長窄型薄壁葉片的套料電解加工

張曉博 朱 棟

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

0 引言

帶有分流葉片的擴壓器能有效增大壓比，減少空氣動力損失[1-2]。分流葉片為薄壁結構，采用傳統加工工藝易產生加工變形等問題。電解加工是基于陽極電化學溶解的去材加工工藝，具有加工工具陰極無損耗、無切削力等優點[3-5]，適用于薄壁結構件的批量加工。

套料電解加工是加工葉片的一種重要方法，其中流場的穩定性對提高工件表面質量有著重要作用[6]，國內外學者針對電解液流動方式、加工間隙內電解液流動狀態等方面開展了大量的研究與創新。彭蘇皓等[7]設計了內置絕緣腔的工具陰極，建立了葉身兩側供液的流場，提高了流場穩定性和加工效率。劉嘉等[8]提出一種基于傳統側流式與W式流場的三維復合式流場，獲得了較好的重復精度和表面質量。HU等[9]在流場中通入壓縮氣體，借助氣體薄膜減少了雜散腐蝕，提高了工件表面質量。FANG等[10]研究發現，在電解液脈動流的狀態下，材料去除率和表面質量得到顯著改善。PATEL等[11]將電解液霧化，在工件表面形成一層流體膜，改善了射流沖刷時雜散腐蝕和徑向過切的問題。隨著電解液流場的研究逐漸深入，提出的一些較為復雜的電解液流動方式在一定程度上能夠改善流場的穩定性，但這些流動方式對不同的加工對象往往不具備普遍適用性，且供液形式復雜，不利于整體提高加工效率。

目前，葉片的套料電解加工多采用傳統正沖供液和開放出液的電解液流動方式，但這兩種流動方式在長窄型薄壁葉片加工時存在供液不均勻、流速一致性差的問題。本文設計的全輪廓進液+導流出液的電解液流動方式可以改善加工區域的流速均勻性和穩定性，實現薄壁葉片的高效電解加工。

1 薄壁葉片的套料電解加工方法

目前，套料電解加工多采用傳統的正沖式流動方式，電解液通過進液口沖擊葉片頂端，濺射后的液體不均勻地進入極間間隙，因此葉片兩側的液體流量不可控，流場穩定性差(圖1a),故提出了全輪廓供液[12]+導流式出液的電解液流動方式(圖1b、圖2),即電解液通過絕緣套四周的等距通道進入加工間隙，經過90°轉角后沿導流通道流出。

(a)正沖式供液 (b)全輪廓式供液

(a)開放式出液

與傳統的正沖式開放流場相比，全輪廓供液+導流式出液的流場具有以下優點：①絕緣套側壁與陰極內壁的間隙形成進液通道，電解液沿四周均勻流入陰極端面加工間隙；②封水夾具與陰極側壁的間隙(導流通道)為加工間隙內的電解液提供背壓，提高了流速分布的均勻性。因此，該流動方式下的流場具有更好的穩定性，適合長窄型薄壁葉片的高效加工。為驗證其有效性，針對全輪廓供液+開放式出液(圖2a)和全輪廓供液+導流式出液(圖2b)兩種流場結構，開展了流場仿真分析和套料電解加工試驗研究。

2 流場仿真和結果分析

2.1 流場數學模型建立

套料電解加工過程中，工具陰極和工件分別與電源陰極、陽極相連，電解液在設定的溫度下以較高的速度流動，葉片四周的工件材料發生電化學溶解，工具陰極端面析出氣體，電解產物和熱量被高速流動的電解液帶離加工間隙。電解液更新快且流程較短，電解產物和溫度變化對加工間隙內流場的影響可以忽略不計，因此在本研究中作出如下假設：加工間隙內的流體為單相不可壓縮的液體，電解加工處于平衡狀態，間隙大小不隨時間發生變化。

所研究流場的內壁面較為復雜，流體流向易發生突變、產生漩渦。RNGk-ε湍流模型考慮了渦流對湍流的影響，提高了漩渦流動的精度，可用于計算平壁邊界流動和通道流動等復雜的湍流情況[13]，對本文所研究的流場結構有較強的適用性。RNGk-ε湍流模型所采用的微分求解方程為

(1)

(2)

(3)

式中，k為湍動能；ui為時均速度；μeff為有效黏度，μeff=μ+μt；μ為動力黏度;ε為湍動耗散率；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；αk、αε分別為k和ε的有效普朗特數的倒數，αk=αε=1.39；C1ε、C2ε、Cμ均為常數，C1ε=1.42，C2ε=1.68，Cμ=0.008 45。

實際電解加工過程中，工具陰極和工件陽極之間預先設置有初始間隙，隨著陰極的進給，工件陽極發生電化學溶解，加工間隙逐漸趨近于某一穩定值(稱為平衡間隙Δb)，此時的加工間隙與時間變化無關，主要由加工電壓和進給速度決定[14]：

(4)

式中，η為電流效率；ω為材料的體積電化學當量；κ為電解液電導率；U為陰陽極之間的電壓；ΔE為陰陽極之間極化電位值總和；vf為陰極進給速度；UR為電解液壓降。

2.2 仿真與結果分析

基于全輪廓供液的方式建立了開放式出液(圖3a)和導流式出液(圖3b)的三維液體流道結構，根據實際工況參數確定表1所示的初始及邊界條件，采用上述RNGk-ε湍流數學模型進行穩態求解，觀察并分析兩種流道結構在Plane A(加工間隙的中間平面)上的流速及壓力分布，從而得到加工間隙的流場狀態。

(a)開放式出液流道

實際加工過程中，葉片前緣加工面積較大但供液往往不足，因此需要設計增液縫[15]結構，為前緣加工區域補充電解液，保證加工的正常進行。

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開展了加工區域內電解液的壓力和流速分布的流場仿真，從壓力分布圖(圖4a、圖5a)中可以看出，開放式出液的流場結構下，加工區域內的壓力分布不均勻，且從電解液的入口至出口逐漸減小，存在顯著的壓力差；導流式出液的流場結構下，加工區域內的壓力分布均勻，無明顯的壓力突變區域。從流速分布圖(圖4b、圖5b)中可以看出，相比于導流式出液流場，開放式出液流場加工區域內的電解液整體流速較高，但葉片尾緣處存在局部貧液區，影響電解加工產物的排出。

(a)壓力分布云圖 (b)流速分布云圖

(a)壓力分布云圖 (b)流速分布云圖

如圖6所示，在加工區域Q內取1000個數據點，分析區域內的流速大小和波動情況；在葉片兩側靠近入口處取兩條直線Lf1、Lf2，出口處取兩條直線Lr1、Lr2，并在每條直線上取200個數據點，分析電解液沿流程的流速分布情況(表2)。

圖6 取樣區域示意圖

表2 取樣區域內的流速分析

表2提供了不同取樣區域內電解液流速v和流速方差s2的具體數據。由表2可知，導流式出液工況下，加工區域內的平均流速為19.75 m/s，流速的方差為3.45 m2/s2，入口和出口處的流速相近，和區域內平均流速相差不大，且波動較小；開放式出液的工況下，加工區域內的平均流速為25.08 m/s，流速的方差為5.61 m2/s2，入口和出口處的流速相差近10 m/s，與導流式出液相比，存在明顯的流速波動。

對仿真結果進行分析可知，在開放式出液的流場結構下，電解液流出極間間隙后自由流動，導致間隙內的電解液出現顯著的壓降，根據伯努利原理可知，靜壓的變化量轉化為液體的動壓，表現為電解液的動能增大，流速升高；在導流式出液的流場結構下，由于間隙內的電解液存在背壓，沿程壓差小，因此電解液沿流程速度分布均勻，避免了局部缺液的現象。

因此，在長窄型薄壁葉片的套料電解加工中，應選擇全輪廓供液+導流出液的電解液流動形式，這一方面能提高加工區域內流速的均勻性，另一方面能借助流場的穩定性進一步提高陰極進給速度，以實現長窄型葉片的高效加工。

3 薄壁葉片的套料電解加工試驗

3.1 試驗準備

針對導流式出液流場設計封水夾具，開展薄壁葉片的套料電解加工對比試驗(一組采用封水夾具，另一組不使用封水夾具)，對加工后的輪轂表面質量進行分析；采用全輪廓供液+導流式出液流場結構，開展提速加工試驗，探究該流動形式對加工效率的改善情況。陰極工裝夾具和試驗設備如圖7所示。

圖7 套料電解加工工裝夾具與工藝設備

根據加工對象的材料特性選取了表3所示的加工參數，在陰極進給速度0.8 mm/min下開展薄壁葉片的對比加工試驗；采用導流式出液的流場結構，開展了1.0，1.2，1.3，1.4 mm/min的提速試驗。

表3 試驗加工參數

3.2 試驗結果分析

3.2.1出液方式變化對陰極進給速度的影響

圖8 0.8 mm/min速度下的葉片截面(開放式出液)

從葉片截面圖(圖8、圖9)中可以看出，加工速度0.8 mm/min時，由式(4)可知穩定加工時端面的間隙較大，葉尖處的雜散腐蝕[16]嚴重，葉片高度不足8.6 mm且較薄，難以滿足加工需求。隨著陰極進給速度的提高，葉片葉尖處的雜散腐蝕程度有所減弱，葉片高度增加，進給速度為1.4 mm/min時，葉片高度達到9.25 mm。

(a)vf=1.0 mm/min

為分析不同速度下葉片厚度的變化，利用三坐標對葉片輪廓進行檢測，分析葉身兩側余量分布。在葉身兩側沿葉片前緣至葉片尾緣方向取30個點，對比加工葉片與理論葉片的輪廓偏差，結果如圖10所示。

圖10 不同加工速度下葉片余量分布

由圖10可以看出，葉身余量沿葉片尾緣至前緣的分布呈現先增大后減小的規律；隨著速度的提高，葉身整體余量增加。分析原因可知，葉片前緣圓弧較小，在加工過程中，工具陰極的葉片前緣加工刃輪廓處存在明顯的電場集中效應，導致葉片葉身靠近前緣處的腐蝕量增大。隨著陰極進給速度的提高，葉片受到雜散腐蝕的時間縮短，葉片整體厚度增大。當進給速度大于1.2 mm/min時，葉身輪廓無局部過切，能夠實現葉片有余量的套型加工。

加工過程電流變化如圖11所示，當進給量達到3 mm后，加工電流基本保持穩定。導流出液流場下，陰極進給速度為1.0～1.4 mm/min時，進給速度每提高0.1 mm/min，加工過程中的穩定電流提高約100 A；速度提高至1.4 mm/min時，加工電流最終基本穩定在1100 A。導流出液能增大加工區域內流場的穩定性，為提高陰極的進給速度提供保障。導流出液流場下，陰極的極限進給速度從0.8 mm/min提高到1.4 mm/min，實現了長窄型薄壁葉片有余量的套型加工，通過對陰極加工刃輪廓的修正，可以實現1.4 mm/min速度下目標尺寸葉片的套型加工。

圖11 1.0，1.2，1.3和1.4 mm/min下的加工電流

3.2.2表面質量的變化

加工間隙內的電解液流動狀態對工件輪轂的表面質量有著顯著的影響。在0.8 mm/min的陰極進給速度下，開展了兩種出液方式的對比加工試驗，獲得的輪轂表面如圖12所示，可以看出，開放式出液流場下，葉間通道局部存在散射狀流紋，當出液口增加導流段后，葉間通道對應區域內無明顯流紋，表面平整性較好。

(a)開放式出液

電解液在進出口處的壓力差過大，導致流速沿加工間隙流程變化劇烈、流動狀態不穩定。根據表2中的流速分布可知，入口附近的電解液流速相對出口處低，電解產物積聚較多，使得工件材料溶解不均勻，在通道表面產生流紋。增加導流段之后，加工間隙內沿流程的壓差顯著減小，提高了間隙內流速分布的均勻性和工件材料溶解的一致性，因此通道表面質量得到改善。

為進一步分析出液方式變化對工件表面質量的影響，檢測不同速度下、兩種出液方式套型加工的葉間通道及葉片型面的粗糙度。由圖13可以看出，采用導流出液方式加工得到的葉間通道處的粗糙度從0.532 μm變為0.501 μm，葉片型面處無明顯變化。分析原因可知，導流出液方式主要改善端面加工間隙內的流場狀態。葉片套型加工中，葉片型面主要依靠陰極側壁加工得到。相同進給速度下，陰極側壁對葉片型面的加工時間相同，因此葉片型面表面質量相近。

(a) 工件照片

由圖14可以看出，隨著進給速度的提高，葉片型面和葉間通道的粗糙度呈下降趨勢，且葉片型面處的粗糙度要大于葉間通道處的粗糙度。陰極的進給速度為1.0 mm/min時，葉片型面處的Ra為0.756 μm，葉間通道處的Ra為0.466 μm，進給速度提高至1.4 mm/min時，葉片型面處的Ra為0.583 μm，葉間通道處的Ra為0.307 μm。由于葉片型面處加工一直受雜散腐蝕作用影響，故其表面質量低于葉間通道的表面質量。隨著陰極進給速度的提高，加工時間縮短，加工間隙減小，電流密度增大，工件材料的溶解均勻性得到改善，葉片型面和葉間通道處的加工質量提高。

圖14 不同速度下的加工表面粗糙度(導流式出液)

4 結論

(1)針對長窄型薄壁葉片設計了全輪廓供液+導流式出液的流場結構，進液口的均流通道對電解液進行分流，出液口處的導流段對加工區域內的電解液提供背壓，提高了流場的穩定性。

(2)對比分析了全輪廓供液下導流式出液和開放式出液的電解液流動方式，開展了流場仿真。仿真結果顯示，開放式出液工況下，加工間隙內的電解液壓力沿流程有明顯的壓力差，存在顯著的低流速區域；導流式出液工況下，電解液的壓力無突變且流速分布更加均勻。

(3)開展了等速對比實驗，在導流出液的流場下，葉間通道的表面更加平整，無明顯流紋出現，改善了輪轂表面質量；開展了提速加工試驗，實現1.4 mm/min進給速度下長窄型薄壁葉片的穩定加工，葉片型面處粗糙度從0.816 μm降至0.583 μm，葉間通道處粗糙度從0.532 μm降至0.307 μm，表面質量得到提高。