航空發動機復雜扭曲葉片分步電解加工研究

余凌國，吳澤剛，朱棟，楊宇俊，張榮輝

(1. 南京航空航天大學, 江蘇 南京 210016; 2. 中國航發哈爾濱東安發動機有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150066)

0 引言

葉片是現代航空發動機的關鍵零部件之一。因發動機的研制不斷追求高功重比和高推重比，使葉片形狀變得越來越扭曲且精度要求不斷提高[1-2]。電解加工是一種通過復制陰極輪廓獲得工件輪廓的加工方式，具有不受金屬材料力學性能限制、加工效率高、工具電極無損耗等優點，在航空航天領域尤其在航空發動機葉片制造中有著廣泛的應用[3-4]。

近年來，國內外專家學者對電解加工開展了相關研究。房曉龍等人研究了脈動流場在電解加工中的應用，提高了工件材料的去除率和加工表面的質量[5]。秦艷芳等人利用COMSOL軟件完成了基于脈沖電源和直流電源條件下的耦合場仿真研究，表明高頻脈沖電解加工條件下加工過程能夠更快達到穩定狀態[6]。張礦磊等人采用數值仿真，對葉柵通道電解加工中電解液側流式下的正向流動與反向流動的流場進行了模擬，揭示了兩種流動方式下流場的穩定性[7]。KLOCKE等人基于加工區域中電場、流場等各物理場之間的關系，建立了仿真模型，并通過逆向仿真對陰極結構進行了求解[8]。王寧峰等人采用添加輔助陽極的方式有效抑制了旋印電解加工過程中雜散腐蝕問題，提高了加工精度[9]。徐正揚等人提出了從葉根至葉尖的供液方式，該種供液方式可提高電解液的可控性和穩定性[10]。此外，減小端面加工間隙可以提高電解加工型面精度[11]，常用的減少端面加工間隙的方式包括混氣電解加工[12-13]、振動電解加工[14]、脈沖電解加工[15]等。

目前單個葉片電解加工通常采用一步到位的連續加工方式。針對復雜扭曲葉片較小間隙的電解加工，本文提出了分步式加工的工藝方案，即在加工的開始階段采用大間隙加工工藝參數進行加工，待流道變化趨勢穩定后，采用小間隙加工工藝參數進行加工。利用UG建立復雜扭曲葉片小間隙流道和大間隙流道的模型。采用有限元法對兩種流道的流場進行仿真分析。在仿真的基礎上開展小間隙連續式加工和分步式加工的工藝試驗，驗證分步加工技術方案的可行性和有效性。

1 分步式葉片電解加工原理

葉片的電解加工原理圖如圖1所示。葉片工件、工具電極和電解液構成電解加工反應系統，其中葉片工件與電源正極連接并固定安裝在夾具中；葉背陰極和葉盆陰極同時連接電源負極，且2個電極朝葉片工件以相同的速度作相向直線運動；電解液從工件根部高速流向尖端，帶走電解產物和焦耳熱。整個加工過程，復雜扭曲葉片從方形坯料逐漸成型為所設計的結構形狀。

圖1 復雜扭曲葉片電解加工原理圖

圖2所示的復雜扭曲葉片，其結構整體扭曲，特別在葉盆排氣邊附近，葉根與葉身過渡區域和葉尖與葉身過渡區域的型面都極為扭曲，故所對應設計的工具陰極型面也特別扭曲。

為了分析葉片排氣邊附近電解加工過程流道的變化情況，運用UG對葉片排氣邊附近加工過程的流道進行了建模，模型如圖3所示。葉片的加工流道通常分為葉根流道、葉身流道和葉尖流道。該復雜扭曲葉片葉盆排氣邊附近的葉根與葉身過渡區域和葉尖與葉身過渡區域的型面都極為扭曲，加工的初始階段，葉根流道、葉尖流道與葉身流道過渡區流道也極為扭曲，本文定義該區域流道為扭曲流道。由于葉根流道與葉身流道過渡區域的流道結構更為扭曲，所以對該部分流道進行詳細分析如下：

圖2 復雜扭曲葉片與對應葉盆陰極型面示意圖

葉片加工的毛坯為方形毛坯，加工過程中陰極少量進給后，流道內間隙因結構突變會引發流場不均。建立了小間隙和大間隙流道的模型分別如圖3(a)和圖3(b)所示。采用圖3(a)所示流道進行加工時，沿流程方向，流道由窄變寬形成突變結構；垂直流程方向，葉片排氣邊加工區域的間隙大于葉身型面加工區內的間隙，使得扭曲流道在該截面內也形成突變結構。扭曲流道內的突變結構會使加工區域產生渦流、空穴和死水區等不良現象，從而誘發短路打火問題。采用圖3(b)所示大間隙扭曲流道進行電解加工時, 流道間隙明顯增大，沿流程方向和垂直流程方向加工區內的流道間隙差異均顯著減小，使得葉根流道與葉身流道之間的扭曲流道間隙差異性減小，改善了加工區內的流場質量，保障復雜扭曲葉片加工的穩定進行。

圖3 復雜扭曲葉片電解加工流道模型

基于上述分析，制訂了復雜扭曲葉片分步式加工工藝方案如下：

第1步，采用大間隙流道工藝參數進行加工，直至工件毛坯型面接近成型為葉片型面結構，此時流道如圖3(c)所示，沿流程和垂直流程方向流道間隙均基本一致，達到圓滑過渡，此時流場達到動態穩定的狀態。

第2步，采用小間隙流道工藝參數加工至復雜扭曲葉片完全成型。

2 葉片電解加工的仿真與分析

針對上述兩種流道模型開展了流體動力學流場仿真研究。將模型導入ANSYS Workbench中進行網格劃分，結果如圖4所示。采用N-S方程和標準k-ε雙方程湍流模型建立控制方程組[11]。本文以壓力作為仿真邊界條件，邊界條件如表1所示。

圖4 扭曲流道網格模型三維圖

表1 復雜扭曲葉片電解加工流場仿真邊界條件

仿真獲得的小間隙流道速度流線圖如圖5所示。分析可知：1) 葉根流道內流場流線方向基本一致，流速差別?。?) 葉根流道與葉身流道過渡區內流場紊亂，流線方向雜亂；不同區域流速高低不一，變化劇烈；3) 扭曲流道中有渦流產生，且流線發散，流速較高且波動較大。

由于葉根流道和葉身流道過渡區流道結構的突變，使得電解液的流動方向和流速均發生大幅度變化，導致渦流產生。渦流的存在將嚴重影響葉片加工的順利進行。首先，渦流干擾流道內電解液沿流程的正常流動，使得排氣邊附近垂直流程的下方區域流速降低；其次，渦流中心形成的負壓區可能導致電解液難以流走，加工產物堆積無法排出；再次，渦流中心較高的負壓區可能造成電解液氣化，形成積聚氣泡，產生空穴現象。流道中電解液流速降低、產物堆積以及空穴現象均容易引發短路打火，導致葉片加工無法正常進行。

圖5 小間隙扭曲流道流場流線分布

為了解決上述問題，開展了大間隙流道的流體動力學流場仿真，獲得的速度流線圖如圖6所示。葉根流道、葉身流道和扭曲流道內的流場分布穩定，流線方向基本一致，流速變化小，且沒有渦流現象產生。因此，通過增加流道間隙可以解決因流道結構突變產生的不良流場問題。

圖6 大間隙扭曲流道流場流線分布

3 試驗驗證

為了驗證仿真結果的正確性，針對復雜扭曲葉片開展了連續式加工和分步式加工的對比試驗。試驗參數條件見表2，加工系統見圖7。

兩種試驗條件下的加工電流變化情況如圖8所示。加工開始時由于連續式加工條件的初始間隙更小，所以初始電流稍大。隨著陰極的進給，兩種試驗條件下的加工電流均穩定上升。當陰極進給至3.8mm時，連續式加工過程發生短路打火，加工過程無法繼續進行。對于分步式加工條件，第1步加工過程的電流變化可以分為兩個階段。1) 從試驗開始至陰極進給至8mm處，該階段加工電流持續穩定上升；2) 陰極從8mm位置進給至8.6mm處，該階段加工電流基本不變，加工達到平衡狀態，此時工件毛坯加工面已經基本成型，沿流程和垂直流程方向陰極與工件毛坯間的流道間隙基本一致，達到圓滑過渡，此時極間間隙內的流場達到穩定的狀態。第2步加工過程的電流變化可以分為3個階段。①陰極從8.6mm位置進給到10.2mm位置，該階段加工電流穩定上升，加工穩定進行；②陰極從10.2mm位置至11mm位置，此時電流穩定不變，加工達到平衡狀態；③ 陰極從11mm進給至試驗結束，該階段葉片進排氣邊逐漸成型，加工面積變小導致加工電流持續下降。綜上所述，采用分步式加工方法可以實現復雜扭曲葉片在較小間隙下的穩定加工。

表2 復雜扭曲葉片電解加工試驗條件

圖7 復雜扭曲葉片電解加工系統圖

圖8 試驗電流變化情況

采用連續式加工方式，短路打火的工件毛坯如圖9所示。短路打火發生在工件靠近葉根排氣邊附近流道扭曲處，短路處形貌如圖9(a)所示，工件短路打火處有明顯燒焦的痕跡，未發生短路處的表面形貌如圖9(b)所示。試驗結果與小間隙流道流場仿真結果一致，驗證了仿真的準確性。采用分步式加工方式，將復雜扭曲葉片的加工分為兩步進行，加工過程穩定，未出現短路打火現象，最終加工成型葉片如圖10所示。采用三坐標測量機對葉片葉根處的截面線進行了檢測，結果顯示，葉片的全型面輪廓達到比較高的加工精度，葉盆和葉背加工誤差在0.03mm以內。

圖9 連續式加工條件下短路打火工件

圖10 分步式電解加工條件下成型葉片

4 結語

復雜扭曲葉片電解加工時，若直接采用小間隙加工參數連續加工，在加工初期會因為流道結構突變引發流場紊亂，形成渦流，導致短路打火情況發生，無法實現葉片的穩定電解加工。使用分步式加工方式，可以解決加工過程流場紊亂的問題，實現葉片的穩定加工。本文研究結論如下：

1) 針對復雜扭曲葉片電解加工過程因流道結構突變引發流場紊亂，影響加工過程穩定進行的問題，提出了分步式加工的工藝方法。

2) 采用ANSYS軟件完成了小間隙流道和大間隙流道的流體動力學流場仿真，驗證了增加流道間隙可以解決流道突變產生的不良流場問題。

3) 開展了復雜扭曲葉片連續式加工和分步式加工的對比試驗，驗證了分步加工工藝方案的可行性。驗證結果表明，通過分步式加工得到的葉片能夠達到較高的精度。