朱順康，劉　嘉，朱　荻

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）

發(fā)動機葉片電解加工等入流角流場設(shè)計與試驗研究

朱順康，劉嘉，朱荻

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）

在大扭角、長葉身型復(fù)雜曲面葉片電解加工中，通常采用傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場加工，電解液在葉尖至葉根的入流角度差異較大，電解液分流不均，易引發(fā)短路等加工意外。提出了一種等入流角流場，即在理論模型上由葉尖至葉根截取若干截面，在截面中以進(jìn)排氣邊緣兩側(cè)切線的角平分線方向為入流方向，將各流道沿各自的入流方向延伸形成等入流角流場。該方法均勻了電解液入流角，有利于提升流場穩(wěn)定性。利用有限元方法對等入流角與縱向側(cè)流式流場進(jìn)行了對比，結(jié)果表明等入流角流場可有效提升流場的均勻穩(wěn)定。進(jìn)行了等入流角流場的加工試驗，結(jié)果表明該流場可獲得較好的加工穩(wěn)定性與加工質(zhì)量。

電解加工；發(fā)動機葉片；流場；有限元仿真

葉片作為航空發(fā)動機制造中的核心零部件，航空發(fā)動機性能的高低，直接受到葉片加工質(zhì)量的影響。隨著發(fā)動機不斷向高性能方向發(fā)展，其葉片的結(jié)構(gòu)也愈漸復(fù)雜。如葉片對加工精度和表面質(zhì)量要求的不斷提高使葉片逐漸向結(jié)構(gòu)特殊、型面扭曲復(fù)雜等方向發(fā)展，所用的材質(zhì)也向高強度、高硬度、高韌性方向發(fā)展。如何精密有效地制造此類零件，已成為制約發(fā)動機研制和生產(chǎn)周期的因素之一［1-2］。

電解加工基于陽極溶解原理加工工件，具有加工效率高、不受金屬材料力學(xué)性能的限制、表面質(zhì)量好、工具無損耗等諸多優(yōu)點［3-4］，因而在航空發(fā)動機葉片的制造中發(fā)揮了非常重要的作用［5］。電解液流場設(shè)計是電解加工中的重要環(huán)節(jié)，能否在流道加工區(qū)域提供充足、均勻的電解液不僅關(guān)系到工件的加工質(zhì)量，而且還決定著電解加工過程的穩(wěn)定性。合理穩(wěn)定的流場成為電解加工能否穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵因素。近年來，相關(guān)研究人員對葉片電解加工流場已開展了一系列研究，例如：W型電解液流場模式［6］、可控對稱式電解液流場［7］、“雙向進(jìn)液”流動式電解加工流場［8］、三維復(fù)合電解液流場模式［9］等諸多葉片電解加工流場的優(yōu)化方法；電解加工中的流場設(shè)計通常是基于陰極型面特征，沿著某矢量方向?qū)α鞯肋M(jìn)行延伸。該流場可較好地加工扭曲量小的葉片，但在加工大扭角、長葉身型復(fù)雜曲面葉片時，采用傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場加工時，電解液在葉尖至葉根的入流角度差異較大，電解液分流不均，易引發(fā)短路等加工意外。為了避免上述流場缺陷，有必要針對電解加工中的流場設(shè)計開展深入研究，綜合分析葉身模型特征，著重優(yōu)化流道突變區(qū)域位置的流場，對流場的不合理區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而有效改善因流場不完善引起的流場不均的狀態(tài)，提升了流場的穩(wěn)定性。

本文以某型發(fā)動機葉片電解加工中的流場設(shè)計為研究對象，針對這類大扭角、長葉身葉片提出了一種等入流角流場設(shè)計方法。為了分析該流場的合理性，采用有限元法對等入流角法與傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場進(jìn)行了仿真對比分析，開展了工藝試驗，驗證了仿真分析的有效性和流場的可行性。

1　縱向側(cè)流式流場模型與仿真

1.1葉片電解加工方法與縱向側(cè)流式流場

目前，國內(nèi)外采用的電解加工方式通常是雙面進(jìn)給方式，主要為雙面逆向進(jìn)給。其基本原理圖見圖1，兩側(cè)陰極和陽極同一水平面放置，兩陰極同軸相向放置。加工中，極間通以一定電壓、直流或脈沖電流，并通過高速流動的電解液，陰極電極以一定的速度相向進(jìn)給，陽極工件不斷溶解，電解產(chǎn)物被電解液帶走。傳統(tǒng)的縱向側(cè)流式流場加工葉片時，電解液會被進(jìn)氣邊分成兩股液流，電解液入流方向與葉背、葉盆進(jìn)氣邊緣切線方向所成的夾角α和β，即為葉背、葉盆入流角（圖2）。由于大扭角、長葉身葉片沿葉身橫向的入流角較大 （圖3），4條截面線生成的葉背入流角α1～α4逐漸增大，最小41.3°，最大48.8°，葉盆入流角β1～β4也逐漸增大，最小36.3°，最大43.2°。可看出葉盆和葉背入流角角度較大，電解液進(jìn)入流道，經(jīng)過毛坯時會產(chǎn)生撞擊，此處流場會非常紊亂，使加工過程不穩(wěn)定；另外，葉盆、葉背入流角間的差異和不斷變化也會引起電解液的分流不均、加工間隙的不均勻，從而加劇了加工過程的不穩(wěn)定性，甚至?xí)鸲搪返燃庸ひ馔?。采用縱向側(cè)流式流場對若干葉片進(jìn)行試驗，加工過程中對葉盆、葉背的加工電流進(jìn)行觀察，兩側(cè)電流呈增長趨勢，有微小波動，且葉盆電流在加工至60 s左右時會出現(xiàn)較大變化，并產(chǎn)生短路等加工意外，加工意外見圖4。

圖1　雙面電解加工

圖2　傳統(tǒng)流場示意圖

圖3　葉片入流角示意圖

圖4　縱向測流式流場實驗加工意外

為了避免上述的流場缺陷，有必要針對電解液流場進(jìn)行深入分析，尋求進(jìn)一步提升電解液流場穩(wěn)定性的方式與方法。故對傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場建立模型，并采用有限元法對該流場進(jìn)行仿真分析。

1.2縱向側(cè)流式流場仿真

電解加工中，陽極材料被去除，電解液流經(jīng)間隙帶走電解產(chǎn)物，陰極析出氫氣。一般可忽略電解產(chǎn)物對電解液的影響，故間隙中流過的介質(zhì)可簡化為氣、液兩相流。為使研究問題得到簡化并不失其本質(zhì)，結(jié)合實際條件對該兩相流問題做必要假設(shè)：氣泡在液相中不可壓縮，分布均勻，故間隙內(nèi)的介質(zhì)可認(rèn)為是二維不可壓縮粘性流體；氣相狀態(tài)變化服從理想氣體狀態(tài)方程；相間無質(zhì)量轉(zhuǎn)換；沿流動方向的每個橫截面上的各相參數(shù)皆相同。

處于平衡狀態(tài)時，參數(shù)只是位置而非時間的函數(shù)。陽極腐蝕速度與陰極送進(jìn)速度相等，加工間隙達(dá)平衡間隙，電解液與電極已處于熱平衡狀態(tài)。

上述大扭曲長葉身葉片的傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場模型見圖5。其中，A、B分別為流場進(jìn)出液口，C、D分別為進(jìn)、排氣邊端導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)。

圖5　傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場結(jié)構(gòu)

基于上述假設(shè)，對傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場建立有限元模型，設(shè)置進(jìn)、出液口邊界條件參數(shù)：進(jìn)、出口壓力分別為0.8、0.05 MPa，其中進(jìn)出液口均為壓力型。為方便計算，選用了k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，其對應(yīng)模型的湍動能k和耗散率ε的輸運方程為：

式中：式（1）為流體動能方程；式（2）為耗散率方程；式（3）為由平均速度梯度引起的湍動能；ρ為密度；t為時間；ui為i向流速；xi為i向位移；xj為j向位移；μ為有效的黏性系數(shù)，其中湍流黏度μt=ρCμκ2/ε。

由實驗確定的模型系數(shù) C1ε、C1ε分別取值為1.44和1.92；經(jīng)驗常數(shù)σk和σε分別取1.0和1.3；uj為j向流速；經(jīng)驗常數(shù)Cμ取0.09。

利用有限元分析軟件對該流場進(jìn)行計算，得到了流場仿真結(jié)果。為方便分析，在流場速度云圖中分別截取了4條等分截面線，即圖3所示4條截面線分別投影到流道壁面上的4條線，量化分析結(jié)果。如圖6所示，橫坐標(biāo)Z為流道模型Z軸方向的坐標(biāo)，該流場在葉盆加工區(qū)域的流速波動較大，截面線1～4流速整體呈下降趨勢；其中線1、線2從進(jìn)氣邊到中間區(qū)域流速逐漸下降，從中間區(qū)域到排氣邊卻急劇上升。

圖6　縱向側(cè)流式流場葉盆速度分布

如圖7所示，線1流速整體下降，且波動較大；線2流速波動變化劇烈，且靠排氣邊區(qū)域最為劇烈；線3和4流速從進(jìn)氣邊開始緩慢下降，于臨近排氣邊位置呈上升趨勢。

圖7　縱向側(cè)流式流場葉背速度分布

從仿真結(jié)果可看出，傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場由于電解液入流角差異較大，電解液存在明顯的分流不均，這會造成加工間隙中的電解液產(chǎn)物和氣泡不能順利排出，導(dǎo)致產(chǎn)物堆積堵塞加工間隙，誘發(fā)短路等加工意外，所以須對上述流場進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

2　等入流角式流場與流場仿真

2.1等入流角式流場設(shè)計方法

由上述傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場模型的仿真結(jié)果可看出，由于大扭角、長葉身的葉片流場異常復(fù)雜，傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場并不能充分滿足流道內(nèi)電解液充足和整體流場穩(wěn)定的要求，所以完善的流場設(shè)計要基于葉身模型結(jié)構(gòu)特征，合理優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)，保證整體流場穩(wěn)定性。因此，提出了一種等入流角流場設(shè)計方法。該方法在理論模型上由葉尖至葉根截取若干截面，在截面中以進(jìn)排氣邊緣兩側(cè)切線的角平分線方向為入流方向，將各流道沿各自的入流方向延伸形成等入流角流場。

以上述大扭曲、長葉身復(fù)雜曲面葉片為例，如圖8所示，在該葉片理論模型上，由葉間至葉根選取多個截面與葉盆、葉背曲面相交生成多條截面線，每個截面上均有兩條相交曲線，在曲線末端沿切線方向進(jìn)行交叉延伸，并取延長線的角平分線，分別將葉尖兩端的角平分線逐一擬合成導(dǎo)流段流道曲面，再與葉盆、葉背加工區(qū)域流道曲面優(yōu)化合并生成最終的等入流角式流場。該方法均勻了電解液入流角，使大扭曲、長葉身葉片的每個截面上電解液入流角都相同，該流場有利于改善電解液分流不均，提升流場穩(wěn)定性。因此，采用等入流角式流場，不僅可消除由葉片型面扭曲變化程度大所引起的部分區(qū)域缺液現(xiàn)象，還可緩解側(cè)流式中毛坯隨機分流帶來的分流不均，大大改善加工區(qū)流場。

圖8　等入流角式流道示意圖

2.2等入流角式流場仿真

基于上述假設(shè)，建立了等入流角式電解液流道模型，等入流角式流場模型見圖9。同樣，A、B分別為流道進(jìn)出液口，C、D分別為進(jìn)、排氣邊端導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)。對等入流角式流場采用有限元法進(jìn)行分析。其中，進(jìn)、出液口邊界條件仍采用傳統(tǒng)側(cè)流式流道模型仿真的參數(shù)，且進(jìn)出液口均為壓力型。

利用有限元分析軟件對模型進(jìn)行計算，仍選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，最終仿真結(jié)果見圖10和圖11。同樣在流場速度云圖中截取4條等分截面線進(jìn)行量化分析，等入流角式流場在葉盆、葉背加工區(qū)域流速上下波動小，截面線之間流速分布的一致性較好，比縱向側(cè)流式流場壓力變化分布更均勻、穩(wěn)定。

圖9　等入流角式流場結(jié)構(gòu)圖

圖10　等入流角式流場葉盆區(qū)域流速分布

圖11　等入流角式流場葉背區(qū)域流速分布

以上仿真分析的結(jié)果表明，等入流角式流場消除了傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場的分流不均、流場紊亂等現(xiàn)象，優(yōu)化了加工區(qū)域流道，提升了電解液流場的穩(wěn)定性和均勻性，能滿足大扭角、長葉身葉片電解加工的要求。

3　試驗與分析

為了進(jìn)一步驗證數(shù)學(xué)模型及計算結(jié)果的可靠性，驗證等入流角式流場的可行性，利用自行研制的七軸四聯(lián)動整體葉盤葉型加工機床（圖12a）及自行開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件，開展等入流角式流場下的葉片電解加工試驗。工件為某航空發(fā)動機葉片鍛造毛坯，材料為高溫合金；陰極工具為自行設(shè)計的不銹鋼成形電極（圖12b），材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti；電解液為20%的硝酸鈉溶液，溫度為30°；加工電源為脈沖直流電源，加工電壓為18 V，占空比為0.5，頻率為1 kHz。進(jìn)入平衡狀態(tài)時的電流密度約為30 A/cm2，加工間隙約為0.3 mm。驗證專用夾具如圖12c所示，其中A、B分別為夾具的2個進(jìn)液口，C為夾具出液口，夾具材料為玻璃鋼，進(jìn)、出口壓力分別為0.8、0.05 MPa。采用等入流角式流場進(jìn)行實驗，其中兩側(cè)陰極的進(jìn)給速度均為0.3 mm/min。同樣，加工過程中對葉盆、葉背的加工電流進(jìn)行采集（圖13）?？煽闯?，加工過程中電流波動變化小，除了開始階段電流會在緩慢上升時出現(xiàn)微小波動，其余整個過程的電流都趨于穩(wěn)定。

圖12　葉片電解加工機床、夾具和陰極

試驗結(jié)果表明，采用等入流角式流場對數(shù)個葉片進(jìn)行加工，加工過程穩(wěn)定，未出現(xiàn)短路等加工意外。加工出的葉片試件見圖14。

用Mistral 070705型三坐標(biāo)測量機檢測等入流角流場試驗加工的葉片型面，在UG中將測得的模型數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)葉片數(shù)據(jù)對比，得出葉型的精度誤差。以葉片中間和兩側(cè)取3道截面線為例，等入流角式流場實驗下的葉型精度誤差見圖15。其中，δ為精度誤差，X為排氣邊到進(jìn)氣邊載面線長度。從圖15可看出，采用等入流角式流場可獲得較好的型面加工精度，尤其是大扭角、長葉身這類葉片流場變化異常復(fù)雜的區(qū)域，流場的設(shè)計對加工精度的影響尤為重要。

圖13　等入流角式流場葉盆、葉背加工電流

圖14　等入流角式流場電解加工試件

圖15　等入流角式流場葉片型面精度

4　結(jié)論

（1）電解液流場對電解加工的穩(wěn)定起著非常重要的作用，它直接影響著電解加工的精度和表面質(zhì)量。在加工大扭曲、長葉身復(fù)雜曲面葉片時，傳統(tǒng)縱向側(cè)流式流場會造成電解液入流角差異過大，導(dǎo)致電解液分流不均，易誘發(fā)短路等加工意外。

（2）為了改善大扭曲、長葉身復(fù)雜曲面葉片電解加工流場，提出了一種等入流角流場設(shè)計方法，該方法在理論模型上由葉尖至葉根截取若干截面，在截面中以進(jìn)排氣邊緣兩側(cè)切線的角平分線方向為入流方向，將各流道沿各自的入流方向延伸形成等入流角式流場。采用有限元法對傳統(tǒng)與提出方法設(shè)計的流場進(jìn)行分析，結(jié)果表明提出方法均勻了電解液入流角，有利于提升流場穩(wěn)定性。

（3）開展了等入流角法設(shè)計流場的電解加工工藝試驗，試驗結(jié)果表明該流場方式可獲得較好的流場穩(wěn)定性，加工樣件獲得了較好的加工質(zhì)量。

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Design and Experimental Investigation on Flow Field with Equivalent Inflow Angles in ECM of Turbine Blades

Zhu Shunkang，Liu Jia，Zhu Di
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China）

In conventional design method，the flow fields are always extended along a certain direction.When electrochemical machining（ECM）of complex curved blades with big twist angles，significant differences of inflow angle will affect the stability of the flow field.It is likely to cause short circuit in ECM.In order to improve the stability of the flow field，a new design method of flow field was proposed to ECM turbine blade.In this method，the directions of flow field extending were designed as angular bisectors of leading edges tangents.All the inflow angles were designed to be equal.The new flow field was analyzed by finite element method.The result showed that new flow field was more stable than conventional flow field during the ECM.In order to prove the rationality of new flow field，the experimental investigations were carried out.The results showed that the ECM machining stability and surface quality of blade were improved by using the new flow field.

electrochemical machining；turbine blade；flow field；finite element simulation

TG662

A

1009－279X（2016）03－0027-06

2016-01-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（51405230）

朱順康，男，1990年生，碩士研究生。