闭式叶栅结构电解精加工装置及加工方法 |
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| 申请号 | CN202311713395.5 | 申请日 | 2023-12-13 | 公开(公告)号 | CN117620334A | 公开(公告)日 | 2024-03-01 |
| 申请人 | 中国航空制造技术研究院; | 发明人 | 黄明涛; 张明岐; 傅军英; 刘萌; 王系众; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种闭式叶栅结构 电解 精加工装置及加工方法，精加工装置包括加工 电极 、电解液预混装置以及压 力 调控装置；加工电极设于第一 叶片 的周侧，且加工电极与第一叶片的周侧之间间隔形成有加工区域；电解液预混装置用于对电解液进行均化处理，并将电解液输送至闭式叶栅结构形成全域式整体流场；压力调控装置用于维持全域式整体流场中的电解液压力的恒定。本发明消除了电解液沿流程自叶片两个叶根部位的发散现象，使得电解液流场变成一个均匀、稳定的全域式整体流场，保证了加工电极处于平衡受力状态，解决了闭式叶栅结构叶片的两个叶根处产生流纹和叶片加工 精度 保证困难的难题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种闭式叶栅结构电解精加工装置，用于对置于电解液中的闭式叶栅结构进行电解精加工，所述闭式叶栅结构具有多个叶片，第一叶片与第二叶片之间形成有第一叶栅通道，第一叶片与第三叶片之间形成有第二叶栅通道，其特征在于，所述精加工装置包括： |
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| 说明书全文 | 闭式叶栅结构电解精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。具有加工效率高、工具电极不消耗、加工无应力、表面完整性好等特点，适用于各种难切削金属材料(钛合金、高温耐热合金等)的加工，特别适合高效去除大量材料的零部件批生 产加工及各种三维复杂形状的加工。 [0004] 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作，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。 [0005] 电解加工可以对整体叶盘、闭式整流器的叶型进行高效率、高精度加工。目前采用双面(叶盆、叶背)加工电极相向同步运动的方式，可以同时加工一个叶型的叶盆、叶背型 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。但由于闭式叶 栅结构狭小，最小叶栅中的两个相邻叶片之间的距离仅有8mm左右，同时考虑到电解精加工 时叶片留有约1.5‑2mm余量，则精加工前的叶栅间距只有大约4mm，兼顾考虑加工电极进入 闭式叶栅时需沿叶片的扭转角度进行多轴联动，最终加工电极的厚度约1.5‑2mm，如此薄的 加工电极在刚性较弱(具有一定悬伸长度)和其与待加工叶片之间高速流动的电解液作用 下，势必会产生变形，导致加工的叶片型面精度无法保证。 [0006] 目前，整体整流器的闭式叶栅结构100(如图1所示)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，即采用双面(叶盆、叶背)加工电极相向同步运动的方 式，进行其叶盆、叶背型面的精密成形。 [0007] 电解加工叶片型面时，流场布局一般有径向(叶尖向叶根)流动和侧向(进/排气边向排/进气边)流动两种。对于叶型较长或者处于闭式叶栅结构的叶片，只能采用侧向流动 方式进行流场设计。 [0008] 受闭式叶栅结构空间所限，电解加工电极只能设计成较薄的结构，刚性较差，电解加工过程中在其与待加工叶片之间高速流动的电解液作用下产生变形，电极尖部尤其靠近 电解液出口处变形量大，导致叶片型面精度无法保证。由于闭式叶栅结构叶型随着电解加 工过程的进行，其形状逐渐变化，导致电解加工流场也随之不断变化，因此难以准确预测电 解液对电极作用力的变化规律。为了保证叶型加工精度，目前主要采用“试验‑检测叶型尺 寸‑修整电极‑试验‑......”迭代的方法进行电极加工型面位置和尺寸定型。研制周期较 长，试验过程需进行大量重复，再叠加每次修整电极时数控加工带来的误差，导致试验数据 反复变化，工艺定型困难。 [0009] 另外，由于采用了侧流式流场，闭式叶栅结构叶片电解加工过程中，电解液除了从叶片前(后)缘流向后(前)缘外，还会有一部分电解液沿整个流程自叶片的两个叶根处(如 图2所示的叶片内根部113处和叶片外根部114处)流出，导致电解液入口和出口附近的电解 液流动速度、均匀性均发生变化，而且会在叶片内根部113处和叶片外根部114处产生流纹， 也使流道中心和边缘处的电解液状态产生很大差异。上述问题致使叶片各区域的材料溶解 效率不同，叶片加工精度保证困难，闭式叶栅结构叶片的两个叶根处产生流纹等。 发明内容[0010] (一)要解决的技术问题 [0011] 本发明要解决的技术问题是在现有的闭式叶栅结构的叶片电解精加工过程中，受不稳定的电解液流场的影响，叶片的加工精度很难保证，叶片的两个叶根处容易产生流纹。 [0012] (二)技术方案 [0013] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： [0014] 第一方面，本发明提供一种闭式叶栅结构电解精加工装置，用于对置于电解液中的闭式叶栅结构进行电解精加工，所述闭式叶栅结构具有多个叶片，第一叶片与第二叶片 之间形成有第一叶栅通道，第一叶片与第三叶片之间形成有第二叶栅通道，所述精加工装 置包括加工电极、电解液预混装置以及压力调控装置；加工电极设于所述第一叶片的周侧， 且所述加工电极与所述第一叶片的周侧之间间隔形成有加工区域；电解液预混装置用于对 电解液进行均化处理，并将电解液输送至所述闭式叶栅结构，以使电解液从所述闭式叶栅 结构的一侧单向流动至所述闭式叶栅结构的另一侧，形成全域式整体流场；压力调控装置 设于所述闭式叶栅结构背离所述电解液预混装置的一侧，用于维持所述全域式整体流场中 的电解液压力的恒定；其中，所述全域式整体流场包括第一流道、第二流道以及第三流道， 电解液从所述电解液预混装置流出，经过所述第一叶栅通道流至所述压力调控装置形成所 述第一流道，电解液从所述电解液预混装置流出，经过所述加工区域流至所述压力调控装 置形成所述第二流道，电解液从所述电解液预混装置流出，经过所述第二叶栅通道流至所 述压力调控装置形成所述第三流道。 [0015] 优选地，所述加工电极包括叶背电极和叶盆电极，所述叶背电极设有用于加工所述第一叶片的叶背型面的第一加工面，所述叶盆电极设有用于加工所述第一叶片的叶盆型 面的第二加工面，所述第一加工面、所述第二加工面与所述第一叶片的周侧间隔预设距离， 形成所述加工区域。 [0016] 优选地，所述叶盆电极置于所述第一叶栅通道内，所述叶背电极置于所述第二叶栅通道内。 [0017] 优选地，所述电解液预混装置具有多层隔板，所述隔板上设有出液口，相邻两隔板上的出液口错位设置。 [0018] 优选地，所述电解液预混装置具有多层隔板，每层隔板上设有多个出液口。 [0019] 优选地，所述压力调控装置包括出液引导管、挡水板以及调节组件；所述出液引导管的长度方向与电解液的流动方向一致，所述出液引导管具有第一端和第二端，电解液经 过所述第一流道、第二流道和第三流道流向所述第一端，并从所述第一端流向所述第二端， 所述第二端上连接有可开合的挡水板，所述挡水板连接有能够调节所述挡水板的开合度阈 值的调节组件。 [0021] 第二方面，本发明还提供一种加工方法，采用上述技术方案中任一种所述的闭式叶栅结构电解精加工装置对闭式叶栅结构进行电解精加工，所述加工方法包括以下步骤： [0022] 步骤一、将加工电极安装布置在所述第一叶片的周侧，并将加工电极与电源的负极连接，将闭式叶栅结构与电源的正极连接； [0023] 步骤二、将电解液通入所述电解液预混装置内，所述电解液预混装置对电解液进行均化处理，并将电解液输送至所述闭式叶栅结构，以使电解液从所述闭式叶栅结构的一 侧单向流动至所述闭式叶栅结构的另一侧，形成全域式整体流场； [0024] 步骤三、调节所述压力调控装置，以使所述全域式整体流场中的电解液压力维持恒定； [0025] 步骤四、电解液在所述第二流道中流动，对所述第一叶片进行电解精加工。 [0027] 优选地，所述电源的电压范围为18V‑24V，脉宽t＝0.1ms‑0.3ms，脉冲占空比为5％‑60％。 [0028] (三)有益效果 [0029] 本发明的上述技术方案至少具有如下优点： [0030] 1、闭式叶栅结构置于电解液中，且第一流道、第二流道以及第三流道构成了全域式整体流场，全域式整体流场内的电解液流动方向保持一致，即从叶片的前(后)缘流向叶 片的后(前)缘，消除了电解液沿流程自叶片两个叶根处的发散现象，解决闭式叶栅结构的 叶片的两个叶根处产生流纹的问题。 [0031] 2、叶盆电极背离第二加工面的一侧与第二叶片之间形成有第一流道；叶背电极背离第一加工面的一侧与第三叶片之间形成有第三流道。由于第一流道与第二流道位于叶盆 电极的两侧，且流经第一流道的电解液的压力与流经第二流道的电解液的压力大致相等， 即叶盆电极的两侧所受的压力基本平衡。同理，由于第三流道与第二流道位于叶背电极的 两侧，且流经第三流道的电解液的压力与流经第二流道的电解液的压力大致相等，即叶背 电极的两侧所受的压力基本平衡。通过采用上述技术方案，避免了电解液对叶背电极和叶 盆电极的产生较大的单侧压力，保证叶背电极和叶盆电极不会发生弹性变形，解决了弱刚 性的叶背电极和叶盆电极在电解液压力下发生变形导致叶片加工精度保证困难的问题。 [0032] 3、本发明在全域式整体流场的上游设有电解液预混区，电解液预混区能够对流入加工区域的电解液流场进行均化处理，以消除进液口的激波引起的涡流与空穴现象，提高 进液段的流动状态稳定性，避免电解液流动状态混乱、加工电极颤动引起的加工表面质量 和精度差的问题。 [0033] 4、本发明在全域式整体流场的下游设置出液引导管，将全域式整体流场中电解液压力衰减率较大的区域延后设置，使压力衰减较大的区域远离加工区域，减小加工区域的 电解液压力梯度变化，避免压力剧烈变化引起的加工电极颤动。 [0035] 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。 [0036] 图1是闭式叶栅结构的结构示意图。 [0037] 图2是闭式叶栅结构的局部放大图。 [0038] 图3是本发明实施例提供的闭式叶栅结构电解精加工装置的结构示意图。 [0039] 图4是图3中A‑A处的剖视图。 [0040] 图5是本发明实施例提供的压力调控装置的结构示意图。 [0041] 图6是电解液流动距离与电解液压力的关系曲线图。 [0042] 图中各附图标记为： [0043] 100、闭式叶栅结构；110、第一叶片；111、叶背型面；112、叶盆型面；113、叶片内根部；114、叶片外根部；120、第二叶片；130、第一叶栅通道；140、第三叶片；150、第二叶栅通道；1、加工电极；2、电解液预混装置；3、压力调控装置；4、加工区域；5、第一流道；6、第二流道；7、第三流道；11、叶背电极；1101、第一加工面；12、叶盆电极；121、第二加工面；21、隔板；211、出液口；22、进液口；31、出液引导管；311、第一端；312、第二端；32、挡水板；33、调节组件。 具体实施方式[0044] 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。 [0045] 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。 [0046] 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。 [0047] 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： [0048] 如图3所示，本发明实施例提供一种闭式叶栅结构电解精加工装置，用于对置于电解液中的闭式叶栅结构100进行电解精加工，闭式叶栅结构100具有多个叶片，第一叶片110 与第二叶片120之间形成有第一叶栅通道130，第一叶片110与第三叶片140之间形成有第二 叶栅通道150，精加工装置包括加工电极1、电解液预混装置2以及压力调控装置3；加工电极 1设于第一叶片110的周侧，且加工电极1与第一叶片110的周侧之间间隔形成有加工区域4； 电解液预混装置2用于对电解液进行均化处理，并将电解液输送至闭式叶栅结构100，以使 电解液从闭式叶栅结构100的一侧单向流动至闭式叶栅结构100的另一侧，形成全域式整体 流场；压力调控装置3设于闭式叶栅结构100背离电解液预混装置2的一侧，用于维持全域式 整体流场中的电解液压力的恒定；其中，全域式整体流场包括第一流道5、第二流道6以及第 三流道7，电解液从电解液预混装置2流出，经过第一叶栅通道130流至压力调控装置3形成 第一流道5，电解液从电解液预混装置2流出，经过加工区域4流至压力调控装置3形成第二 流道6，电解液从电解液预混装置2流出，经过第二叶栅通道150流至压力调控装置3形成第 三流道7。需要说明地是，本发明实施例中的均化处理是指：电解液经过电解液预混装置2 时，可以降低电解液沿第一流道5、第二流道6以及第三流道7流动的流速差，使得流经第一 流道5、第二流道6和第三流道7的电解液的流速基本相同，进而均化在全域式整体流场中电 解液的流速，使得全域式整体流场中电解液的流速趋于稳定。具体地，电解液预混装置2上 设有进液口22，电解液通过进液口22流入至电解液预混装置2内。进一步地，闭式叶栅结构 100置于电解液中，且第一流道5、第二流道6以及第三流道7构成了全域式整体流场，全域式 整体流场内的电解液流动方向保持一致，即从叶片的前(后)缘流向叶片的后(前)缘，消除 了电解液沿流程自叶片两个叶根处(如图2所示的叶片内根部113处和叶片外根部114处)的 发散现象，解决闭式叶栅结构100的叶片的两个叶根处产生流纹的问题。 [0049] 在其中一个实施例中，加工电极1包括叶背电极11和叶盆电极12，叶背电极11设有用于加工第一叶片110的叶背型面111的第一加工面1101，叶盆电极12设有用于加工第一叶 片110的叶盆型面112的第二加工面121，第一加工面1101、第二加工面121与第一叶片110的 周侧间隔预设距离，形成加工区域4。具体地，第一加工面1101的形状与叶背型面111的形状 相匹配，第二加工面121的形状与叶盆型面112的形状相匹配。 [0050] 在其中一个实施例中，叶盆电极12置于第一叶栅通道130内，叶背电极11置于第二叶栅通道150内。电解液从电解液预混装置2流出，经过加工区域4流至压力调控装置3形成 第二流道6，即第一加工面1101、第二加工面121与第一叶片110的周侧之间形成有第二流道 6；电解液从电解液预混装置2流出，经过第一叶栅通道130流至压力调控装置3形成第一流 道5，即叶盆电极12背离第二加工面121的一侧与第二叶片120之间形成有第一流道5；电解 液从电解液预混装置2流出，经过第二叶栅通道150流至压力调控装置3形成第三流道7，即 叶背电极11背离第一加工面1101的一侧与第三叶片140之间形成有第三流道。由于第一流 道5与第二流道6位于叶盆电极12的两侧，且流经第一流道5的电解液的压力与流经第二流 道6的电解液的压力大致相等，即叶盆电极12的两侧所受的压力基本平衡，避免了电解液对 叶盆电极12的产生较大的单侧压力，保证叶盆电极12不会发生弹性变形，解决了弱刚性的 叶盆电极12在电解液压力下发生变形导致叶片加工精度保证困难的问题。同理，由于第三 流道7与第二流道6位于叶背电极11的两侧，且流经第三流道7的电解液的压力与流经第二 流道6的电解液的压力大致相等，即叶背电极11的两侧所受的压力基本平衡，避免了电解液 对叶背电极11的产生较大的单侧压力，保证叶背电极11不会发生弹性变形，解决了弱刚性 的叶背电极11在电解液压力下发生变形导致叶片加工精度保证困难的问题。 [0051] 如图4所示，在其中一个实施例中，电解液预混装置2具有多层隔板21，隔板21上设有出液口211，相邻两隔板21上的出液口211错位设置。 [0052] 在其中一个实施例中，电解液预混装置2具有多层隔板21，每层隔板21上设有多个出液口211。电解液流入闭式叶栅结构100中时，容易产生激波，激波在全域式整体流场中容 易引起涡流与空穴现象。通过电解液预混装置2，能够提高进液段的流动状态稳定性，对流 入加工区域4的电解液流场进行均化处理，避免电解液的流动状态混乱、加工电极1颤动引 起的加工表面质量和精度差的问题。 [0053] 如图5所示，在其中一个实施例中，压力调控装置3包括出液引导管31、挡水板32以及调节组件33；出液引导管31的长度方向与电解液的流动方向一致，出液引导管31具有第 一端311和第二端312，电解液经过第一流道5、第二流道6和第三流道7流向第一端311，并从 第一端311流向第二端312，第二端312上连接有可开合的挡水板32，挡水板32连接有能够调 节挡水板32的开合度阈值的调节组件33。如图6所示，不难看出，随着电解液流动距离的增 加，电解液压力会逐渐下降，在电解液流动的初期阶段具有电解液压力基本稳定的稳定区， 在电解液流动的末期阶段具有电解液压力快速下降的衰减区。如果衰减区位于加工区域4 内，由于电解液压力剧烈变化会引起加工电极1产生颤动，进而影响加工电极1对闭式叶栅 结构100电解加工的精度。本发明实施例设置有出液引导管31，使得电解液能够沿出液引导 管31的长度方向向后再流动一端距离，将全域式整体流场中电解液压力衰减率较大的区域 延后设置，使压力衰减较大的区域远离加工区域4，减小加工区域4的电解液压力梯度变化， 避免压力剧烈变化引起加工电极1产生颤动。 [0054] 在其中一个实施例中，调节组件33为重锤，重锤连接于挡水板32的末端；具体地，重锤的重量优选为0.5kg‑2kg。重锤具有一定的重量，且重锤连接于在挡水板32的末端，挡 水板32的设置位置与电解液的流动方向交叉，电解液流经挡水板32处时，需要克服挡水板 32的重力做功。挡水板32的重力越大，电解液推动挡水板32张开的难度越大(即张合力越 大)，进而实现增加挡水板32靠近出液引导管31一侧的电解液压力。通过调节重锤的重量， 可以调节挡水板32能提供的张合力的阈值，进而实现对电解液压力的调节。在另一个实施 例中，调节组件33为弹簧，弹簧的一端连接于出液引导管31，弹簧的另一端连接于挡水板 32。同理，通过调节弹簧的劲度系数，可以调节挡水板32能提供的张合力的阈值，进而实现 对电解液压力的调节。而且还可以调节电解液的流量和流速。 [0055] 第二方面，本发明还提供一种加工方法，采用上述技术方案中任一种的闭式叶栅结构电解精加工装置对闭式叶栅结构100进行电解精加工，加工方法包括以下步骤： [0056] 步骤一、将加工电极1安装布置在第一叶片110的周侧，并将加工电极1与电源的负极连接，将闭式叶栅结构100与电源的正极连接； [0057] 步骤二、将电解液通入电解液预混装置2内，电解液预混装置2对电解液进行均化处理，并将电解液输送至闭式叶栅结构100，以使电解液从闭式叶栅结构100的一侧单向流 动至闭式叶栅结构100的另一侧，形成全域式整体流场； [0058] 步骤三、调节压力调控装置3，以使全域式整体流场中的电解液压力维持恒定； [0059] 步骤四、电解液在第二流道6中流动，对第一叶片110进行电解精加工。电解加工时，闭式叶栅结构100与加工电极1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。闭式叶栅结构100上的叶片按加工电极1的形状不断溶解，直到叶片的形状 和尺寸达到要求为止。 [0060] 在其中一个实施例中，电解液为NaNO3电解液，电解液的压力范围为0.2MPa‑0.8MPa，电解液的温度范围为25℃‑40℃。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，本实施例中的电解液优 选10％‑20％的NaNO3电解液。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，本实施例中确定电解液压力范围控制 在0.2MPa‑0.8MPa。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，本实施例中的电解液温度范围优选为25℃‑40℃。 [0061] 在其中一个实施例中，电源的电压范围为18V‑24V，脉宽t＝0.1ms‑0.3ms，脉冲占空比为5％‑60％。较高的电压有助于提高加工效率。经试验确定不锈钢、典型高温合金材料的加工电压设定在18V‑24V。 [0062] 在其中一个实施例中，加工电极1与驱动装置连接，驱动装置驱动加工电极1的进给速度优选为0.05mm/min‑0.5mm/min。加工区域4的加工间隙应适当加大，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。 |
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