康保印 呂原君 范植堅

(①浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；②西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

閉式整體渦輪廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動機、大型發(fā)電站的汽輪機以及燃氣輪機等設(shè)備。該類零件一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料強度、硬度高，加工性差，幾何精度要求高，是國內(nèi)外制造領(lǐng)域的難題[1]。

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理蝕除材料，從而獲得具有一定尺寸精度和表面粗糙度的零件成型加工方法[2]，廣泛應(yīng)用于材料難加工，結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的零件的加工[3]。電解加工的陰極和工裝夾具一般需要專門設(shè)計，合理的工裝夾具是保證加工正常進行和加工精度的關(guān)鍵。而電解加工夾具除了應(yīng)具備常規(guī)機械加工夾具的定位、夾緊功能外，還應(yīng)解決電解液的密封、供液與導(dǎo)流、導(dǎo)電與絕緣等問題，這些功能不能孤立地設(shè)計，而應(yīng)該通盤考慮、整體設(shè)計[4]。本文針對一種閉式整體渦輪，基于UG軟件，一體化設(shè)計了一套電解加工工裝夾具，滿足夾具的上述各項要求，并通過工藝試驗，加工的工件符合技術(shù)要求，驗證了裝置的可靠性。

1 渦輪結(jié)構(gòu)及加工方案

渦輪坯料如圖1a所示，內(nèi)部為空腔，要在圖示環(huán)形溝部位加工出10個均勻分布的、形狀復(fù)雜的貫通渦道(型面根據(jù)空氣動力學(xué)設(shè)計)，如圖1b。

渦輪工作在高溫、高壓及高轉(zhuǎn)速條件下，材料為S03特種不銹鋼，強度、硬度高，常規(guī)加工不具備刀具的可達性。

采用電解—電火花組合加工方案[5]，電解加工作為粗加工，電火花加工作為精加工，充分利用電解加工效率高(約為電火花加工的5～10倍)和電火花加工精度高的優(yōu)點，并且第一步電解加工已打通的渦道孔，改善了電火花加工時的排屑狀況，減少了二次放電。

采用“拷型法”加工[6]，即將陰極的形狀通過電解加工復(fù)制到工件上，從而獲得渦道型面。由于渦道型腔兩端截面積大中間截面積小，電解加工需要從內(nèi)、外兩個方向接刀打通，為敘述方便，這里將工件外側(cè)渦道簡稱為外渦道，內(nèi)側(cè)渦道簡稱為內(nèi)渦道。

2 工件的裝夾

采用DJK160五軸數(shù)控聯(lián)動電解加工機床，如圖2，陰極安裝在主軸(B軸)上，與電源負極連接，工件安裝在回轉(zhuǎn)臺(C軸)上，與電源正極連接，加工時陰極固定不動，工件向陰極進給，內(nèi)渦道和外渦道分開加工(不能同時進行)。工作臺為天然大理石材料，具有很好的絕緣性能和抗腐蝕性能。

工件裝夾如圖3所示。工件用螺栓壓板壓緊在支撐盤上，工件上的銷釘與支撐盤上的銷孔配合。支撐盤用螺栓連接在心軸上，并用螺栓和T型螺母連接轉(zhuǎn)臺，帶動工件隨轉(zhuǎn)臺一起回轉(zhuǎn)。心軸上端外圓表面與工件內(nèi)壁配合，下端內(nèi)孔與轉(zhuǎn)臺心軸配合。

3 工裝夾具設(shè)計

3.1 密封裝置設(shè)計

電解加工過程中，加工間隙中需不斷通過高壓、高流速的電解液，及時排走電解產(chǎn)物，因此流道必須密封，否則會造成電解液流量和壓力不足，產(chǎn)生流紋，影響加工精度，嚴重時會引起短路，使加工無法正常進行[7]。因此流道密封是必須解決的關(guān)鍵問題之一。

3.1.1 外渦道密封裝置的設(shè)計

渦道位于工件內(nèi)外環(huán)形溝弧面上，很難采用局部密封，本文設(shè)計了上下“合抱”、整體密封的結(jié)構(gòu)[8]，如圖4。上、下密封缸通過6個均勻分布的螺栓連接，使上、下密封圈(O型密封圈)壓緊工件，下密封缸側(cè)面密封圈與上密封缸內(nèi)壁配合，與工件外表面一起，實現(xiàn)整體密封。

為保證陰、陽極(工件)絕緣，密封裝置采用絕緣材料。這里密封缸材料選用的是工業(yè)中廣泛使用的環(huán)氧玻璃鋼(玻璃纖維復(fù)合環(huán)氧樹脂)，具有良好的絕緣性和耐腐蝕性，并且膨脹系數(shù)小，熱變形小，具有足夠的強度和彈性模量，保證密封夾具必要的剛度，承受電解液壓力引起的動負荷。

3.1.2 內(nèi)渦道密封裝置的設(shè)計

內(nèi)渦道也采用整體密封結(jié)構(gòu)，如圖5所示，內(nèi)密封缸缸體，缸體上的密封圈，壓板下的密封墊(詳見圖3)，與工件內(nèi)壁一起，實現(xiàn)整體密封。內(nèi)密封缸上表面用螺栓壓板壓緊。

3.1.3 渦道打通時的密封

當一個渦道打通，再加工下一個渦道時，打通的渦道孔將會漏液，因此需同時裝上內(nèi)、外密封裝置，進行內(nèi)外雙側(cè)密封。

圖6所示為打通時加工外渦道的雙側(cè)密封裝置，內(nèi)密封缸上需安裝密封板。

圖7所示為打通時加工內(nèi)渦道的密封裝置，同樣，外密封缸上需安裝密封板。

3.2 陰極夾具設(shè)計

3.2.1 陰極的設(shè)計

陰極是電解加工的工具，這里采用“反拷法”[9]設(shè)計陰極，即通過渦道型面三維模型和成型規(guī)律(cosθ法)設(shè)計陰極，用制備的工具陰極加工工件。

cosθ法最早由國外著名學(xué)者H.Tipton提出，是最經(jīng)典、最常用的一種陰極設(shè)計方法。現(xiàn)簡要介紹其基本理論：若陰極為平面且與進給方向垂直，達到平衡狀態(tài)時，工件的蝕除速度等于陰極進給速度，兩者達到動態(tài)平衡，此時陰極和工件之間的距離將穩(wěn)定不變，稱為端面平衡間隙。根據(jù)法拉第定律和電解加工平衡條件，端面平衡間隙Δb為:

(1)

式中：Δb為底面(端面)平衡間隙，mm；η為電流效率;ω為體積電化當量，mm3/(A·mm)；κ為電解液電導(dǎo)率，1/(Ω·mm)；U為陰陽極之間的電壓，V；δE為陰、陽極極化電位值總和，或近似為分解電壓，V；Vf為陰極的進給速度，mm/min，據(jù)式(1)可計算出端面平衡間隙Δb。

當加工面為曲面時，法向平衡間隙Δn與端面平衡間隙之間的關(guān)系為：

(2)

式中：Δn為法向平衡間隙，θ為進給方向與法線方向之間的夾角。

在UG軟件中設(shè)計步驟為：在工件型面上取一定密度(如每隔1 mm取1個點)的點，用上面cosθ法得到陰極上的點并提取點的坐標，將坐標導(dǎo)入到MATLAB軟件中，編譯插值程序，插入更多的點，用多項式擬合曲線。以內(nèi)陰極設(shè)計為例，插值擬合程序如下：

>> clear;clc % 清除工作區(qū)間并清除命令行

>> x=A(:,1); % 提取矩陣A的第一列(x坐標)

>> y=A(:,2); % 提取矩陣A的第二列(y坐標)

>> p=polyfit(y,x,3); %x、y關(guān)系用三次多項式表示

>> yi= -118.0140664:0.05:-53.9210; %yi坐標第一個和最后一個之間每隔0.05 mm取點

>> xi=polyval(p,yi); % 求解yi對應(yīng)的xi值

>> plot(xi,yi) % 繪制xi/yi擬合曲線

再將擬合的曲線導(dǎo)入到UG軟件中，得到陰極型面曲線，圖9a、b分別為在MATLAB中擬合的曲線和在導(dǎo)入到UG中生成的內(nèi)陰極型面曲線。

圖10a、b分別為設(shè)計的外陰極和內(nèi)陰極，陰極內(nèi)均有空腔，作為電解液流動的流道，陰極加工面上開有過液窄縫或小孔，非加工面涂有絕緣涂層。

3.2.2 外渦道陰極夾具設(shè)計

設(shè)計外渦道陰極夾具如圖11所示。法蘭連接在機床主軸上，依次連接2號連桿、1號連桿、陰極。電解液采用“反流式”[10]供液(電解液從陰極外部流入陰極內(nèi)部)，即電解液從進液口流入，從陰極上的過液窄縫流進陰極內(nèi)腔，再經(jīng)1號連桿和2號連桿，從法蘭上的出液口流出。流道設(shè)計時，為使流體為收縮流和保證腔體內(nèi)形成一定的背壓和電解液充滿腔體，應(yīng)滿足進液面積≥過液面積(陰極上過液小孔或窄縫)≥出液面積。

3.2.3 內(nèi)渦道陰極夾具設(shè)計

內(nèi)渦道要在工件內(nèi)腔進刀，另一端與機床主軸連接，因此設(shè)計為互相垂直的“Z”字形結(jié)構(gòu)，如圖12所示。內(nèi)渦道采用“正流式”供液(電解液從陰極內(nèi)部流到陰極外部)，即電解液從5號連桿流入，經(jīng)6號、7號連桿(各連桿之間均有密封墊密封)，從陰極內(nèi)部流出，再從出液口流出，出液口裝有流量調(diào)節(jié)閥門(見圖14)。

3.2.4 加工路徑的設(shè)計

加工時，陰極固定，工件沿Y軸進給。加工外渦道時，機床主軸(即B軸，圖2所示)Z方向坐標(距工作臺距離)為213 mm，X方向坐標為123.4 mm。

加工內(nèi)渦道時，主軸Z方向坐標為213 mm，X方向坐標為-5.1 mm，與外渦道接刀時，工件繞C軸順時針轉(zhuǎn)過87.1°，接刀路徑如圖13所示。

4 實驗驗證及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 實驗驗證

工裝夾具實物如圖14所示，夾具密封性能良好，定位準確。

4.2 渦輪加工及測量

渦輪電解加工工藝參數(shù)為：電解液10%NaCl+16%NaNO3+2%NaClO3，采用脈沖電源，脈沖頻率為500 Hz，占空比為90%，加工電壓為18 V，電解液溫度為30℃～32℃。

外渦道加工電解液壓力為0.8 MPa，加工程序為：

O0001 %程序名稱

N10 G01 G91 Y67. F1.1; %Y軸正向進給67 mm，速度為1.1 mm/min

N20 G01 G91 Y-67. F20; %Y軸回退67 mm，速度為20 mm/min

N30 M02 %程序結(jié)束

內(nèi)渦道加工電解液壓力為0.4 MPa，加工程序為：

O0002 %程序名稱

N40 G01 G91 Y14. F0.8; %Y軸正向進給14 mm，速度為0.8 mm/min

N50 G01 G91 Y-14. F20; %Y軸回退14 mm，速度為20 mm/min

N60 M02 %程序結(jié)束

加工后的工件如圖15a，渦道定位準確，形狀和尺寸誤差檢測合格，型面沒有過切，如圖15b。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于實驗和安裝過程，提出了以下幾點結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

(1)上、下密封缸在高壓電解液沖擊作用下，圓周方向位置有時可能會發(fā)生變動。優(yōu)化結(jié)構(gòu)為用定位柱銷定位，柱銷插入定位塊孔中，定位塊用螺栓壓板壓緊在工作臺上，如圖16所示。

(2)拆卸上、下密封缸的連接螺栓后，上、下密封缸仍脫離困難(因側(cè)面密封圈是緊配合)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)為：在上密封缸圓周方向嵌入4個均勻分布的內(nèi)六角螺栓，旋轉(zhuǎn)螺栓，向下頂出下密封缸。

5 結(jié)語

本文針對一種閉式整體渦輪的加工，基于UG三維繪圖軟件，設(shè)計了一套電解加工工裝夾具，解決了裝置密封與流道設(shè)計、定位與夾緊、導(dǎo)電與絕緣等問題，并進行了工藝實驗，成功加工出了符合要求的工件，極大地提高了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期，也為同類型零件的加工提供了參考和借鑒。