闭式叶栅结构电解加工装置及加工方法 |
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| 申请号 | CN202311709741.2 | 申请日 | 2023-12-13 | 公开(公告)号 | CN117506034A | 公开(公告)日 | 2024-02-06 |
| 申请人 | 中国航空制造技术研究院; | 发明人 | 黄明涛; 傅军英; 张明岐; 刘萌; 王系众; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种闭式叶栅结构 电解 加工装置及加工方法，加工装置包括叶背 电极 、叶盆电极、第一 水 套、第二水套以及驱动组件；叶背电极设有用于加工 叶片 的叶背型面的第一加工面；叶盆电极设有用于加工叶片的叶盆型面的第二加工面；第一水套设有供电解液流动的第一通道；第二水套连设有供电解液流动的第二通道；驱动组件连接于叶背电极和叶盆电极；叶背电极背离第一加工面的侧面与叶盆电极背离第二加工面的侧面之间形成有供电解液流动的第三通道，驱动组件能够驱动叶背电极和叶盆电极沿第三通道的长度方向移动，或驱动叶背电极和叶盆电极相背运动。本发明提高了闭式叶栅结构的加工 精度 和效率，大幅简化了工艺过程、工艺实施过程更加简单。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种闭式叶栅结构电解加工装置，用于将毛坯件电解加工为闭式叶栅结构，所述闭式叶栅结构具有多个叶片，相邻每两个所述叶片间形成有叶栅通道，其特征在于，所述加工装置包括： |
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| 说明书全文 | 闭式叶栅结构电解加工装置及加工方法技术领域[0001] 本发明涉及电解加工工艺技术领域，更具体地说，涉及一种闭式叶栅结构电解加工装置及加工方法。 背景技术[0002] 在军民用涡扇航空发动机的风扇及压气机设计中，大量采用了整体叶盘、闭式整流器等构件。这类构件的材料多为高温合金、钛合金等，切削性能很差；叶栅密集、叶片弯扭轻薄，流道倾斜；叶片型面轮廓精度和位置精度要求高，这些特点使得传统的机械加工变得 非常困难，表现在加工变形严重且变形量不易控制，刀具磨损严重，导致加工效率极低，成 本高，表面质量差。 [0003] 电解加工是利用电化学阳极溶解原理，对金属实现去除加工的一种特种工艺方法。电解加工时工具电极为电极，工件为阳极。电解加工电极一般采用金属材料制作而成， 电极工作面形状与工件阳极要求形状凹凸相反，如加工凹槽、孔时工具电极端部是凸筋、柱 状结构，加工凸台时工具电极端部形状是凹腔结构。电解加工时工件阳极和工具电极间保 持一定的间隙，极间施加直流或脉冲电压，电解液一般采用中性的盐溶液，在极间形成电化 学反应池，同时高速冲刷，不断带走电解加工产物及热量，并去极化。工件阳极按工具电极 的形状不断溶解，直到工件的形状和尺寸达到要求为止。 [0004] 电解加工与数控铣削方法相比有着成本低(批产时更具优势)、效率高(工时可减少50％以上)、加工高强度/高硬度材料时电极(刀具)无损耗、加工薄型结构无残余应力和 变形的优势，加工叶片型面时依靠双面成型电极(叶盆和叶背)进行加工，加工过程中相邻 两截面间可以实现平滑过渡，并且电解加工优质、高效的技术特点特别适用于批量研制。 [0005] 电解加工可以对叶片、整体叶盘、带冠叶盘、整体叶环、闭式整体整流器、扩压器等构件的叶型进行高效率、高精度加工。目前整体叶盘叶片电解加工主要采用双面(叶盆、叶背)加工阴极相向同步运动的方式，可以同时加工一个叶片的叶盆、叶背两个型面，加工无 应力，对叶片无机械冲击，有效解决了机械加工的变形控制难题。 [0006] 目前，闭式叶栅结构300(如图1)的叶片型面加工主要参照整体叶盘叶片型面精密电解加工的方式，即先对叶栅通道320进行预加工，然后进行叶片310的精加工。当叶栅通道 320间距比较小时，特别是对于闭式整体整流器的叶栅通道320(如图2)，受内流道330、外流 道340表面的空间限制，只能采用简单的电极进行叶栅通道320的直纹面预加工，无法同步 加工出叶盆、叶背的弧形面，需要增加一道整形加工工序，从而满足电解精加工电极以多轴 联动的方式进入目标叶栅加工位置的空间需求。 [0007] 由于叶栅通道空间较小，电解预加工后最小的叶栅尺寸约4mm，电解整形加工电极具有与叶片型面类似的弧形面，进一步增加了空间需求，进入预加工的小尺寸直纹面叶栅 通道时，需要电解整形加工电极与预加工叶栅通道的精确定位，防止整形加工电极与叶栅 通道发生干涉，对工装、电极等的制造精度要求高，安装定位时间长，工艺过程复杂，实施难度非常大。 发明内容[0008] (一)要解决的技术问题 [0009] 本发明要解决的技术问题是现有的电解加工工艺对工装、电极等的制造精度要求高，安装定位时间长，工艺过程复杂，实施难度非常大。 [0010] (二)技术方案 [0011] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： [0012] 第一方面，本发明提供一种闭式叶栅结构电解加工装置，用于将毛坯件电解加工为闭式叶栅结构，所述闭式叶栅结构具有多个叶片，相邻每两个所述叶片间形成有叶栅通 道，所述加工装置包括叶背电极、叶盆电极、第一水套、第二水套以及驱动组件；叶背电极设有用于加工所述叶片的叶背型面的第一加工面；叶盆电极设有用于加工所述叶片的叶盆型 面的第二加工面；第一水套连接于所述叶背电极，设有供电解液流动的第一通道，所述第一 通道的出口朝向所述第一加工面；第二水套连接于所述叶盆电极，设有供电解液流动的第 二通道，所述第二通道的出口朝向所述第二加工面；驱动组件连接于所述叶背电极和所述 叶盆电极；其中，所述叶背电极背离所述第一加工面的侧面与所述叶盆电极背离所述第二 加工面的侧面之间形成有供电解液流动的第三通道，所述驱动组件能够驱动所述叶背电极 和所述叶盆电极沿所述第三通道的长度方向移动，或驱动所述叶背电极和所述叶盆电极相 背运动。 [0013] 优选地，所述加工装置还包括电源，所述毛坯件与所述电源的正极电连接，所述叶背电极和叶盆电极与所述电源的负极电连接。 [0014] 优选地，所述叶背电极背离所述第一加工面的侧面延伸形成有插接部，所述叶盆电极背离所述第二加工面的侧面设有插接槽，所述叶背电极、所述叶盆电极、所述插接部的 内壁面以及所述插接槽的内壁面之间合围形成有所述第三通道。 [0015] 优选地，所述叶盆电极背离所述第二加工面的侧面延伸形成有插接部，所述叶背电极背离所述第一加工面的侧面设有插接槽，所述叶背电极、所述叶盆电极、所述插接部的 内壁面以及所述插接槽的内壁面之间合围形成有所述第三通道。 [0016] 第二方面，本发明还提供一种加工方法，使用上述技术方案中任一种所述的闭式叶栅结构电解加工装置对所述毛坯件进行加工，所述加工方法包括以下步骤： [0017] 步骤一、往所述第三通道内通入电解液，电解液从所述第三通道的出口流出，并冲击所述毛坯件的目标位置； [0018] 步骤二、驱动组件驱动所述叶背电极和所述叶盆电极沿所述第三通道的长度方向移动，电解液从所述第三通道的出口流出，并电解加工所述毛坯件，形成所述叶栅通道，所 述叶栅通道具有相对设置的第一侧和第二侧； [0019] 步骤三、所述第一加工面与所述第一侧之间形成第一加工通道，所述第二加工面与所述第二侧形成第二加工通道，往所述第一通道内和所述第二通道内通入电解液，电解 液从所述第一通道流入至所述第一加工通道，电解液从所述第二通道流入至所述第二加工 通道； [0020] 步骤四、所述驱动组件驱动所述叶背电极和所述叶盆电极相背运动，电解液在所述第一加工通道内流动，将所述第一侧电解加工为叶背型面，以及电解液在所述第二加工 通道内流动，将所述第二侧电解加工为叶盆型面。 [0021] 优选地，在所述步骤三中，保持往所述第三通道内通入电解液。 [0022] 优选地，所述电解液为NaNO3电解液。 [0023] 优选地，所述电解液的液压范围为0.2MPa‑0.8MPa。 [0024] 优选地，所述电解液的温度范围为25℃‑40℃。 [0025] 优选地，所述驱动组件驱动所述叶背电极和所述叶盆电极的进给速度为0.05mm/min‑0.5mm/min。 [0026] (三)有益效果 [0027] 本发明的上述技术方案至少具有如下优点： [0028] 1、本发明提供的闭式叶栅结构电解加工装置，不仅可以实现对叶栅通道的电解加工，还可以实现对叶片的叶背型面和叶盆型面的电解加工，在整个加工过程中，毛坯件和电 解加工装置只需要进行一次装夹即可完成全部闭式叶栅结构叶片的加工，电解加工装置与 毛坯件均不用拆装，彻底消除毛坯件与叶背电极、叶盆电极之间的装调误差。与传统的“预 加工、整形加工、精加工”三步工序电解加工相比，避免了多次安装加工电极、工件带来的误差累积、加工准备工作繁杂、制造成本高、准备周期长等缺点，加工流程大为简化、加工效率得以大幅提升。可有效解决多种复杂叶片的加工电极与叶片型面之间的精确定位难题，从 而实现整体叶环、整体整流器等闭式叶栅结构复杂构件叶片的高效率、高精度加工，具有非 常大的应用价值。 [0029] 2、叶背电极、叶盆电极、插接部的内壁面以及插接槽的内壁面之间合围形成有第三通道，第三通道作为供电解液流动的通道，用于电解加工毛坯件形成叶栅通道，简化了工 装结构，提高了狭窄叶栅通道内有限空间的利用率。对毛坯件进行电解加工时，第三通道持 续供给电解液，使叶背(盆)电极的第一(第二)加工面所受的电解液压力与电极非加工面 (第一加工面的背面或第二加工面的背面)所受的电解液压力处于平衡状态，避免了电解液 压力对叶背(盆)电极产生较大的单向作用力，保证叶背(盆)电极不会发生弹性变形，解决 了弱刚性的叶背(盆)电极在电解液压力下发生变形导致叶片加工精度难以保证的问题。 附图说明 [0030] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。 [0031] 图1是闭式叶栅结构的结构示意图。 [0032] 图2是闭式叶栅结构的局部放大图。 [0033] 图3是本发明实施例提供的加工装置的结构示意图。 [0034] 图4是本发明实施例提供的加工装置电解加工形成叶栅通道的示意图。 [0035] 图5是本发明实施例提供的加工装置电解加工形成叶片的示意图。 [0036] 图6是本发明实施例提供的第三通道的横截面的结构示意图。 [0037] 图中各附图标记为： [0038] 100、加工装置；200、毛坯件；210、目标位置；300、闭式叶栅结构；310、叶片；320、叶栅通道；1、叶背电极；2、叶盆电极；3、第一水套；4、第二水套；5、驱动组件；6、第三通道；7、第一加工通道；8、第二加工通道；11、第一加工面；12、插接部；21、第二加工面；22、插接槽；31、第一通道；41、第二通道；311、叶背型面；312、叶盆型面；321、第一侧；322、第二侧。 具体实施方式[0039] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0040] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接位于另一个元件上或者间接位于另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接或间接连接至另一个元件。 [0041] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0042] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性或指示技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述： [0043] 如图3、图4和图5所示，本发明实施例提供一种闭式叶栅结构电解加工装置100，用于将毛坯件200电解加工为闭式叶栅结构300，闭式叶栅结构300具有多个叶片310，相邻每 两个叶片310间形成有叶栅通道320，加工装置100包括叶背电极1、叶盆电极2、第一水套3、 第二水套4以及驱动组件5；叶背电极1设有用于加工叶片310的叶背型面311的第一加工面 11；叶盆电极2设有用于加工叶片310的叶盆型面312的第二加工面21；第一水套3连接于叶 背电极1，设有供电解液流动的第一通道31，第一通道31的出口朝向第一加工面11；第二水 套4连接于叶盆电极2，设有供电解液流动的第二通道41，第二通道41的出口朝向第二加工 面21；驱动组件5连接于叶背电极1和叶盆电极2；其中，叶背电极1背离第一加工面11的侧面 与叶盆电极2背离第二加工面21的侧面之间形成有供电解液流动的第三通道6，驱动组件5 能够驱动叶背电极1和叶盆电极2沿第三通道6的长度方向(即图3所示的v1方向)移动，或驱 动叶背电极1和叶盆电极2相背运动。驱动组件5具体可以为多轴数控机床，其能够驱动叶背 电极1和叶盆电极2进行轴向进给运动或两者间的相背运动(即图5所示的v2和v3方向)。 [0044] 加工装置100还包括电源(未图示)，毛坯件200与电源的正极电连接，叶背电极1和叶盆电极2与电源的负极电连接。也就是说将叶背电极1和叶盆电极2作为电解加工时的阴 极，将毛坯件200作为电解加工时的阳极。 [0045] 具体地，叶背电极1和叶盆电极2与电源负极相连，毛坯件200与电源正极相连，极间通以一定大小的加工电压，具体加工电压根据实际加工材料、加工间隙等情况而定。 [0046] 如图6所示，在其中一个实施例中，叶背电极1背离第一加工面11的侧面延伸形成有插接部12，叶盆电极2背离第二加工面21的侧面设有插接槽22，叶背电极1、叶盆电极2、插接部12的内壁面以及插接槽22的内壁面之间合围形成有第三通道6。同时，由于插接部12具 有一定延伸长度，当叶背电极1与叶盆电极2进行相背运动时，插接部12与插接槽22仍可以 实现配合连接，进而保证其能够构成闭合的第三通道6。 [0047] 在其中一个实施例中，叶盆电极2背离第二加工面21的侧面延伸形成有插接部，叶背电极1背离第一加工面11的侧面设有插接槽，叶背电极1、叶盆电极2、插接部的内壁面以 及插接槽的内壁面之间合围形成有第三通道6。 [0048] 在其中一个实施例中，毛坯件200安装在对应的机床上并能够随其进行旋转运动。具体地，当加工完叶栅通道320两侧对应叶片310的叶背型面311和叶盆型面312以后，叶背 电极1和叶盆电极2退出当前的叶栅通道320，毛坯件200随安装在机床分度轴上的工装旋转 分度，然后叶背电极1和叶盆电极2再沿闭式叶栅结构300的轴向进给加工形成下一个叶栅 通道320，并在该叶栅通道320内加工下一个叶背型面311和下一个叶盆型面312，不断重复 上述动作，直至完成所有叶片310的叶背型面311和叶盆型面312的加工，从而可以实现对整 个闭式叶栅结构300的所有叶片310的全自动电解加工。 [0049] 本发明实施例还提供一种加工方法，使用上述实施例中任一种的闭式叶栅结构电解加工装置100对毛坯件200进行加工，加工方法包括以下步骤： [0050] 步骤一、往第三通道6内通入电解液，电解液从第三通道6的出口流出，并冲击毛坯件200的目标位置210； [0051] 步骤二、驱动组件5驱动叶背电极1和叶盆电极2沿第三通道6的长度方向移动，电解液从第三通道6的出口流出，并电解加工毛坯件200，形成叶栅通道320，叶栅通道320具有 相对设置的第一侧321和第二侧322；电解液从第三通道6的出口流出，并在第三通道6的端 面与毛坯件200之间形成直流或脉冲电压，对毛坯件200进行电解加工，使之对应位置溶解， 然后驱动组件驱动叶背电极1和叶盆电极2沿轴向进给，以使毛坯件200沿进给方向不断溶 解，形成叶栅通道320。 [0052] 步骤三、第一加工面11与第一侧321之间形成第一加工通道7，第二加工面21与第二侧322形成第二加工通道8，往第一通道31内和第二通道41内通入电解液，电解液从第一 通道31流入至第一加工通道7，电解液从第二通道41流入至第二加工通道8；由于叶背电极1 设有与叶背型面311形状相对应的第一加工面11；叶盆电极2设有与叶盆型面312形状相对 应的第二加工面21。电解加工时，毛坯件200作为阳极会根据第一加工面11和第二加工面21 的形状不断溶解，同时电解液从第一通道31流向第一加工面11、从第二通道41流向第二加 工面21，对毛坯件200进行高速冲刷，不断带走电解加工产物及热量，并去极化，直到毛坯件 200的形状和尺寸达到要求为止。 [0053] 步骤四、驱动组件5驱动叶背电极1和叶盆电极2相背运动，电解液在第一加工通道7内流动，将第一侧321电解加工为叶背型面311，以及电解液在第二加工通道8内流动，将第 二侧322电解加工为叶盆型面312。 [0054] 在其中一个实施例中，在步骤三中，保持往第三通道6内通入电解液。以使叶背电极1(或叶盆电极2)的第一加工面11(或第二加工面21)所受的电解液压力与电极非加工面 (第一加工面11的背面或第二加工面21的背面)所受的电解液压力处于平衡状态，避免了电 解液对叶背电极1(或叶盆电极2)产生较大的单向作用力，保证叶背电极1和叶盆电极2不会 发生弹性变形，解决了弱刚性的叶背电极1和叶盆电极2在电解液压力下发生变形导致叶片 加工精度难以保证的问题。 [0055] 进一步地，电解液为NaNO3电解液。NaNO3电解液是一种加工效率高、成本较低的一种非线性电解液。切断间隙较小，可以实现较小间隙的去除。经试验，优选10％‑20％的 NaNO3电解液。 [0056] 进一步地，电解液的液压范围为0.2MPa‑0.8MPa。电解液压力过高会引起局部冲刷过大，造成加工壁厚的不均匀。过低则不满足建立电解加工的冲刷条件。经试验，确定电解 液压范围控制在0.2MPa‑0.8MPa。 [0057] 进一步地，电解液的温度范围为25℃‑40℃。电解液温度需在加工过程中保持稳定，利于批量加工时加工状态的一致。根据试验，确定电解液温度范围25℃‑40℃。 [0058] 进一步地，加工装置100与毛坯件200之间的加工间隙应适当加大，以弱化集中蚀除效应，使得去除趋向均匀。但必须控制在阳极溶解切断间隙之内，经试验确定加工初始间 隙为0.1mm‑0.3mm。 [0060] 进一步地，电源为脉冲电源，其脉宽t＝0.1ms‑0.3ms，脉冲占空比为5％‑60％。 [0061] 进一步地，驱动组件5驱动叶背电极1和叶盆电极2的进给速度为0.05mm/min‑0.5mm/min。 |
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