葉盤曲面電解加工流場仿真計算及試驗研究

陳修文，徐正揚，朱荻 ，王德新

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016 2.沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司，遼寧沈陽 110043）

0 引言

整體葉盤是航空發動機中的新型關鍵部件，其型面扭曲復雜、葉柵通道狹窄、采用鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料，加工品質要求高，因此其制造一直是航空發動機中的難點所在，提高葉盤制造技術水平，對我國的航空工業有著十分重要的意義。

由于電解加工具有的工具不損耗、不受金屬材料力學性能限制、加工效率高、成本低等突出優點，使電解加工成為葉盤制造的主要方法。國內外針對電解加工技術開展了大量的研究工作并取得了許多成果，如利用有限元法設計了電化學工具電極并建立了鈍性電解液的間隙模型［1-3］;提出了新的電解加工間隙檢測方法［4］;探討了流場因素對電解加工工具電極設計的影響［5-6］;開展了電解加工運動路徑研究等［7］。由于葉盤電解加工過程中，高速高壓的電解液從微小的加工間隙中流過，其流動方式、均勻性等均會對加工結果產生很大影響，同時其復雜性也增加了電解加工過程控制的難度。因此必須針對葉盤電解加工中電解液流場問題開展深入研究，掌握流場變化規律，才能充分發揮電解加工的優勢，提高電解加工的穩定性和加工品質。

現以發動機整體葉盤電解加工為對象，利用自行研制的葉盤電解加工機床，開展電解加工的流場仿真及試驗研究，建立葉盤曲面電解加工的流場模型，利用有限元方法對流場模型進行仿真計算，并通過試驗驗證了流動方式的可行性。

1 電解液的流動方式

與傳統的葉片電解加工類似，在葉盤電解加工過程中，電解液通常采用從葉身進氣（或排氣）邊流入，從排氣（或進氣）邊流出的側流式流動方法，如圖1所示。

圖1 傳統側流式葉盤加工示意圖

側流式加工使電解液在緩變的通道中平行流動，速度、壓力變化緩慢，均勻性較好。但也存在明顯問題，這種流動方式在加工間隙中是一種被動分流類型，即當電解液以較高的流速進入流道時，電解液被毛坯強迫分成兩股液流，大部分電解液會直接撞擊在毛坯的進氣（或排氣）邊，使加工區入口端流場非常紊亂，影響葉型的加工精度和表面品質，有時甚至會引起短路。同時由于電解液的分流是被動分流，葉盆、葉背形狀差異導致的間隙不均、毛坯誤差引起的初始間隙差、加工過程產生的間隙變化都將引起葉身兩側流量的變化。隨著電解加工的進行，陽極溶解產生的間隙變化更加影響電解液的分流，使得每次加工時的電解液流動均不一致，影響了加工的重復性，而在整體葉盤中數十個葉片的一致性要求往往很高，故傳統的側流方式會影響整體葉盤葉型電解加工的重復精度。

為了解決上述問題，設計了新的電解液流動方式，如圖2所示，兩股電解液分別從葉盆、葉背薄片陰極背面流入，繞過陰極靠近葉根的頂端后流經加工區，最后在毛坯葉尖處交匯流出。該電解液流動方式需在工裝夾具上設置兩個電解液入口，一個電解液出口。該電解液流動方式主動將葉盆、葉背加工區流道分開，通過調節電解液進出口的壓力，可實現葉盆、葉背加工區流量的主動控制，既避免了電解液直接撞擊毛坯而產生的雜亂流場，又解決了分流不均的缺陷，有助于提高流場的可控性和均勻性。同時，該電解液流動方式使電解液具有較好的可達性，有利于電解加工中氣泡及電解產物的排出，減小了流道突變對葉片加工精度的影響，有助于提高零件的加工精度。因此該電解液流動方式更加適合整體葉盤葉型電解加工的需求。

圖2 新的電解液流動方式

2 建模與仿真

2.1 數學模型

電解加工過程中，一般可忽略電解產物對電解液的影響，加工間隙中流過的介質可簡化為氣、液兩相流。為了不失研究問題的本質又簡化問題，對該兩相流問題做必要的假設:

1）氣泡在液相中不可壓縮，分布均勻，故間隙內的介質可認為是二維不可壓縮粘性流體;氣相狀態變化服從理想氣體狀態方程;相間無質量轉換;沿流動方向的每個橫截面上的各相參數皆相同。

2）加工處于平衡狀態時，各項參數都只是位置而非時間的函數。陽極腐蝕速度與陰極送進速度相等，加工間隙已達平衡間隙，電解液與陰、陽極已處于熱平衡狀態。

根據新的電解液流動形式，設計相應的進出液布局和工裝夾具內部流道，可以得到加工區域中從進液到出液的全程流道三維模型，如圖3所示。

圖3 流道三維模型

由于上述三維模型十分復雜，網格劃分及計算難度較大，同時在三維模型的每個水平截面上，其流場狀態較為一致，因此采用二維水平截面截取該三維模型，得到流道的二維模型，其中某一截面的流道二維模型如圖4所示。

圖4 流道二維模型

采用有限元方法對該二維模型進行有限元劃分，并設置邊界條件，由于電解液需要帶著電解產物、氣泡及熱量，平衡加工間隙中的電導率，其壓力和流速不能過低，因此將初始壓力值設置為1.0MPa，背壓設置為0.1MPa，入口處初始速度設置為10m/s。網格劃分后的流場模型如圖5所示。

圖5 流道模型的有限元網格劃分

2.2 計算結果

利用有限元分析軟件對圖5所示模型進行計算，得到加工初始階段流道二維平面速度場仿真結果，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出由于工具陰極和工件之間的間隙較窄，所以電解液流過時的速度很快，在加工間隙中的流速一般均大于10m/s，表明該流動方式能夠較好的帶走電解沉淀物、氣泡和熱量，有助于加工間隙中電解液狀態的穩定。

圖6 流道模型的速度場仿真圖

圖7 加工間隙中的速度場仿真圖

從局部流速放大圖（圖7）可以看出，電解液在進入加工間隙過程中，流速逐漸變大，而在離開加工間隙后，流速明顯變慢，符合加工需要。同時無論是加工葉盆還是葉背，貼近加工表面的電解液流速較快，有助于快速帶走加工表面產生的電解產物，均勻電解液電導率。

在加工初始階段，由于毛坯和工具電極型面不吻合，因此加工間隙不均勻，型面各位置的加工間隙差異較大。由于毛坯不同部位的溶解程度不同，加工間隙小的地方溶解速度快，加工間隙大的地方速度慢，隨著加工的進行，毛坯的形狀逐漸接近于工具電極的型面，各部位的加工間隙逐漸趨于一致。當加工過程進入平衡狀態時，加工間隙的大小不再改變，同時加工間隙也最為均勻，此時可以實現工件型面的精確成型。針對平衡狀態時的流場特點，本文也開展了有限元仿真計算，計算結果如圖8、9所示。

圖8 平衡狀態時的電解液速度場仿真圖

圖9 平衡狀態時加工間隙中速度場仿真圖

從圖8、9中可以看出，當加工過程進入平衡狀態后，葉片型面厚度較薄，工具電極背面的通道變寬，流速較低。而工具和工件之間的加工間隙十分均勻，同時間隙也很小，因此電解液在加工間隙中的流速較電解液進口的流速大得多，一般均大于15m/s，這有利于快速的帶走電解產物、氣泡和熱量，保持間隙中電解液電導率的一致性，提高加工過程的穩定性和加工精度;同時由于加工間隙大小均勻，電解液流動也十分穩定，流速在加工間隙不同區域的大小基本一致，這樣可以保證間隙中不同區域的溶解更加均衡，從而進一步有助于提高加工精度。

3 試驗與分析

為了驗證流場的可行性，進行了葉盤電解加工試驗。利用自行研制的整體葉盤電解加工機床如圖10所示，采用雙面進給的電解加工方式以及上文提到的電解液流動方法。加工對象為扇段毛坯，其上有已預加工好的葉柵通道，材料為高溫合金;陰極工具為自行設計的薄型工具電極，材料為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）;電解液為15%的硝酸鈉溶液;電解液進口壓力為1.0MPa，間隙出口處背壓采用0.1MPa。

圖10 自行研制的整體葉盤電解加工機床

圖11為加工出的葉盤扇段試件，其中局部單個葉片的放大圖如圖12所示。從圖中可見，葉片型面呈現空間扭曲的形狀，葉片厚度很薄，且通道較為狹窄，采用上述電解液流動方式，可以實現空間扭曲葉盤型面的電解加工，加工過程較為穩定，沒有出現短路等意外情況，且葉身表面無明顯流紋，說明電解液流場較為均勻，該雙向進液的流動方式設計合理，可以用于整體葉盤葉型的電解加工。

圖11 電解加工的葉盤扇段試件

4 結論

1）電解液的流場是影響電解加工的精度和表面品質的核心環節，合理的電解液流場可以有效提高加工穩定性和加工品質。

圖12 電解加工的單個葉型實物圖

2）針對葉盤型面的電解加工，傳統的側流式可控性較差，容易出現短路等意外情況。

3）雙向進液流動方式可以控制流經葉盆、葉背加工區域的電解液流速和壓力，有助于提高加工過程的穩定性，實現葉盤型面的穩定加工。本文建立該方式的數學模型，開展了加工初始階段和平衡狀態的流場速度分布仿真計算，并安排了電解加工試驗，通過試驗和數學模型相比較，證明了該流動方式的可行性。

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