孫倫業(yè) 徐正揚 朱荻

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016)

電解加工是基于金屬在電解液中電化學溶解的原理達到去除材料的目的的一種特種加工技術．它具有陰極無損耗、加工表面質量好、生產效率高、無殘余應力等諸多優(yōu)點，在航空、航天尤其是整體葉盤制造領域得到了廣泛的應用［1-5］．

葉盤通道加工是整體葉盤電解加工工藝的關鍵，其加工質量的優(yōu)劣決定了后續(xù)葉片精加工的效果．電解液流場設計是葉盤通道電解加工中的重要環(huán)節(jié)，能否為加工間隙提供充足、均勻的電解液不僅關系到加工精度的高低、表面加工質量的好壞，而且決定了加工過程能否穩(wěn)定進行［6-9］．近年來，相關研究人員對葉盤通道電解加工流場開展了一系列研究．文獻［10］采用出液口為S形流道的三角形截面電極沿葉盤軸向進行通道加工，對電解液流場特點進行了分析;文獻［11］采用底板上開直縫形出液槽的陰極進行展成電解加工，對間隙內的流場進行了三維數(shù)值模擬研究;文獻［12］采用變間距群孔管電極加工葉盤通道，對流場進行了仿真計算和試驗研究．

目前國內所開展的葉盤通道電解加工實踐中，通常采用內噴式陰極，自上而下沿葉盤軸向展成運動加工出葉盤通道．該方法側重于加工通道的葉盆、葉背，無法針對葉盤輪轂進行電解加工，不能滿足葉盤通道的加工要求．此外，采用內噴式陰極加工，電解液流動較為紊亂，難以獲得均勻穩(wěn)定的流場，降低了通道的加工精度及表面質量．

文中采用葉盤通道徑向電解加工方法，以某型整體葉盤為對象進行研究．首先，針對葉盤通道徑向電解加工方法設計了新的可控對稱式電解液流場;然后，建立了流場的有限元模型，進行了仿真分析;最后，通過試驗對流場設計的合理性進行驗證．

1 葉盤通道徑向電解加工方式

為實現(xiàn)葉盆、葉背及輪轂的全方位電解加工，文中采用圖1所示的葉盤通道徑向電解加工方法．加工時，采用側面絕緣的工具陰極，陽極葉盤固定，調整好陰極和葉盤的相對位置，主軸帶動陰極以一定速度沿設計的加工軌跡直線進給，葉盤毛坯在陰極端面的電解作用下不斷溶解蝕除，隨著加工的持續(xù)進行，陰極逐漸深入葉盤通道，直至加工結束，達到所需的尺寸和精度，形成內外寬度一致的通道形狀．

圖1 葉盤通道徑向電解加工Fig．1 Radial electrochemical machining of blisk channels

采用徑向進給加工可以克服傳統(tǒng)軸向加工利用側面間隙加工輪轂的弊端，通過端面間隙成形，有助于提高輪轂的加工精度和表面質量．同時，電極沿徑向恒速進給，可獲得恒定的平衡間隙，有利于改善加工的穩(wěn)定性．電解加工中，陰極和陽極之間相對運動，各種因素相互交織作用，間隙內的流場情況變化復雜，電解液流場不佳將直接影響通道加工的質量及穩(wěn)定性，因此設計與徑向加工方式相匹配的電解液流場顯得十分必要．

2 電解液流動方式

在電解加工實踐中，電解液的流動方式主要包括正流、反流及側流3種，如圖2所示．

正流、反流均屬于陰極內部通液方式．正流方式因實施簡單而應用廣泛，但其流道在通液口處急劇擴張，壓力和流速易產生波動，加工穩(wěn)定性較差;反流方式的電解液在加工間隙中為收斂流，流場狀態(tài)相對穩(wěn)定，但需要對工裝夾具與儲液槽之間進行處理形成密封腔體，對于整體葉盤這類尺寸較大的零件，實施整體密封難度極大，故使其應用受到限制．此外，正流與反流方式會在對應通液口的加工面上產生殘留凸起，這與輪轂的精度要求相悖，不符合通道徑向電解加工的要求．

圖2 電解液流動方式Fig．2 Electrolyte flow mode

側流方式加工時，流道截面積沿電解液流動方向不變，液流在變化平緩的流道內流動，速度及壓力波動較小，流場均勻、穩(wěn)定，因此，文中采用側流方式設計電解液流場．結合葉盤通道徑向電解加工的特點，可供選擇的側流方式有兩種，如圖3所示．第一種是電解液由進氣邊流入，從排氣邊流出的軸向側流方式，采用該流動方式時，電解液撞擊在陰極表面而分為若干股液流，流場較為紊亂;同時，進入端面間隙的流量無法控制，流場分布可控性較差．第二種是電解液先從葉尖向葉根流動進入端面間隙，再由葉根向葉尖流出的徑向側流方式，該流動方式結構呈類似字母V的對稱分布，可以平衡陰極兩側壓力，減弱液流沖擊的振動，保證陰極平穩(wěn)進給;同時，電解液流動有序，進入端面加工間隙的流量可以控制，故稱之為可控對稱側流方式．

基于上述分析，文中采用可控對稱電解液流動方式設計徑向電解加工流場，如圖4所示．

圖3 電解液側流方式Fig．3 Electrolyte side flow mode

圖4 可控對稱式電解液流場Fig．4 Controllable symmetric electrolyte flow field

加工過程中，陰極與通道側壁之間產生較小的側面間隙，并隨陰極進給而逐漸形成一定長度的流道，起到導流作用，當電解液流入端面間隙，形成均勻穩(wěn)定的液流，有利于提高輪轂的加工精度．隨著陰極持續(xù)進給，整個流場型腔逐漸變小，進入流場的電解液流量保持不變，在陰極的“擠壓”作用下，電解液輸送壓力增大，補償了沿程壓力損失，有助于提高加工過程的穩(wěn)定性．

3 電解液流速及壓力設計

電解液流速是確保加工穩(wěn)定進行的主要流場參數(shù)，設計時必須根據(jù)控制溫升及保證流場處于紊流狀態(tài)的原則來確定［13-15］．電解加工中產生大量的熱量，電解液沿流程方向被逐漸加熱，過快的溫升易產生沸騰、空穴等現(xiàn)象，影響加工的穩(wěn)定性，同時也會引起電導率變化，降低加工的精度，故需增大流速以及時帶走電解熱．對應溫升的流速應滿足:

式中:i為電流密度，A/mm2;L為流程長度，mm;ΔT為溫升，K;ρl為電解液密度，g/cm3;κ0為電導率，1/(Ω·mm);cl為電解液比熱容，J/(kg·K)．

選擇較高的流速，確保電解液流動處于紊流狀態(tài)，可以更好地帶走加工產物，消除濃差極化，保持流場的均勻穩(wěn)定．根據(jù)雷諾系數(shù)可以確定紊流狀態(tài)所對應的電解液流速為

式中，為電解液運動黏度，Dh為水力直徑．

綜上考慮，可以確定電解液的流速為

足夠高的電解液壓力提供液流在加工間隙內流動所需的能量，其值可以看成是流體的動壓pu，粘性摩擦力pv以及出口背壓pe之和，根據(jù)流體的伯努利方程可得到電解液的壓力表達式:

式中:p0為間隙進口壓力，為摩擦系數(shù)．

4 流場建模及分析

4．1 數(shù)學模型

為研究電解液流動情況，建立了流場模型，進行了數(shù)值仿真分析．根據(jù)流體動力學原理，選用連續(xù)性方程和Navier-Stockes方程作為控制方程，為較好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，采用RNG κ-ε湍流模型建立封閉的控制方程組:

1)連續(xù)方程

2)動量方程

3)湍流動能方程

湍流動能耗散率方程:

式中:k是湍動能;ε是湍動耗散率;ρ為電解液密度;ui為時均速度;μeff為有效黏度，μeff= μ + μt，其中 μt是湍動黏度為單位質量力;Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產生項1．42;C2ε=1．68．

4．2 流場仿真及分析

所建立的葉盤通道徑向電解加工流場的三維有限元模型如圖5所示．利用Fluent軟件對流體模型進行數(shù)值計算，考察P1、P2面上的流速矢量分布情況，結果如圖6所示．

圖5 電解液流體有限元模型Fig．5 Finite element model of electrolyte fluid

圖6 不同平面上的流速矢量分布圖Fig．6 Distribution map of velocity vectors in different planes

由圖6(a)可見，電解液由進液口流入后，由于流場型腔突然擴張，液流在慣性作用下開始擴散，流場較為雜亂．當電解液進入導流段后，由于流道急劇收斂，電解液流速明顯加快，速度在29～34mm/s之間，流動均勻、有序，沒有出現(xiàn)互相干擾、流場紊亂等不良現(xiàn)象．

由圖6(b)可見，液流由導流段進入端面加工間隙時，雖然在轉角處存在流向的變化，導致速度和壓力出現(xiàn)小幅波動，但流速仍保持在20～29 mm/s之間，電解液流動均勻、有序．

5 試驗結果及分析

為了驗證電解液流場設計的合理性及數(shù)值模擬的正確性，利用自行研制的電解加工機床，開展了葉盤通道徑向加工試驗，并與軸向加工的陰極內噴出液方式進行對比．試驗對象為葉盤扇段毛坯，材料為鎳基高溫合金;工具陰極采用側面絕緣的成形電極，材料為不銹鋼;加工電壓20V，電解液為15%(質量分數(shù))的NaNO3溶液;進口壓力0．8MPa，出口背壓 0．2MPa，溫度為30℃．圖7為葉盤通道電解加工裝置．

圖7 葉盤通道電解加工裝置Fig．7 Electrochemical machining device of blisk channels

利用LEICA DVM5000視頻顯微鏡觀察加工后的輪轂形貌，如圖8所示．

圖8 不同電解液流動方式加工的葉盤輪轂形貌Fig．8 Type appearance of blisk wheel hub processing in different electrolyte flow modes

由圖8可見，采用陰極內噴出液流動方式加工時，由于流場紊亂，輪轂表面雜散腐蝕嚴重，有明顯流痕，加工質量較差;而采用可控對稱電解液流動方式加工的輪轂表面光潔，沒有點蝕剝落、表面流痕等缺陷，加工質量明顯提高．

使用Perthometer S3P表面粗糙度儀檢測葉盤輪轂的表面粗糙度，如圖9所示．其中，水平標尺表示采樣長度，垂直標尺表示量程高度．可以看出，采用陰極內噴出液方式時，輪轂表面粗糙度Ra=2．450 μm;采用可控對稱電解液流動方式時，輪轂表面粗糙度Ra=0．154μm，這表明設計的流場能夠有效提高輪轂表面加工質量．

圖9 不同電解液流動方式加工的葉盤輪轂表面粗糙度Fig．9 Surface roughness of blisk wheel hub processing in diffe-rent electrolyte flow modes

將多次通道加工的葉盆、葉背及輪轂型面各采樣點之間的加工誤差繪于圖10中，可以看出，輪轂的重復誤差在0．07mm以內，葉盆、葉背的重復誤差在0．17mm以內，加工的一致性較好，這表明電解液流動均勻、穩(wěn)定，對加工精度的影響較小．

圖10 通道加工重復精度Fig．10 Repeat accuracy of the channel processing

6 結語

流場設計是整體葉盤電解加工的重要環(huán)節(jié)，合理的電解液流場是提高加工穩(wěn)定性與加工質量的必要前提．文中針對葉盤通道徑向電解加工方法，設計了可控對稱式電解液流場，并應用有限元方法，對加工間隙內的電解液流場進行了數(shù)值模擬研究，得到了流場的速度矢量分布情況．并在建模及仿真的基礎上，開展了工藝試驗，結果表明，采用可控對稱電解液流動方式加工的葉盤輪轂加工表面光潔，沒有出現(xiàn)點蝕、流痕等加工缺陷，加工質量明顯提高，同時加工出的通道一致性較好．這一結果驗證了流場設計的合理性．

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