X方向坐標(biāo)為123.4 mm。

加工內(nèi)渦道時(shí)，主軸Z方向坐標(biāo)為213 mm，X方向坐標(biāo)為-5.1 mm，與外渦道接刀時(shí)，工件繞C軸順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)87.1°，接刀路徑如圖13所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

工裝夾具實(shí)物如圖14所示，夾具密封性能良好，定位準(zhǔn)確。

4.2 渦輪加工及測(cè)量

渦輪電解加工工藝參數(shù)為：電解液10%NaCl+16%NaNO3+2%NaClO3，采用脈沖電源，脈沖頻率為500 Hz，占空比為90%，加工電壓為18 V，電解液溫度為30℃～32℃。

外渦道加工電解液壓力為0.8 MPa，加工程序?yàn)椋?/p>

O0001 %程序名稱

N10 G01 G91 Y67. F1.1; %Y軸正向進(jìn)給67 mm，速度為1.1 mm/min

N20 G01 G91 Y-67. F20; %Y軸回退67 mm，速度為20 mm/min

N30 M02 %程序結(jié)束

內(nèi)渦道加工電解液壓力為0.4 MPa，加工程序?yàn)椋?/p>

O0002 %程序名稱

N40 G01 G91 Y14. F0.8; %Y軸正向進(jìn)給14 mm，速度為0.8 mm/min

N50 G01 G91 Y-14. F20; %Y軸回退14 mm，速度為20 mm/min

N60 M02 %程序結(jié)束

加工后的工件如圖15a，渦道定位準(zhǔn)確，形狀和尺寸誤差檢測(cè)合格，型面沒(méi)有過(guò)切，如圖15b。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于實(shí)驗(yàn)和安裝過(guò)程，提出了以下幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

(1)上、下密封缸在高壓電解液沖擊作用下，圓周方向位置有時(shí)可能會(huì)發(fā)生變動(dòng)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)為用定位柱銷定位，柱銷插入定位塊孔中，定位塊用螺栓壓板壓緊在工作臺(tái)上，如圖16所示。

(2)拆卸上、下密封缸的連接螺栓后，上、下密封缸仍脫離困難(因側(cè)面密封圈是緊配合)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)為：在上密封缸圓周方向嵌入4個(gè)均勻分布的內(nèi)六角螺栓，旋轉(zhuǎn)螺栓，向下頂出下密封缸。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一種閉式整體渦輪的加工，基于UG三維繪圖軟件，設(shè)計(jì)了一套電解加工工裝夾具，解決了裝置密封與流道設(shè)計(jì)、定位與夾緊、導(dǎo)電與絕緣等問(wèn)題，并進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)，成功加工出了符合要求的工件，極大地提高了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期，也為同類型零件的加工提供了參考和借鑒。