潘志福，傅軍英，張明岐

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

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窄槽結構電液束加工特性分析及參數匹配

潘志福，傅軍英，張明岐

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

介紹了采用電液束工藝加工窄槽結構的原理和方法。結合電液束加工機理，闡述了窄槽加工技術特性和工藝難點，分析了參數控制過程及機理，探尋了參數匹配值與窄槽尺寸精度控制之間的影響規(guī)律，實現了窄槽入、出口尺寸的精確控制，獲得了入、出口尺寸精度和深寬比較高的窄槽結構，為后續(xù)渦輪葉片尾緣窄槽類結構的電液束加工奠定了技術基礎。

渦輪葉片；窄槽；電液束加工；形狀控制；參數匹配

高壓渦輪葉片作為發(fā)動機熱端的核心部件，對發(fā)動機性能影響很大，其中葉片承溫能力是影響渦輪前燃氣溫度指標的重要技術點[1-2，5]。提高葉片承溫能力除了可通過提高材料自身的工作溫度之外，也可通過增強葉片冷卻效果來實現[3-5]。在冷卻技術方面，已由最早采用的對流冷卻發(fā)展到現在的氣膜冷卻，即通過許多小孔或窄槽[3]，使冷卻氣流從葉片的內腔流到外表面，從而在葉片表面形成一道溫度較低的隔熱氣膜。氣膜冷卻技術能大幅提高冷卻效率，但采用氣膜冷卻結構的空心渦輪葉片不僅內腔形狀復雜，而且小孔、窄槽結構繁多，使其在制造過程中遇到了諸多困難，如：小孔加工的品質與形貌、高深寬比窄槽加工的截面尺寸等方面，至今沒有良好且通用的解決辦法。

近年來，電液束加工技術在氣膜冷卻小孔的制造中得到了深入應用[6-7]，很好地解決了直徑在0.2~ 0.8 mm范圍內的高品質小孔加工的難題，但國內尚未開展電液束加工葉片窄槽的相關工作。本文基于電液束加工原理，通過“橫行縱進”的進給模式，實現了窄槽的高品質加工，并結合窄槽的結構特點，深入分析了電液束加工窄槽的工藝特性和參數匹配問題，為高精度深窄槽加工奠定了技術基礎。

1 電液束加工窄槽的工藝特性分析

高壓渦輪葉片中，典型窄槽結構位于葉片尾緣處，俗稱為“劈縫”（圖1）。窄槽往往為“跑道型”結構，其寬度為0.4~1 mm，長度為2~6 mm，最大深度可超過8 mm，最大深寬比可達20∶1。設計時，對窄槽的制造精度要求較高，窄槽入、出口的尺寸精度要求控制在0.04 mm以內。

電液束加工窄槽的原理見圖2。加工由起點a開始，此時電極和工件之間設定一個初始間隙Δ0，在加工過程中，電極與工件不接觸。電極以合適的速度vd沿著窄槽長度方向進行水平移動，而在窄槽深度方向無進給；當電極到達預設窄槽長度的另一端b后，再沿著窄槽深度方向步進Δ；然后，控制電極沿著窄槽長度方向水平移動至起點a，由此完成第一個加工循環(huán)。電極回到起點a后，再沿著窄槽深度方向步進Δ，開始新的加工循環(huán)；如此往復，直到加工達到窄槽設計要求的深度為止。加工模式見圖3。

在電液束加工小孔時，僅需考慮電極沿小孔深度方向的送進；而加工窄槽時，除了窄槽深度方向送進外，還需同時實現長度方向的去除，其加工過程中的流場狀態(tài)、去除模式與小孔加工完全不同。此外，電極的雙向運動帶來了一系列的技術難點，其中最主要的便是窄槽入、出口尺寸的精確控制。

由于電極進給采用的是往復疊加步進的方式，故電極水平方向與窄槽深度方向的進給參數（主要包括水平方向的移動速度vd和深度方向的單次進給量Δ）的匹配極為關鍵，它直接影響窄槽入、出口尺寸的控制精度。在加工過程中，若參數匹配不當，如：vd過大、Δ過小時，易形成錐形側壁（即窄槽入口尺寸大于出口尺寸）；相反，vd過小、Δ過大時，加工過程可能中斷。

2 電液束加工過程參數匹配理論分析

2.1 加工過程中的去除溶解規(guī)律

為了進一步探究vd和Δ之間的關系，先從電化學加工機理入手，深入分析加工過程中的材料溶解規(guī)律。

工件在被加工表面法線方向的去除速度，以面積為π的平面加工為例，由式（1）可得到垂直平面方向的陽極金屬工件的溶解速度為：

考慮到實際電化學加工時的電流效率，則有:

式中：va為工件被加工表面法線方向的溶解速度，mm/min；η為電流效率，一般認為是常數；ω為體積電化學當量，mm3/(A·min)；i為電流密度，A/mm2；V為溶解量體積；It為溶解作用的電量。

影響電解加工間隙的因素非常復雜。首先以最簡單的情況分析加工間隙的過渡過程，如圖4所示，將電極和工件均簡化為平板，同時基于如下假設進行分析研究[8]：① 電極與工件的電導率比電解液的電導率大得多，可認為電極與工件的各自表面為等電位面；②電解液的電導率在加工間隙內是均勻的，且不隨時間而變化；③與加工間隙相比，加工面積足夠大，故可忽略邊界效應。

2.2 加工過程中的間隙變化

假設初始間隙中的電解液流速為ū，電極與工件之間的外加電壓為U，電極以速度vc恒速進給，此時工件表面的溶解速度為va，電解液的電導率為κ，則：

圖4 電解加工示意圖

在整個電解加工過程中，電極表面形狀、尺寸都不改變。同時，電極沿y方向進給，x方向為電解液流動方向，工件被加工表面相對電極的間隙為Δ，初始間隙為Δ0；經時間t后，加工深度為h，此時間隙Δ可表示為：

將式（4）進行微分，并注意到Δ0、vc（電極在被加工表面法向上的進給速度）為常數，則可得到：在dt時間內，陰極溶解深度dh與加工間隙的變化量dΔ之間的關系為：

令C=ηωκU，且知C為常數，可得：

如前所述，電液束加工窄槽與電解加工過程的陽極溶解特性類似，溶解規(guī)律符合材料溶解機理特性。但是，窄槽加工又與傳統(tǒng)電解加工過程在電極運行方式上有很大區(qū)別。在窄槽加工的每一個步進循環(huán)中，電極在被加工表面法向的進給速度vc為0，電極水平移動速度為vd。如圖2所示，電極在工件上執(zhí)行步進式往復拉槽動作程序。在一個移動循環(huán)內，電極以速度vd在工件上作平移，同時工件的單次去除量為Δ（平衡狀態(tài)下，工件的單次去除量與電極的單次進給量相等），因此，在電極移動距離S（窄槽長度）內，可細分為無數段網格，且有：

即：

將式（9）代入上述間隙變化過渡過程的基本微分方程（vc=0時），可得：

由此可得：

由式（12）可知，電極水平移動速度vd與單次去除量（決定電極的單次進給量）Δ之間呈二次反比關系。如果vd較大，則在一個循環(huán)內，工件去除量必然較小，電極的單次進給量也必然較??；反之，vd較小，則單次去除量較大，電極的單次進給量也較大。

3 加工實驗

基于上述理論分析，開展了窄槽加工實驗，尋找出vd與Δ之間的最佳匹配關系，進而得到C值。

以加工長2 mm、寬0.6 mm、深14.7 mm的窄槽為例，取初始間隙為0.2 mm，電極水平移動速度為4 mm/min，電極沿窄槽深度方向的單次進給量為0.18 mm，循環(huán)加工至電極進給深度達到14.7 mm。加工后的窄槽結構見圖5，測量其入、出口寬度分別為0.62、0.59 mm，尺寸偏差為0.03 mm，窄槽的深寬比為14.7/0.605=24.2。該組參數很好地實現了窄槽入、出口尺寸的控制精度指標，是較理想的實驗參數。將其代入上述公式，求得C=0.0324 mm2/min。

圖5 電液束加工的窄槽結構

通過實際加工結果驗證得到電極水平移動速度vd與窄槽深度方向的電極單次進給量Δ之間的關系方程式為（窄槽長度取2 mm）：

由此可得到vd與Δ的最佳參數匹配圖（圖6）。

圖6 參數匹配關系圖

4 結論與展望

高深寬比窄槽的電液束加工是一項新的加工技術，目前雖已在部分領域開始應用，但需解決的技術問題仍較多。本文針對電液束加工窄槽工藝特性分析和參數匹配進行了探索，為加工過程中的基礎參數選取與優(yōu)化提供了方向。研究結論如下：

（1）采用電液束往復疊加步進式加工工藝可實現窄槽類結構的加工，窄槽的深寬比可達20∶1，適合加工寬度較窄（小于0.8 mm）的高深寬比窄槽。

（2）在多個加工參數中，以電極水平移動速度和單次進給量對加工過程及結果的影響最大。實驗證明，為實現較理想的尺寸精度，二者之間成二次反比的匹配關系。

電液束加工方法能有效解決渦輪葉片尾緣窄槽結構加工的技術難題，可大幅提高渦輪葉片制造合格率，從而降低加工成本，提升葉片類零件的質量，對新型航空發(fā)動機的研制具有很大的促進作用。該工藝目前主要針對航空發(fā)動機渦輪葉片上的深細窄槽，未來可擴展應用到航天、船舶、兵器等軍用及民用零部件的窄槽類（“跑道型”、曲線槽等）結構中，進而取得良好的經濟效益和社會效益。

[1] 何國，李建國，毛協民，等.渦輪葉片材料及制造工藝的研究進展[J].材料導報，1994（1）：12-13.

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[3] 戴萍，林楓.燃氣輪機葉片氣膜冷卻研究進展[J].熱能動力工程，2009，24（1）：1-6.

[4] 張效偉，朱惠人.大型燃氣渦輪葉片冷卻技術[J].熱能動力工程，2008，23（1）：1-5.

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[6] 施文軒，張明岐，殷旻.電液束加工工藝的研究及其發(fā)展[J]．航空制造技術，2001（6）：25-27.

[7] 傅軍英，張明岐.深細孔與超深小孔電化學加工技術應用分析 [C]//第14屆全國特種加工學術會議論文集.蘇州，2011：384-387.

[8] 劉志東.特種加工[M].北京：北京大學出版社，2012.

Characteristic Analysis and Parameter Matching of Narrow Groove Structure in Electro-stream Machining

PAN Zhifu，FU Junying，ZHANG Mingqi
（Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

The principle and method of machining narrow groove structures by means of electrostream machining are introduced.Based on the mechanism of electro-stream machining，this paper focuses on the technical characteristics and difficulties of narrow groove machining.And the mechanism of parameter control process is analyzed in detail.The relationship between the parameter matching and the precision controlling of the narrow groove size is explored.The precise controlling of outlet size of narrow groove is realized.The narrow groove structure with high precision and depth-to-width ratio is obtained.It lays a technical foundation for the subsequent machining of the narrow groove structure of turbine blade.

turbine blade；narrow groove；electro-stream machining；shape controlling；parameter matching

TG662

A

1009－279X（2017）03－0057-04

2017-04-04

潘志福，男，1986年生，工程師。