基于葉柵通道可加工性分析的整體葉盤徑向電解加工陰極設計及實驗

孫倫業 徐正揚 朱 荻

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

整體葉盤是新一代大推重比航空發動機中的核心部件，具有葉片型面扭曲、葉柵通道狹窄、結構復雜等特點［1－2］。為了適應高溫、高壓的惡劣工作環境，葉盤材料多采用鎳基高溫合金、鈦合金等難切削材料，采用傳統的銑削加工時，易受到刀具可達性的限制，且刀具磨損嚴重，加工效率極低，故整體葉盤的制造加工已成為航空發動機研制中的瓶頸問題［3－4］。電解加工技術是基于電化學原理蝕除金屬的特種加工技術，具有生產率高、陰極無損耗、無殘余應力和不受材料硬度限制等優點，在航空制造業尤其是整體葉盤制造領域得到了廣泛應用［5－10］。相較傳統五坐標數控銑削加工，電解加工整體葉盤可減少50%～85%的工時［11］。

整體葉盤的電解加工一般分為兩步：①預加工出葉柵通道，去除大部分材料，并預留一定的均勻余量；②利用成形電極在通道內精加工出葉片型面。因此葉柵通道的加工效果對后續葉片精加工具有重要影響。

在葉盤通道加工中，工具陰極是影響通道最終加工形狀、尺寸和精度的核心因素，本文針對某型整體葉盤，結合徑向電解加工方式，分析了葉柵通道可加工性問題，通過考察葉盆、葉背余量分布的均勻性，確定了陰極進給方向，最后根據通道的被加工型面設計了工具陰極，并開展了工藝實驗。

1 徑向電解加工方式

整體葉盤將葉片和葉盤結合成一體，其葉柵通道由相鄰兩個葉片的葉盆、葉背和中間的輪轂組成，其結構為扭曲的三維型腔，如圖1所示。

圖1 整體葉盤及葉柵通道模型

對于葉柵通道加工，有研究人員提出利用簡單形狀陰極沿葉盤軸向進給，通過陰極與葉盤之間的相對展成運動加工出通道形狀。但該加工方式的缺陷在于無法實現復雜輪轂型面的加工成形，同時葉根部位加工質量較差，后續需進行清根處理和輪轂型面二次加工，不僅費工費時且加工難度極大。

為充分發揮電解加工的優勢，提高葉柵通道加工質量，本文采用工具陰極徑向進給的電解加工方式進行加工，如圖2所示。

圖2 葉盤通道徑向電解加工

加工時，葉盤毛坯接電源正極，工具陰極接電源負極，調整好陰極和葉盤毛坯的相對位置，采用側壁絕緣的成形陰極，沿預先設定的加工路徑進給，陰極端面電解葉盤毛坯，加工出葉盤通道。利用端面間隙加工葉盤通道，一方面有利于保證輪轂型面的加工精度，提高葉根部位的加工質量，省去了后期清根處理和輪轂的二次加工；另一方面由于加工間隙在電解過程中保持恒定，加工電流和電流密度波動較小，有助于提高加工過程的穩定性，避免短路燒傷現象的產生。

2 葉柵通道可加工性分析

由于葉柵通道空間有限、形狀扭曲不規則，若采用成形陰極沿葉盤徑向進給加工，極易出現干涉和過切問題，因此首先需要對葉柵通道的可加工性進行分析。

2.1 通道可加工邊界計算

整體葉盤的葉片通常被設計成復雜空間曲面，難以用數學公式描述，一般采用等距平面切割葉片模型，通過葉片截面線來表示。因此，葉柵通道可由相鄰葉片的葉盆截面線組Lp1，Lp2，…，Lpn和葉背截面線組Lb1，Lb2，…，Lbn表示，如圖3所示。

圖3 葉柵通道截面線示意圖

為了將空間問題簡化為平面問題，將曲線Lp1，Lp2，…，Lpn和Lb1，Lb2，…，Lbn投影到葉盤中心軸展開平面P上，得到投影線組L′p1，L′p2，…，L′pn與L′b1，L′b2，…，L′bn，如圖4所示。

圖4 通道截面線在平面P上的投影圖

可以看出，平面P內各投影線不重合，在這種情況下，陰極沿投影方向進給，無法加工出完整的葉柵通道。為最大限度去除葉盤通道材料，并保證整個加工過程中陰極與通道不發生干涉，需對投影線組作離散化處理，以求出通道的可加工邊界。

如圖5所示，用一組相互平行的等距直線L1，L2，…，Lm，分別與投影線組（L′p1，L′p2，…，L′pn）、（L′b1，L′b2，…，L′bn）相交，找出內側交點Gp1，Gp2，…，Gpm與Gb1，Gb2，…，Gbm，以此作為葉盆、葉背的邊界控制點。采用B樣條曲線擬合邊界控制點，得到邊界曲線Lyp（t）與Lyb（t），其表達式為

式中，Nk，3（t）為B樣條基函數。

圖5 邊界控制點示意圖

以邊界曲線Lyp、Lyb作為基線，沿進給方向拉伸，形成曲面Syp、Syb，即為沿該方向加工所產生的葉盆、葉背邊界曲面，如圖6所示。

圖6 通道可加工邊界示意圖

2.2 進給方向對加工余量的影響

為了滿足后續葉片精加工的要求，葉盤通道加工除了最大程度去除材料外，還應使葉盆、葉背余量盡可能均勻一致，若余量差較大，則無法滿足電解加工整平比要求，易產生過切現象，導致葉盤報廢。

徑向電解加工方式中，陰極進給方向對葉盤通道表面加工余量的分布起主導作用，如圖7所示，沿不同角度進給時，由于通道截面線之間的遮蔽程度不同，所產生的可加工邊界曲面也不一樣，從而導致葉盆、葉背的余量差存在較大差異。為使余量分布趨于一致，需要對進給角度進行優化選擇。

圖7 進給方向示意圖

對進給角度α增量取值，根據上文所述方法，分別求出各角度所對應的通道可加工邊界曲面，通過與通道理論型面進行偏差分析，得到該角度下葉盆、葉背的加工余量差ΔYP、ΔYB。建立以下判優準則：

式中，δmax為葉片精加工所能允許的最大遺傳誤差。

依據上述判優準則，可優選出最佳進給角度α，進而確定合理的陰極進給方向。

3 工具陰極設計

工具陰極作為電解加工的“刀具”，其形狀、結構決定了葉柵通道的加工形狀，故需根據葉柵通道的被加工型面設計工具陰極。

3.1 端面型面設計

加工過程中，陰極端面型面以一定間隙加工葉盤輪轂，由電解加工理論可知，當處于平衡狀態時，端面間隙內的電勢分布可由Laplace方程表述：

其中，陽極表面邊界條件為

陰極表面邊界條件為

式中，φ為電場中各點的電位，φ＝φ（x，y，z）；U為陽極表面電位值；n為陽極表面各處法向方向；θ為陰極進給速度方向與n之間夾角；η為電流效率；i為電流密度；η0、i0分別為θ＝0處的電流效率和電流密度；κ為電解液電導率。

根據變分原理，求解式（5）～式（7）的電勢分布等價于求電勢函數，使下列泛函極小：

式中，Ω為陽陰極之間所形成的封閉空間區域。

采用有限元方法將式（5）～ 式（8）離散化為線性方程組，求解得出一簇等勢面，根據實際加工條件選取合適型面，得到陰極端面造型。

3.2 側面輪廓設計

加工過程中，陰極利用側面輪廓的刃邊切割葉盤毛坯，加工出葉盆、葉背，因此將前文求得的邊界曲線Lyp、Lyb按照葉片精加工要求，作法向偏置，預留出一定的精加工余量，得到陰極側面的刃邊曲線L′yp、L′yb，再將其沿進給方向拉伸形成陰極的側面輪廓，如圖8a所示。

設計側面輪廓時，還需要考慮電解液流場因素。加工過程中，高速的電解液從陰極與通道側壁之間的側面間隙流過，進入端面加工區域。由于側面間隙較小，隨著進給深度增大，端面間隙內缺液的可能性逐漸增大，可能導致加工不穩定甚至發生火花短路。如果將側面輪廓以一定角度向內收縮，如圖8b所示，就可在不改變通道加工形狀的前提下，增大電解液進液口的過流面積，使相同壓力條件下，電解液的流量更為充足，有利于及時更新并帶走加工間隙內的電解產物和氣泡，提高加工的穩定性。

借助UG NX7.5軟件平臺，通過數字化建模，最終獲得陰極三維實體造型，如圖9所示。

3.3 絕緣處理

圖8 側面輪廓設計

圖9 陰極實體造型

為防止陰極側壁在加工過程中對葉盆、葉背已加工區域產生二次腐蝕，需要對其進行絕緣處理。本文選擇陶瓷涂層作為絕緣材料，原因在于陶瓷涂層在強腐蝕性溶液中具有良好的化學穩定性，并與陰極基體結合牢固，能承受電解液長時間的高速沖刷。另外，陶瓷涂層具有優良的耐高溫性，可承受較高的電解液溫度，且制備工藝簡單，可通過修復降低更換陰極的成本。涂覆陶瓷涂層時，預先對陰極基體表面進行預處理，在高溫條件下將陶瓷熔化成液滴形態，噴射至陰極表面，形成均勻、致密的絕緣層。圖10為利用不銹鋼材料制備出的陰極實物圖。

圖10 工具陰極

4 工藝實驗

在自行研制的電解加工平臺上，采用本文設計的工具陰極進行加工實驗，如圖11所示。加工對象為葉盤扇段毛坯，材料為鎳基高溫合金。實驗選用的加工參數為：加工電壓為20V，電解液為15%（質量分數）的 Na NO3溶液，溫度保持在30℃，陰極進給速度為0.5mm/min，進入平衡狀態的電流密度為17A/cm2，電解液進液口壓力為0.8MPa，間隙出口處背壓為0.2MPa。

控制系統軟件采用Lab VIEW語言編寫，通過軟件后臺讀取加工路徑數據，由工控機通過運動控制卡向電機發送指令，驅動陰極進給運動，進行葉盤通道加工。

圖11 電解加工實驗平臺

圖12a所示為加工出的葉盤通道試件。圖12b所示為LEICA DVM5000視頻顯微鏡觀察的葉盤輪轂形貌，從圖中可見，輪轂表面質量較好，沒有產生明顯的流紋，成形精度較高。圖12c所示為通道葉根形貌，可以看出葉根處輪廓完整清晰，沒有出現雜散腐蝕現象，加工質量好。整個加工過程中，電流無異常突變，加工狀態穩定，沒有出現火花短路現象。

圖12 通道加工試件

運用海克斯康 Micro－Hite DCC三坐標測量機檢測通道加工試件，并與標準通道數據進行對比，結果顯示，葉盤輪轂精度誤差在0.16mm以內，葉盆、葉背面的余量差分別為2.27mm和2.34mm，余量分布較為一致，能夠滿足精加工的整平比要求。故采用設計的工具陰極加工，在保證葉盆、葉背余量均勻性的同時，兼顧了輪轂的成形精度，為后續的葉片精加工工序奠定了優質的加工基礎。

5 結論

（1）葉盤通道加工是整體葉盤電解加工工藝的關鍵步驟。徑向電解加工方法可同時兼顧葉盆、葉背及輪轂型面成形，實現高精度和高效率加工。

（2）結合葉柵通道理論模型，確定通道的最大可加工范圍，通過分析加工角度對余量均勻性的影響，選擇了合理的進給方向。在此基礎上，對陰極側面輪廓和端面型面進行了設計，并對非加工區進行絕緣處理以防止二次腐蝕。

（3）采用設計的工具陰極，在整體葉盤電解加工平臺上進行工藝實驗，成功地加工出了葉柵通道，輪轂型面精度高，葉根部位加工質量好，葉盆、葉背的余量均勻性能夠滿足后續葉片精加工要求。

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