閉式整體渦輪電解加工工裝夾具設計與實驗*

康保印 呂原君 范植堅

(①浙江工業職業技術學院電氣電子工程學院，浙江 紹興 312000；②西安工業大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

閉式整體渦輪廣泛應用于航空航天發動機、大型發電站的汽輪機以及燃氣輪機等設備。該類零件一般結構復雜，材料強度、硬度高，加工性差，幾何精度要求高，是國內外制造領域的難題[1]。

電解加工是利用金屬在電解液中發生電化學陽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]，廣泛應用于材料難加工，結構、形狀復雜的零件的加工[3]。電解加工的陰極和工裝夾具一般需要專門設計，合理的工裝夾具是保證加工正常進行和加工精度的關鍵。而電解加工夾具除了應具備常規機械加工夾具的定位、夾緊功能外，還應解決電解液的密封、供液與導流、導電與絕緣等問題，這些功能不能孤立地設計，而應該通盤考慮、整體設計[4]。本文針對一種閉式整體渦輪，基于UG軟件，一體化設計了一套電解加工工裝夾具，滿足夾具的上述各項要求，并通過工藝試驗，加工的工件符合技術要求，驗證了裝置的可靠性。

1 渦輪結構及加工方案

渦輪坯料如圖1a所示，內部為空腔，要在圖示環形溝部位加工出10個均勻分布的、形狀復雜的貫通渦道(型面根據空氣動力學設計)，如圖1b。

渦輪工作在高溫、高壓及高轉速條件下，材料為S03特種不銹鋼，強度、硬度高，常規加工不具備刀具的可達性。

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點，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電解加工復制到工件上，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、外兩個方向接刀打通，為敘述方便，這里將工件外側渦道簡稱為外渦道，內側渦道簡稱為內渦道。

2 工件的裝夾

采用DJK160五軸數控聯動電解加工機床，如圖2，陰極安裝在主軸(B軸)上，與電源負極連接，工件安裝在回轉臺(C軸)上，與電源正極連接，加工時陰極固定不動，工件向陰極進給，內渦道和外渦道分開加工(不能同時進行)。工作臺為天然大理石材料，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型螺母連接轉臺，帶動工件隨轉臺一起回轉。心軸上端外圓表面與工件內壁配合，下端內孔與轉臺心軸配合。

3 工裝夾具設計

3.1 密封裝置設計

電解加工過程中，加工間隙中需不斷通過高壓、高流速的電解液，及時排走電解產物，因此流道必須密封，否則會造成電解液流量和壓力不足，產生流紋，影響加工精度，嚴重時會引起短路，使加工無法正常進行[7]。因此流道密封是必須解決的關鍵問題之一。

3.1.1 外渦道密封裝置的設計

渦道位于工件內外環形溝弧面上，很難采用局部密封，本文設計了上下“合抱”、整體密封的結構[8]，如圖4。上、下密封缸通過6個均勻分布的螺栓連接，使上、下密封圈(O型密封圈)壓緊工件，下密封缸側面密封圈與上密封缸內壁配合，與工件外表面一起，實現整體密封。

為保證陰、陽極(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中廣泛使用的環氧玻璃鋼(玻璃纖維復合環氧樹脂)，具有良好的絕緣性和耐腐蝕性，并且膨脹系數小，熱變形小，具有足夠的強度和彈性模量，保證密封夾具必要的剛度，承受電解液壓力引起的動負荷。

3.1.2 內渦道密封裝置的設計

內渦道也采用整體密封結構，如圖5所示，內密封缸缸體，缸體上的密封圈，壓板下的密封墊(詳見圖3)，與工件內壁一起，實現整體密封。內密封缸上表面用螺栓壓板壓緊。

3.1.3 渦道打通時的密封

當一個渦道打通，再加工下一個渦道時，打通的渦道孔將會漏液，因此需同時裝上內、外密封裝置，進行內外雙側密封。

圖6所示為打通時加工外渦道的雙側密封裝置，內密封缸上需安裝密封板。

圖7所示為打通時加工內渦道的密封裝置，同樣，外密封缸上需安裝密封板。

3.2 陰極夾具設計

3.2.1 陰極的設計

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

cosθ法最早由國外著名學者H.Tipton提出，是最經典、最常用的一種陰極設計方法?，F簡要介紹其基本理論：若陰極為平面且與進給方向垂直，達到平衡狀態時，工件的蝕除速度等于陰極進給速度，兩者達到動態平衡，此時陰極和工件之間的距離將穩定不變，稱為端面平衡間隙。根據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為體積電化當量，mm3/(A·mm)；κ為電解液電導率，1/(Ω·mm)；U為陰陽極之間的電壓，V；δE為陰、陽極極化電位值總和，或近似為分解電壓，V；Vf為陰極的進給速度，mm/min，據式(1)可計算出端面平衡間隙Δb。

當加工面為曲面時，法向平衡間隙Δn與端面平衡間隙之間的關系為：

(2)

式中：Δn為法向平衡間隙，θ為進給方向與法線方向之間的夾角。

在UG軟件中設計步驟為：在工件型面上取一定密度(如每隔1 mm取1個點)的點，用上面cosθ法得到陰極上的點并提取點的坐標，將坐標導入到MATLAB軟件中，編譯插值程序，插入更多的點，用多項式擬合曲線。以內陰極設計為例，插值擬合程序如下：

>> clear;clc % 清除工作區間并清除命令行

>> x=A(:,1); % 提取矩陣A的第一列(x坐標)

>> y=A(:,2); % 提取矩陣A的第二列(y坐標)

>> p=polyfit(y,x,3); %x、y關系用三次多項式表示

>> yi= -118.0140664:0.05:-53.9210; %yi坐標第一個和最后一個之間每隔0.05 mm取點

>> xi=polyval(p,yi); % 求解yi對應的xi值

>> plot(xi,yi) % 繪制xi/yi擬合曲線

再將擬合的曲線導入到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入到UG中生成的內陰極型面曲線。

圖10a、b分別為設計的外陰極和內陰極，陰極內均有空腔，作為電解液流動的流道，陰極加工面上開有過液窄縫或小孔，非加工面涂有絕緣涂層。

3.2.2 外渦道陰極夾具設計

設計外渦道陰極夾具如圖11所示。法蘭連接在機床主軸上，依次連接2號連桿、1號連桿、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部)，即電解液從進液口流入，從陰極上的過液窄縫流進陰極內腔，再經1號連桿和2號連桿，從法蘭上的出液口流出。流道設計時，為使流體為收縮流和保證腔體內形成一定的背壓和電解液充滿腔體，應滿足進液面積≥過液面積(陰極上過液小孔或窄縫)≥出液面積。

3.2.3 內渦道陰極夾具設計

內渦道要在工件內腔進刀，另一端與機床主軸連接，因此設計為互相垂直的“Z”字形結構，如圖12所示。內渦道采用“正流式”供液(電解液從陰極內部流到陰極外部)，即電解液從5號連桿流入，經6號、7號連桿(各連桿之間均有密封墊密封)，從陰極內部流出，再從出液口流出，出液口裝有流量調節閥門(見圖14)。

3.2.4 加工路徑的設計

加工時，陰極固定，工件沿Y軸進給。加工外渦道時，機床主軸(即B軸，圖2所示)Z方向坐標(距工作臺距離)為213 mm，X方向坐標為123.4 mm。

加工內渦道時，主軸Z方向坐標為213 mm，X方向坐標為-5.1 mm，與外渦道接刀時，工件繞C軸順時針轉過87.1°，接刀路徑如圖13所示。

4 實驗驗證及結構優化

4.1 實驗驗證

工裝夾具實物如圖14所示，夾具密封性能良好，定位準確。

4.2 渦輪加工及測量

渦輪電解加工工藝參數為：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，加工程序為：

O0001 %程序名稱

N10 G01 G91 Y67. F1.1; %Y軸正向進給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 %程序結束

內渦道加工電解液壓力為0.4 MPa，加工程序為：

O0002 %程序名稱

N40 G01 G91 Y14. F0.8; %Y軸正向進給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 %程序結束

加工后的工件如圖15a，渦道定位準確，形狀和尺寸誤差檢測合格，型面沒有過切，如圖15b。

4.3 結構優化

基于實驗和安裝過程，提出了以下幾點結構優化：

(1)上、下密封缸在高壓電解液沖擊作用下，圓周方向位置有時可能會發生變動。優化結構為用定位柱銷定位，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(因側面密封圈是緊配合)。優化結構為：在上密封缸圓周方向嵌入4個均勻分布的內六角螺栓，旋轉螺栓，向下頂出下密封缸。

5 結語

本文針對一種閉式整體渦輪的加工，基于UG三維繪圖軟件，設計了一套電解加工工裝夾具，解決了裝置密封與流道設計、定位與夾緊、導電與絕緣等問題，并進行了工藝實驗，成功加工出了符合要求的工件，極大地提高了產品的研發和生產周期，也為同類型零件的加工提供了參考和借鑒。