宗亞偉，劉 嘉，朱 荻

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

整體葉盤是新型航空發(fā)動機的核心部件，它由原來的榫頭和榫槽通過鎖片連接的形式升級為葉片和輪盤一體的形式， 使發(fā)動機零件數(shù)量大幅減少，重量明顯減輕，性能和可靠性顯著提升[1]。 然而，整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道內(nèi)狹窄扭曲，材料多采用高溫合金、鈦合金等難切削材料，給機械加工帶來了較大難度[2-3]。 電解加工是利用電化學(xué)反應(yīng)陽極溶解原理蝕除材料的特種加工方法， 具有工具無損耗、加工效率高、加工與材料力學(xué)性能無關(guān)等特點，已成為整體葉盤加工的重要方法[4-7]。

整體葉盤的電解加工可分為兩個步驟：葉柵通道粗加工和葉片型面精加工，圖1 是整體葉盤的主要電解加工步驟。

圖1 整體葉盤電解加工步驟

葉柵通道的電解加工方法主要有三種：葉片套形加工、徑向進給葉柵加工、管電極葉柵加工[8-11]。其中，管電極葉柵加工中，若采用多管電極同時加工，可實現(xiàn)整體葉盤多葉柵通道同時成形，且隨著管電極數(shù)量的增加，加工效率將成倍提升，因此與其他葉柵通道粗加工方法相比，多管電極葉柵通道電解加工方法具有顯著的效率優(yōu)勢[12-13]。 然而，在多管電極葉柵通道電解加工中，常會出現(xiàn)各管電極中電解液分流不均的現(xiàn)象，使個別管電極內(nèi)的電解液流量過小，導(dǎo)致電解加工陽極溶解產(chǎn)物、熱量及氣泡等不能及時排出加工間隙而引起短路。 為實現(xiàn)多管電極的穩(wěn)定加工，本文針對整體葉盤多葉柵通道電解加工設(shè)計了多葉柵通道電解液流量控制方案，并進行了試驗驗證。

1 電解液流量對多葉柵加工的影響

圖2 是采用管狀工具電極的多葉柵通道電解加工示意， 工件毛坯作為陽極與電源正極相連，陣列排布的管狀陰極與電源負極相連，管電極為一端密封的中空管，管壁上開有出液群縫，電解液從一條主管路流入，再分別流入各個管電極，然后從管電極一端進入，從出液群縫噴出到工件表面。 電解加工過程中， 多個陰極同時豎直向下以速度v 進給，同時工件毛坯以速度ω 繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，在電化學(xué)加工原理作用下，管電極周圍的陽極材料被蝕除，從而同時加工出多個葉柵通道；等第一組通道加工完成， 陰極和工件毛坯逆向運動回到初始位置，工件毛坯旋轉(zhuǎn)一定角度，進行下一組的葉柵通道加工，直到所有的通道加工完成。

圖2 多葉柵通道電解加工

電解加工是一種陽極與陰極之間存在間隙的非接觸式加工方式， 電解液從間隙中高速流過，穩(wěn)定的流場和充足的流量可及時帶走加工間隙中的電解產(chǎn)物和熱量， 是保證加工順利進行的前提條件。 對于整體葉盤多葉柵通道電解加工，需要保證每個管電極內(nèi)的電解液流量充足且均勻，如果出現(xiàn)分流不均， 會引起個別管電極內(nèi)電解液流量過低，導(dǎo)致電解產(chǎn)物和熱量不能及時排出，進而出現(xiàn)加工短路。 為此，嘗試在沒有對各葉柵通道流量控制的情況下進行加工試驗，所得結(jié)果見圖3，可見在7 號通道位置加工出現(xiàn)了打火現(xiàn)象，導(dǎo)致加工失敗。

圖3 無流量控制時試驗加工工件

圖4 記錄了試驗過程中各葉柵通道電解液的流量變化趨勢，可見加工開始時各通道電解液流量基本一致，隨著加工的進行，各葉柵通道的電解液流量均開始下降并逐漸出現(xiàn)較大差異。 加工結(jié)束分析，最小流量值出現(xiàn)在7 號通道，總時間為1700 s，流量值降低至0.51 m3/h，這與試驗結(jié)果的工件短路位置一致。

圖4 無流量控制時流量監(jiān)測數(shù)據(jù)

因此，在采用管電極的整體葉盤多葉柵通道電解加工中，有必要設(shè)計一種多葉柵通道電解液流量控制方案， 對每個葉柵通道流量進行實時監(jiān)測，獲取每一路流量的狀態(tài)以進行流量控制，從而保證每個葉柵通道的電解液流量均勻一致，避免因短路導(dǎo)致的加工失敗。

2 多通道電解液流量控制方案

2.1 硬件系統(tǒng)組成

多葉柵通道電解液流量控制系統(tǒng)需要滿足的功能為：流量采集、壓力采集、閥門開合度反饋采集及閥門開合度控制，控制系統(tǒng)的組成見圖5。

圖5 流量控制系統(tǒng)組成

（1）流量采集：實時采集加工過程中每一條通道的電解液流量，選用合適量程的流量計或流量傳感器，把采集到模擬量信號的流量值經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，傳輸給相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡，發(fā)送到上位機； 上位機中存儲有預(yù)先編輯好的程序，程序的作用則是把采集的流量值與認為設(shè)定的標(biāo)準流量值進行比較， 為后續(xù)流量調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。流量采集硬件選擇的合適性、流量采集的準確性與及時性、程序編寫的合理性都將影響流量采集與控制。

（2）壓力采集：與流量采集類似，選用合適量程的壓力計或壓力傳感器，實時采集加工過程中每一條通道的電解液壓力。 電解液壓力的穩(wěn)定性是加工順利進行的保證，壓力的變化往往和流量變化同步發(fā)生，為此，該系統(tǒng)只采集壓力值作為檢測加工穩(wěn)定性的參考，無需再進行調(diào)節(jié)，因此采集到的模擬量信號的壓力值經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，傳輸給相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡，發(fā)送到上位機，接著完成存儲工作。

（3）閥門開合度反饋采集：流量控制最終是依靠串聯(lián)在管路中的電動調(diào)節(jié)閥閥門的開合度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)的，只有能夠?qū)崟r采集到閥門開合度，結(jié)合同時采集到的流量值，才能為下一步閥門開合度的變動提供數(shù)據(jù)依據(jù)；同樣的，選用合適型號的電動調(diào)節(jié)閥把閥門開合度0°～90°的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，傳輸給相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡，發(fā)送到上位機。

（4）閥門開合度控制：在上位機中，把采集到的流量信號和閥門開合度反饋信號輸入流量控制程序中，比較目前流量值和目標(biāo)流量值，獲得下一步閥門開合度數(shù)值，把流量調(diào)節(jié)至目標(biāo)值并維持此水平。

2.2 軟件控制設(shè)計

針對該系統(tǒng)的核心功能， 即流量自動控制，采用經(jīng)典的PID 算法，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PID 算法是指將偏差的比例、 積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，并用這個控制量對被控對象進行控制。 PID 調(diào)節(jié)原理是當(dāng)前值和目標(biāo)值進行比較，獲得差值e，利用PID 系數(shù)計算獲得每次執(zhí)行器輸出值（Ut），即：

對整體葉盤多葉柵通道電解加工流量控制而言， 輸入偏差是指當(dāng)前流量值與目標(biāo)流量值的差值，執(zhí)行機構(gòu)是電動調(diào)節(jié)閥，控制對象則是電解液流量值，各參數(shù)設(shè)定見圖7。 其中，比例調(diào)節(jié)系數(shù)P為3.5，積分調(diào)節(jié)系數(shù)I 為0.006，微分調(diào)節(jié)系數(shù)D 為0.002。整套多葉柵通道電解加工電解液流量控制系統(tǒng)實物見圖8。

圖7 參數(shù)設(shè)定

圖8 整體葉盤多通道電解加工電解液流量控制系統(tǒng)

3 多葉柵通道電解加工試驗

3.1 試驗系統(tǒng)

為了驗證多葉柵通道電解液流量控制系統(tǒng)的作用，開展了整體葉盤扇段多葉柵通道電解加工試驗，試驗系統(tǒng)組成示意見圖9，試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗參數(shù)

圖9 試驗系統(tǒng)

3.2 試驗結(jié)果分析

基于上述試驗系統(tǒng)，對某型號整體葉盤進行了扇段多葉柵通道電解加工，試驗在采用流量控制設(shè)備的情況下開展，試驗結(jié)果見圖10。 整個試驗過程穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象，加工順利完成。

圖10 有流量控制時試驗加工工件

圖11 是試驗過程中的各葉柵通道電解液流量變化，可見本試驗設(shè)計的多葉柵通道電解液流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了加工過程中電解液流量的采集，且從采集結(jié)果來看，整個試驗過程各葉柵通道電解液流量基本穩(wěn)定，僅存在小幅波動，幅值小于±0.02 m3/h?？傮w而言， 各葉柵通道電解液的流量穩(wěn)定一致，實現(xiàn)了多葉柵通道的穩(wěn)定加工。

圖11 有流量控制時流量監(jiān)測數(shù)據(jù)

在加工工件7 個通道的葉背、葉盆上各均勻選取9 個相同的位置，利用三坐標(biāo)測量機測量這些位置的余量，繪制成重復(fù)度誤差圖。 從圖12 可看出，葉背的重復(fù)度誤差為0.115 mm，葉盆的重復(fù)度誤差為0.171 mm，重復(fù)精度較高。

圖12 葉背余量分布

4 結(jié)論

本文分析了電解液流量對多葉柵通道電解加工的影響，并基于此開發(fā)了多葉柵通道電解液流量控制系統(tǒng)，通過整體葉盤扇段多葉柵通道電解加工試驗，得到以下結(jié)論：

（1）完成了整體葉盤扇段7 個葉柵通道同時電解加工，加工時間為56.33 min，單個通道加工時間為8.05 min，加工效率顯著提升。

（2）實現(xiàn)了整體葉盤扇段多葉柵通道穩(wěn)定電解加工，多葉柵通道電解液流量控制系統(tǒng)可為每一路葉柵通道的加工提供穩(wěn)定均勻的電解液，保證了加工穩(wěn)定性。

（3）加工得到的整體葉盤扇段工件葉背重復(fù)度誤差為0.115 mm，葉盆重復(fù)度誤差為0.171 mm，重復(fù)精度較高。