整體葉輪葉間槽數(shù)控電解加工的試驗研究*

□ 朱鵬翔 □ 干為民 □ 許 越

1.河海大學(xué) 機電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

2.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室 江蘇常州 213002

隨著航空、航天技術(shù)的迅速發(fā)展，提高發(fā)動機整體性能變得尤為重要。整體葉輪的優(yōu)化設(shè)計不但可以減輕發(fā)動機的重量，還可以提高葉輪整體的強度和剛性，從而提高發(fā)動機效率和可靠性。由于葉輪均由耐高壓、耐高溫、高硬度、高強度材料構(gòu)成，且結(jié)構(gòu)中存在復(fù)雜造型型腔——葉間氣流通道，使傳統(tǒng)的機械切削方法難以對其加工。

數(shù)控電解技術(shù)集成了數(shù)控技術(shù)與電解技術(shù)兩者的技術(shù)特點，既具有數(shù)控加工的特點，可用軟件編程代替復(fù)雜的成形陰極的設(shè)計，又具有電解加工的特點，工具陰極無損耗、無宏觀切削力，適合加工各種難加工切削材料。這一技術(shù)在葉輪整體加工上具有很大的優(yōu)越性，筆者采用數(shù)控電解的方法對整體葉輪葉間槽加工進行實驗，并得出了優(yōu)化的工藝參數(shù)。

1 數(shù)控電解加工原理

傳統(tǒng)的電解加工，又稱為電化學(xué)加工（Electrochemical Machining，ECM），是利用金屬在電解液中可以發(fā)生陽極溶解的原理，借助于成形陰極，將工件按一定的尺寸及形狀加工成形，加工原理如圖1所示。其加工速度快，但是成形陰極的設(shè)計和制造較為困難，生產(chǎn)周期長；同時由于陰極形狀復(fù)雜，加工面積大，在加工過程中容易引起二次腐蝕，影響加工精度。而且傳統(tǒng)電解加工進給運動方向單一，使陰極可能無法進入葉間通道。數(shù)控電解加工是一種將電解加工與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的新型加工方法，類似于數(shù)控銑削加工。其中工具陰極作為無應(yīng)力加工電解“銑刀”，相對于陽極工件進行數(shù)控加工運動，并對工件陽極實現(xiàn)電化學(xué)溶解作用，陰極運動形成包絡(luò)面形成了期望加工的型面。在整體葉輪葉間槽的加工過程中，接電源負極的工具陰極高速旋轉(zhuǎn)，并相對于接電源正極的陽極工件作數(shù)控展成運動，工件被加工面與陰極之間通入電解液，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)電解加工原理圖

圖2 數(shù)控電解加工原理圖

2 實驗裝置

數(shù)控電解加工整體葉輪葉間槽試驗裝置主要包括數(shù)控電解機床、加工電源和電解液系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 數(shù)控電解加工整體葉輪葉間槽裝置示意圖

1）數(shù)控電解機床。該機床是在五軸聯(lián)動數(shù)控雕銑機上改造而成的，機床配有3個直線運動軸X、Y、Z和雙回轉(zhuǎn)工作臺B、C軸。機床工作箱內(nèi)部除絕緣工作臺外，均用抗腐蝕性防水材料密封，并設(shè)置通水和排水通道。各接縫處均用密封膠密封，以防止電解液滲漏，對機床產(chǎn)生腐蝕。工作臺頂部采用可拆卸式頂蓋，從而方便工件從工作臺上方裝夾和對工作臺清洗。

2）電解液系統(tǒng)。常見電解液有3種：NaCl、NaNO3和NaClO3，根據(jù)以往工藝試驗積累的經(jīng)驗，數(shù)控電解中常選NaNO3水溶液作為電解液。電解液系統(tǒng)采用二級循環(huán)系統(tǒng)，電解液首先經(jīng)過回液槽用過濾網(wǎng)過濾，然后通過過濾泵并回到供液槽，這樣使電解液能夠循環(huán)使用。管道壓力通過溢流閥控制，溫度可通過加熱冷卻系統(tǒng)控制。

3）加工電源。試驗研究中采用占空比可調(diào)的高頻窄脈沖電源，該電源輸出最高電解電壓為60 V，最大電解電流可達到480 A，最高脈沖頻率40 kHz。

3 數(shù)控電解切槽試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

3.1 影響數(shù)控電解加工的因素

1）工藝參數(shù)的影響。工藝參數(shù)主要包括加工電壓、加工電流密度、進給速度、主軸轉(zhuǎn)速等。試驗中整個電解過程均屬于粗加工階段，在其它影響因素確定的情況下，通過改變加工電壓、主軸轉(zhuǎn)速等，得出加工質(zhì)量最好條件下的最大進給速度。

2）電解液的影響。主要包括電解液成分、溫度和濃度，電解液是影響電解加工效果的重要因素,會影響電解加工精度、表面質(zhì)量及加工效率。NaNO3電解液因具有加工精度高、對設(shè)備腐蝕性較小等特點而被廣泛應(yīng)用于整體葉輪盤數(shù)控電解加工當(dāng)中。此外，電解液的濃度、溫度也很大程度上影響到電解加工過程中的陽極去除量。

3）流場設(shè)計的影響。電解加工中，流場不但直接關(guān)系到電解加工精度的高低、被加工表面質(zhì)量的好壞，而且還決定了電解加工的成敗。合理的流場設(shè)計是電解加工得以成功的基礎(chǔ)，流場設(shè)計包括電解液流動形式的確定，電解液進出口的壓力、速度的分布和計算，流場的均勻性設(shè)計等。

4）被加工材料的影響。被加工材料的合金成分和熱處理狀態(tài)對加工表面質(zhì)量有很大的影響，熱處理后的合金成分復(fù)雜、金相組織不同，其電極電位也不相同，導(dǎo)致加工過程中被加工面各處溶解速度也不同，降低了被加工表面的質(zhì)量。

3.2 試驗設(shè)計

試驗選用電解質(zhì)為NaNO3的電解液，工具陰極選用錐面帶有螺旋形噴液縫的錐形陰極，材料為不銹鋼。電解液溫度一般控制在35℃左右，濃度初定為15%。高頻窄脈沖電源占空比40%，頻率4kHz。工具陰極和被加工陽極面之間最小放電間隙為0.2 mm。

試驗選用工具陰極噴液縫寬、加工電壓、電解液壓力、主軸轉(zhuǎn)速這4個因素進行正交試驗，并建立正交試驗因素表，見表1。

表1 正交實驗因素表

通過對正交試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，可以得出4個因素對電解加工進給速度影響從大到小依次為：加工電壓、陰極噴液縫寬、主軸轉(zhuǎn)速、電解液壓力。通過16組試驗數(shù)據(jù)處理對比得出滿槽電解最大進給速度為0.6 mm/min，半槽加外噴電解最大進給速度為1.2 mm/min。最優(yōu)試驗組合為A2B4C3D2，滿槽電解加工電流隨加工深度的變化如圖4所示。

圖4 加工電流時序曲線

3.3 單因素試驗分析

1）電解液濃度對加工的影響。由于電解液濃度的變化直接影響到電導(dǎo)率，所以一般來說電解液濃度越高，加工間隙越大，加工效率也就越高。但是濃度增加也使電解液中離子增多，離子間的相互作用使離子遷移困難，所以過度提高電解液濃度反而會引起嚴重的雜散腐蝕。在最優(yōu)水平組合A2B4C3D2條件下，電解液濃度與加工間隙關(guān)系如圖5所示。合適的電解液濃度有利于提高加工精度，有效避免過切現(xiàn)象。試驗表明，NaNO3電解液濃度控制在15%，加工整體效果最好。

圖5 電解液濃度對加工間隙的影響

2）電解液溫度對加工的影響。溫度越高，電解液中離子的活躍度越高，電導(dǎo)率增加則電化學(xué)反應(yīng)也越劇烈，單位時間去除量也相應(yīng)增大。適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢蕴岣呒庸ば屎唾|(zhì)量，但是過高的溫度也會帶來負面的影響。試驗證明，當(dāng)電解液溫度超過40℃后，工件被加工表面明顯出現(xiàn)流紋，加工表面質(zhì)量變差且精度降低。在整體葉輪葉間槽數(shù)控電解加工中，宜將溫度控制在35℃左右。

3）陰極進給速度對加工的影響。進給速度對去除量影響較大，隨著進給速度的提高，加工間隙變小，去除量逐漸減少，且去除量變化率也逐漸減少，直到趨于穩(wěn)定階段，此時如果繼續(xù)加速會產(chǎn)生火花現(xiàn)象，導(dǎo)致陰極表面損壞。小進給速度下加工間隙大，去除量也較大，可以最大化去除工件余量；較高的進給速度下加工間隙小，去除量也小，此時被加工表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)速度低，所以工件被加工表面質(zhì)量較好。因此，選擇合適的進給速度是保證電解加工可以進行的重要因素。在電解液濃度定為15%、溫度控制在35℃時，以滿槽電解加工為例，選取A2B4C3D2試驗組合，此時加工進給速度與去除量的關(guān)系如圖6所示。根據(jù)如圖6實驗結(jié)果，葉輪葉間槽滿槽加工進給速度取0.6 mm/min時，單邊加工間隙約為1.0 mm，此時可保證在不過切的情況下高效地加工出葉輪葉片。

圖6 進給速度對加工間隙的影響

圖7是五軸聯(lián)動數(shù)控電解整體葉輪的葉間槽試驗件，采用錐形帶螺旋噴水縫的陰極，單葉片電解加工可以一次到位，穩(wěn)定的加工進給速度為0.6 mm/min。

圖7 整體葉輪葉間槽的試加工工件

4 結(jié)論

1）數(shù)控電解加工技術(shù)是加工整體葉輪葉間槽的一種確實可行的方法，其效率是一般電火花加工的8～10倍，它具有加工效率高、無殘余應(yīng)力、工具陰極無損耗等特點。

2）陰極切入工件，繞葉輪葉片曲面軌跡運動，一次加工出兩個葉間槽形成葉片。在加工后續(xù)葉片時，由于受到前一個葉片葉間槽的影響，陰極切出時流場分布嚴重不均勻，此時可打開外噴設(shè)備，將電解液均勻噴于陰極背面。實踐證明，這種方法不但解決了流場問題，還提高了電解加工效率。

3）數(shù)控電解加工過程中由于陰極運動軌跡復(fù)雜，隨著時間空間的不斷變化，電化學(xué)、電場、流場等諸多參數(shù)的相互關(guān)系十分復(fù)雜，導(dǎo)致加工精度不高，可預(yù)留一定的加工余量進行后續(xù)加工，保證加工精度。

［1］ 徐家文，趙建設(shè)，干為民，等.航空發(fā)動機整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［2］ 劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008

［3］ 徐家文，云乃彰，嚴德榮.數(shù)控電解加工整體葉輪盤的研究、應(yīng)用和發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2003（6）：31-35.

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［5］ 徐家文，云乃彰，王建業(yè)，等.電化學(xué)加工技術(shù)——原理、工藝及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.