王志強(qiáng)，高長(zhǎng)水，劉壯，馬成慶

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，含有三元流結(jié)構(gòu)的整體器件應(yīng)用越發(fā)廣泛。這些構(gòu)件具有工作效率高、使用壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定性好、安全性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料加工難度較大，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其加工方法做了許多研究。有學(xué)者提出用新興的3D打印技術(shù)加工該類(lèi)零件，然而傳統(tǒng)3D打印技術(shù)所加工的零件在表面粗糙度、結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度方面均不理想，所以還未實(shí)際應(yīng)用于該加工領(lǐng)域[1-3]。目前，絕大多數(shù)針對(duì)三元流閉式葉輪的加工方法是采用電火花加工工藝。如果是內(nèi)部結(jié)構(gòu)相較簡(jiǎn)單、且對(duì)直柄刀具加工可達(dá)性較好的零件，也可采用加工中心進(jìn)行加工。但傳統(tǒng)的電火花加工周期較長(zhǎng)、效率較低，且電極有損耗、成本較高，同時(shí)在加工盲孔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生積碳，易造成火災(zāi)。相比于電火花加工，電解加工的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)，其加工效率一般是傳統(tǒng)電火花加工效率的7～8倍；加工時(shí)陰極無(wú)損耗，可反復(fù)使用；加工范圍較廣，只要是導(dǎo)電的金屬材料均可采用電解加工。這些特點(diǎn)正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電火花加工的不足。

本文基于某型號(hào)的三元流閉式葉輪加工，通過(guò)組合加工的實(shí)驗(yàn)，較好地提高了該類(lèi)零件的加工效率。所謂組合電加工，即在前期用電解預(yù)加工的方式加工出一定的預(yù)加工流道或型腔，再用電火花進(jìn)行半精加工和精加工，最終得到合格的產(chǎn)品零件。本文著重介紹電解預(yù)加工過(guò)程，即針對(duì)電火花精加工之前的預(yù)孔加工做較詳細(xì)的介紹。

1 三元流閉式葉輪零件的結(jié)構(gòu)及加工方案

1.1 零件結(jié)構(gòu)

三元流閉式葉輪結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。葉輪結(jié)構(gòu)尺寸較大，其最大直徑為345 mm。從其剖面結(jié)構(gòu)可明顯看出，內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在空間三維內(nèi)扭曲嚴(yán)重，流道之間的壁也很薄，這無(wú)形中也給加工制造增加了難度。

圖1 三元流閉式葉輪零件圖

1.2 加工方案

針對(duì)該三元流閉式葉輪零件，如果直接采用電火花加工，需去除很多材料且加工效率極低。為了提高加工效率，先用電解加工進(jìn)行預(yù)加工，盡量去除較多的材料，也便于后期提升電火花加工效率，該組合電加工方式能很好地實(shí)現(xiàn)電解加工和電火花加工的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也充分地利用了電解加工效率高、電火花加工精度高的優(yōu)點(diǎn)。

電解加工參數(shù)眾多，若選擇不當(dāng)極易造成對(duì)零件最終型面的過(guò)切，致使零件整體報(bào)廢，因此，在正式加工前，需對(duì)陰極形狀和加工參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和修正。由于整個(gè)電解加工過(guò)程發(fā)生在電解液中，最重要的就是要保證加工過(guò)程中的流場(chǎng)穩(wěn)定，因?yàn)榱鲌?chǎng)的突變易造成局部缺液，可能導(dǎo)致短路及損傷陰極。故本文采用簡(jiǎn)單的直線(xiàn)進(jìn)給軌跡，不僅能很好地保證加工過(guò)程的穩(wěn)定，還能最大化地簡(jiǎn)化陰極結(jié)構(gòu)、降低成本。

針對(duì)圖1所示零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩套陰極分別加工進(jìn)、出氣口，以達(dá)到去除材料的目的。在初步確定陰極形狀和進(jìn)給軌跡后，利用計(jì)算機(jī)三維UG軟件可初步確定毛坯的加工效果，可為陰極形狀設(shè)計(jì)和加工進(jìn)給軌跡的最終確定提供參考、反饋，然后根據(jù)反饋信息對(duì)陰極形狀和加工軌跡進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到良好的工藝效果，具體流程見(jiàn)圖2。

此外，本次加工的最小深度為65 mm，即出氣口的加工深度屬于深孔加工范疇。在加工過(guò)程中，由于壓力較大，電解液會(huì)產(chǎn)生較大的水頭變化，若陰極剛度不足，會(huì)使陰極尖端加工圈產(chǎn)生振動(dòng)，過(guò)大的振動(dòng)會(huì)造成陰極與工件短路。因此，在設(shè)計(jì)陰極時(shí)，需著重考慮陰極前段加工部分的剛度，同時(shí)為了保證實(shí)際加工的成功率，在設(shè)計(jì)陰極時(shí)還需進(jìn)行必要的流場(chǎng)仿真。鑒于本次陰極設(shè)計(jì)采取了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在流場(chǎng)、電場(chǎng)仿真方面均做了驗(yàn)證，這里不再熬述[4]。

圖2 電解加工陰極和軌跡確定流程圖

2 陰極形狀和加工軌跡的確定

本次設(shè)計(jì)的陰極采取了傳統(tǒng)的截面形狀，以加工出氣口的陰極進(jìn)行說(shuō)明。由于加工深度較深，故需采用涂層方法對(duì)陰極進(jìn)行處理，否則，在工件的加工區(qū)域會(huì)產(chǎn)生“喇叭形”，對(duì)陰極的具體處理及部分尺寸標(biāo)注見(jiàn)圖3。在陰極頂部自2 mm處至陰極根部采用了厚度為1 mm的環(huán)氧樹(shù)脂涂層進(jìn)行了表面絕緣處理。這樣，在實(shí)際加工過(guò)程中，陰極沿著軸向進(jìn)給，真正起加工作用的只有陰極頂部2 mm的部分，即加工圈的長(zhǎng)度為2 mm。經(jīng)計(jì)算，實(shí)際加工間隙為0.3 mm。

圖3 出氣口陰極設(shè)計(jì)

同時(shí)，由于陰極中間有流道，故對(duì)應(yīng)流道空間的工件體也需進(jìn)行加工。但在設(shè)計(jì)陰極時(shí)，不應(yīng)將陰極流道設(shè)計(jì)得過(guò)大，否則隨著加工過(guò)程的持續(xù)，對(duì)應(yīng)流道區(qū)域的工件體會(huì)產(chǎn)生較大的凸起。目前采用的是寬度為2 mm的矩形、兩端進(jìn)行1 mm倒角的截面形狀設(shè)計(jì)方案。經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的凸起小于1 mm，在可接受的范圍內(nèi)[5-6]。

為了保證加工過(guò)程中的流場(chǎng)穩(wěn)定性，對(duì)加工軌跡采用了簡(jiǎn)單的直線(xiàn)進(jìn)給，因此在確定軌跡時(shí)，只需確定具體的加工起點(diǎn)位置。將設(shè)計(jì)好的陰極在UG軟件中進(jìn)行軌跡的確定，如圖4所示，利用基于UG8.5和VS2010軟件自行編寫(xiě)的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的加工過(guò)程模擬。在該過(guò)程中，利用編程調(diào)用UG自帶的內(nèi)部模塊，按規(guī)定的進(jìn)給數(shù)據(jù)每進(jìn)給一次，則調(diào)用相應(yīng)的計(jì)算模塊，計(jì)算出陰極與目標(biāo)工件之間的最短距離，連帶著將相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到顯示器上，以便判斷加工時(shí)是否對(duì)型面造成過(guò)切，并保留一定的電火花加工余量，最終確定電解加工軌跡。在確定加工軌跡后，再進(jìn)行最終的進(jìn)、出氣口模擬。由圖4放大可見(jiàn)，最終這兩個(gè)電極會(huì)相交。

圖4 電解加工軌跡確定示意圖

3 加工參數(shù)的確定

電解加工工藝的主要問(wèn)題是如何能在均勻的小間隙加工基礎(chǔ)上保證加工過(guò)程的穩(wěn)定，這是獲得較好的表面質(zhì)量、提高加工效率的有效途徑。由于本次加工為深孔加工，陰極進(jìn)入工件內(nèi)部后，隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生熱量堆積，且電解液水頭流失較嚴(yán)重，故在選定相應(yīng)的加工參數(shù)時(shí)，需格外考慮加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

在電解加工過(guò)程中，陰極與工件之間有一定的間隙，在確定加工參數(shù)時(shí)應(yīng)先選定加工間隙參數(shù)，設(shè)初始加工間隙為0.1 mm。為保證深孔加工穩(wěn)定性，設(shè)定陰極進(jìn)給速度為0.6 mm/min。由資料可知，直流電解加工的電流密度范圍為20～100 A/cm2，故選定電流密度為40 A/cm2。同時(shí)，選定加工電壓為15 V，加工壓力為1×105Pa。為了保證加工穩(wěn)定性，在電解液出口處設(shè)計(jì)了背壓腔，以保證加工過(guò)程中的壓力，將背壓腔壓力設(shè)定為1.5×104Pa[7]。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有背壓，故對(duì)夾具的密封性要求較高，夾具設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)中，電解液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液，加工設(shè)備采用自行研制的機(jī)床。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)的最大加工深度為84 mm，界面寬度最寬為12 mm，深徑比為7，屬于深孔加工。由于所用加工設(shè)備無(wú)冷卻系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的熱量與電解產(chǎn)物的排放對(duì)加工穩(wěn)定性均有較大影響。因此，實(shí)驗(yàn)采用了間歇性加工，即在加工一段距離后，斷開(kāi)加工電壓、停止機(jī)床進(jìn)給，同時(shí)保持電解液不間斷供給；持續(xù)約10 min后接通加工電壓，在電壓逐漸上升之后，再將機(jī)床的進(jìn)給速度緩慢調(diào)上去。另外，在設(shè)計(jì)陰極時(shí)，應(yīng)使最終兩個(gè)陰極所經(jīng)過(guò)的陰極加工腔道接觸面盡量重合，相應(yīng)的陰極對(duì)應(yīng)的面也重合，當(dāng)加工至腔道最終打通時(shí)，可最大程度地減小電流的變化。

4.2 加工實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述分析和設(shè)計(jì)方法的正確性，針對(duì)圖1所示的毛坯件進(jìn)行電解預(yù)加工，并以出氣口數(shù)據(jù)作為示例，根據(jù)前文確定的加工參數(shù)及圖5所示的電流與加工深度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。圖5所示橫坐標(biāo)軸的數(shù)值之所以從-1 mm處開(kāi)始，是因?yàn)樵趯?shí)際加工開(kāi)始前，陰極與工件待加工表面的距離為1 mm；隨著陰極開(kāi)始進(jìn)給并逐漸靠近工件，陰極與工件的間距由-1 mm變?yōu)? mm；當(dāng)陰極進(jìn)入工件內(nèi)部時(shí)，則以0～65 mm的數(shù)據(jù)表示加工深度。由圖5可看出，隨著陰極加工圈進(jìn)入工件體內(nèi)，電流變化很大（圖5所示橫坐標(biāo)-1～2 mm數(shù)據(jù)段），其原因在于陰極起初與工件有較大面積的接觸，電解反應(yīng)變化較大，電流值增加較快；當(dāng)陰極加工圈完全進(jìn)入工件體內(nèi)，電流值趨于穩(wěn)定，隨著電解加工的進(jìn)行，電解液溫度升高、電導(dǎo)率增加，因此在之后的加工過(guò)程中，電流值有緩慢增加的趨勢(shì)。

圖5 電流與加工深度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

加工完成后，工件的實(shí)物效果見(jiàn)圖6。加工腔道貫通效果見(jiàn)圖7，該圖是利用手電筒對(duì)進(jìn)氣口進(jìn)行照射，并在出氣口進(jìn)行拍攝而得，其中央亮斑即為照射的光線(xiàn)。

圖8是出氣口的局部加工效果。參考陰極尺寸，測(cè)得出氣口處的陰極與工件的側(cè)邊間隙約為0.35 mm。由于理論與實(shí)際存在一定的誤差，同時(shí)經(jīng)UG二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行仿真，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，出氣口的加工效果完全滿(mǎn)足要求。

圖6 加工后的工件實(shí)物圖

圖7 加工后的工件腔道貫通圖

圖8 出氣口局部加工效果圖

圖9是進(jìn)氣口的局部加工效果。參考陰極尺寸，測(cè)得進(jìn)氣口處的陰極與工件的側(cè)邊間隙約為0.55 mm。由于在實(shí)際加工過(guò)程中，進(jìn)氣口處的陰極做傾斜的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在電解液作用下會(huì)發(fā)生微小的振動(dòng)，這在形式上相當(dāng)于擴(kuò)大了陰極外部形狀，導(dǎo)致進(jìn)氣口處的陰極與工件的側(cè)邊間隙變大。而對(duì)于出氣口來(lái)說(shuō)，由于陰極沿著Y軸做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在陰極垂直軸線(xiàn)的方向上無(wú)力的作用，所以陰極與工件的側(cè)邊間隙較小。因此，設(shè)計(jì)陰極時(shí)，在保證陰極不對(duì)型面產(chǎn)生過(guò)切的情況下，應(yīng)盡量增大剛度參數(shù)，可最大程度地減小實(shí)驗(yàn)誤差。

圖9 進(jìn)氣口局部加工效果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究重心為葉輪組合電加工中的電解預(yù)加工技術(shù)，旨在提高三元流閉式整體葉輪的加工效率。通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)，可很好地提高葉輪的加工效率，但在具體加工過(guò)程中還存在較多的不足，如葉輪加工余量不均勻、雜散腐蝕較嚴(yán)重、加工參數(shù)有待優(yōu)化等。為進(jìn)一步提高電解加工技術(shù)在葉輪加工中的應(yīng)用，還需廣大研究人員進(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)。

[1] 趙建社，汪文峰，呂焱明，等.難加工材料閉式整體構(gòu)件精密電火花加工技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2017（3）：22-27.

[2] 徐家文，趙建社，朱永偉，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[3] 梁為，康小明，趙萬(wàn)生，等.閉式整體葉盤(pán)EBM和EDM組合制造技術(shù)[J].電加工與模具，2015（6）：62-66.

[4] 劉嘉，徐正揚(yáng)，萬(wàn)龍凱，等.整體葉盤(pán)葉型電解加工流場(chǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35（1）：259-267.

[5] 徐慶.整體葉盤(pán)多通道電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[6] 徐正揚(yáng).發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精密電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[7] 陳遠(yuǎn)龍.電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)及電解加工基本工藝規(guī)律研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2000.