一種等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法及工裝夾具與流程
本發明屬于數控電解加工技術領域，具體是一種等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法及工裝夾具。
背景技術：
弧形端面葉輪在航空發動機以及航空機載設備中均有廣泛應用。該類葉輪主要工作在高溫、高壓、高轉速條件下，選用不銹鋼、高溫耐熱合金和鈦合金等難切削材料。葉輪整體結構復雜，葉片較薄，葉片間空間小，精度要求高，使得它的加工制造非常困難，已經成為航空制造中的技術難點。
目前，此類整體葉輪加工方法主要有數控銑削、精密模鍛、電火花加工和電解加工技術。
數控銑削：通過數控高速銑削與刀具軌跡控制功能的結合加工出復雜的輪廓和光潔的表面，并保持較高的材料去除率，是最常見的整體葉輪制造技術。但是由于銑削加工時，葉輪曲面基體與葉片之間小圓角光滑轉接處存在應力集中，在工作中易產生裂紋，而且刀具磨損較為嚴重。
精密模鍛：精密模鍛單個葉片可以相當接近最終形狀，且由于鍛造強化，葉片性能和強度均有所提高。但整體葉輪幾何形狀復雜，生產過程較為復雜、技術難度較大，使得該加工很難成為最終加工工藝。目前，精密模鍛多作為毛坯制作手段。
電火花加工：電極與工件之間不接觸，利用電火花蝕除材料，無傳統的切削應力，適宜加工低剛度工件和特殊復雜形狀的工件。目前，電火花加工技術已達到高精度、低表面粗糙度、無表面裂紋的水平。但由于加工過程中會有電極損耗，需經常更換電極，使得加工成本較高、加工速度緩慢。同時，電火花加工后工件表面會產生再鑄層，還需采用砂帶拋光處理。
電解加工：基于工件陽極在溶液中發生離子蝕除機理，在工藝制定合理的情況下，可獲得較高的加工精度。而且加工過程中工具陰極不產生損耗，加工效率較高，理論上可加工任何導電材料。因為這些獨特的優點和良好的應用前景，電解加工也一直成為國內外研究重點
我國套料式電解加工該類葉片厚度均勻、截面不同的整體葉輪精度可滿足工業要求，加工速度可達每分鐘幾毫米到十多毫米。然而，套料式電解加工需對每個葉片逐個套料加工，加工效率較低；而且，為保證加工時流場均勻，每相鄰葉片之間會留有楔形余量，而去除楔形余量時容易對已加工基體型面造成二次加工。目前，尚未發現既能同時加工多個葉片，又能完成葉輪曲面基體一次成形的電解加工技術。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法及工裝夾具，該工藝方法可以對于端面型葉輪加工可實現葉片和葉片間曲面基體一次成形，并且可以同時加工多個葉片，極大的提高電解加工等厚弧形端面葉輪成形效率。
為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：
一種等厚弧形端面葉輪電解加工方法，包括以下步驟：
1)將葉輪毛坯裝夾；在葉輪毛坯外圍安裝近成形陰極；
2)所述近成形陰極沿葉輪毛坯的軸向快速進給到指定加工位置，完成對整體葉輪的一次性加工成形。
進一步的，所述近成形陰極由陰極塊組成，所述陰極塊數量與待加工葉片數量相同。采用一整塊陰極也可以實現，但是采用與待加工葉片數量相同的陰極塊效果更佳，且更換和維護方便。
進一步的，所述陰極塊包括底端弧形曲面、側邊刃和絕緣側壁；所述陰極塊底端弧形曲面為近成形弧形基體曲面，弧度較大，不同位置處基體曲面的法向量ni與葉輪軸向向量P之間夾角θi約為20°～80°。為保證加工時平衡間隙波動量不大于1.15，以夾角θi＝30°所在弧形曲線為邊界，將陰極底端弧形曲面S1劃分為區域Ⅰ和區域Ⅱ，其中，區域Ⅰ為夾角θi≤30°所在區域，區域Ⅱ為夾角θi>30°區域，θi為不同位置處基體曲面的法向量ni與葉輪軸向向量P之間的夾角；則區域Ⅰ法向平衡間隙Δi1：
區域Ⅱ側面平衡間隙Δi2：
式中，η為電流效率；ω為陽極金屬的體積電化學當量，mm3·(A·min)-1；k為電解液電導率，(Ω·mm)-1；U為工件陽極電位，V；v為陰極進給速，mm/min；θi1為區域Ⅰ內基體曲面的法向量ni與葉輪軸向向量P之間夾角，(°)；h為區域Ⅱ內任意位置與夾角θi＝30°所在弧形曲線為邊界所在平面的軸向距離，mm。
根據實際加工成形結果并結合成形經驗理論，對所述陰極塊底部曲面區域Ⅰ和區域Ⅱ平衡間隙做線性插值修整，取修整后平衡間隙：
Δj＝μΔi (3)；
具體以θi＝30°為邊界，當計算區域Ⅰ內法向間隙時，間隙修正系數：
根據陰極沿軸向進給速度v的不同，γ1在γ1＝0.1～0.05范圍內取值；
當計算區域Ⅱ內側面間隙時，修正系數：
γ1在γ2＝0.1～0.35范圍內取值；
式中，xi1為區域Ⅰ內弧形端面上任意位置與θi＝30°邊界所在平面的軸向距離，H＝max{xi1}；xi2為區域Ⅱ內弧形端面上任意位置與θi＝30°邊界所在平面的軸向距離，h＝max{xi2}。
另一種改進，所述陰極塊的側邊刃寬度b的確定采用層切法，將陰極塊側邊等分成N層，側邊刃寬b：
式中，Δs為側邊加工間隙，mm；x0為陰極沿進給方向最底端處加工間隙，mm；Δb為陰極沿進給方向加工間隙，mm。
一種用于上述技術方案所述的等厚弧形端面葉輪電解加工方法的工裝夾具，包括夾具底座、背壓阻流裝置、陰極罩、定位心軸、均流錐形塊和陰極定位板。所述夾具底座、背壓阻流環和陰極罩圍成空腔區域，所述夾具底座、背壓阻流環和陰極罩均采用有機玻璃或環氧樹脂等絕緣材料制成。所述空腔區域主要用于工件和陰極夾裝固定，將加工環境與外界隔開，提供穩定的工作區域。
所述定位心軸安裝在定位板上，位于所述空腔區域內，所述均流錐形塊安裝在定位心軸頂部；所述陰極定位板安裝在所述陰極罩頂部。所述均流錐形塊所用材料為環氧樹脂或PVC等絕緣材料。電解液從進液通道流入，經均流錐形塊均勻 分散到空腔內各個方向，保證加工時電解液供給均勻、流場穩定。
所述背壓阻流裝置包括阻流環和阻流罩，所述阻流環和阻流罩之間形成S形電解液流出通道。可阻礙電解液順利流出加工區域，充滿型腔，防止加工時出現貧液現象。
本發明的等厚弧形端面葉輪電解加工方法，具有以下特點：
(1)近成形陰極由數量等于葉片的個數的陰極塊組合而成，與葉輪毛坯具有相同的中心軸線，電解加工時近成形陰極只需沿葉輪軸線方向一次性快速進給即可完成多葉片同時成形，葉片具有較好的一致性，同時也極大提高電解加工效率；
(2)結合陰極進給的方式，將葉輪劃分為葉片之間的弧形端面基體和薄壁葉片兩部分。其中，弧形端面基體為仿型電解加工，經陰極塊底面弧形曲面反銬成形；葉片由相鄰陰極塊側邊加工成形，無明顯切削應力；
(3)電解加工時，葉輪毛坯被夾裝在夾具的中心空腔內，電解液經陰極進液口流入，經錐形塊分散后均勻流向各加工區域；電解液流出時由于受到S形阻流通道的阻礙形成收斂流，環形空腔設有兩個對稱分布出液口，與電解液出液法蘭相連，保證加工區域充滿電解液、形成穩定均勻流場，加工過程穩定進行。
本發明的一種等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法及工裝夾具，具有以下有益效果：
(1)加工所用近成形陰極由數量等同于葉片個數的陰極塊組合而成，可實現多個葉片同時加工成形，提高了加工效率，改善整體葉片的一致性；
(2)葉片間曲面基體可實現一次性加工成形，避免二成加工造成的誤差，提高葉輪電解加工的重復精度；
(3)與銑削加工相比，葉片與弧形端面基體實現光滑圓角連接，消除了連接處應力集中，防止工作中裂紋的產生，提高零件疲勞壽命；
(4)所使用工裝夾具為加工提供穩定的圓柱式空腔區域，而且，電解液由流入到流出形成總體收斂式流場，保證電解加工過程穩定進行，提高電解加工的復制精度和重復精度，改善了加工質量。
附圖說明
圖1是本發明的等厚弧形端面葉輪成品模型示意圖；
圖2是本發明的等厚弧形端面葉輪毛坯模型示意圖；
圖3是本發明等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法一個實施例中所使用的陰極塊示意圖；
圖4是本發明等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法一個實施例中葉輪電解加工成形原理圖；
圖5是本發明等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法一個實施例中使用的工裝夾具結構示意圖；
圖6是本發明等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法工作原理圖。
圖中零部件標號名稱為：
1、弧形端面基體，2、薄壁葉片，3、絕緣側壁，4、側邊刃，5、區域Ⅰ，6、夾角θi＝30°所在弧形曲線6，7、區域Ⅱ，8、底端弧形曲面，9、近成形陰極，10、葉輪毛坯，11、夾具底座，12、阻流環，13、阻流罩，14、O型密封圈，15、陰極罩，16、陰極定位板，17、均流錐形塊，18、陰極塊，19、定位心軸，21、定位法蘭，22、預緊螺母。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明提出的一種等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法及工裝夾具進行詳細說明。
如圖1所示，本發明的一種等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法，主要針對等厚弧形端面型葉輪，葉片厚度均勻，沒有錐度和曲率的變化，葉輪的尺寸規格小，葉片較薄，葉片與葉片之間的基體曲面空間較小，適合采用電解加工。在深入分析被加工曲面局部特征的基礎上，將葉輪劃分為葉片之間的弧形端面基體1和薄壁葉片2兩部分。圖2為本發明的電解加工方法使用的葉輪毛坯模型，電解加工前首先采用數控銑車加工技術，對葉輪中心定位孔、底部定位面、頂部端面和外型面車削加工，確保葉輪的夾裝定位面和非加工面滿足實際加工要求。
本發明的等厚弧形端面葉輪的電解加工工藝方法具體步驟如下：
1)將葉輪毛坯10裝夾；在葉輪毛坯10外圍安裝近成形陰極9。可以選擇如下方式裝夾葉輪毛坯10：葉輪毛坯10以中心定位孔為基準，由定位心軸19、定位法蘭21和預緊螺母22夾緊固定。所述近成形陰極9由陰極塊18組成，所述陰極塊18數量與待加工葉片數量相同。本實施例中以6片葉片為例，使用了6個陰極塊。
2)所述近成形陰極9沿葉輪毛坯10的軸向快速進給到指定加工位置，完成 對整體葉輪的一次性加工成形。
圖3為所述電解加工所用的陰極塊，由底端弧形曲面(近成形曲面)8、側邊刃4和絕緣側壁3組成。其中，陰極塊底端弧形曲面8為近成形弧形基體，弧度較大，不同位置處基體曲面的法向量ni與葉輪軸向向量P之間夾角θi約為20°～80°。為保證加工時平衡間隙波動量不大于1.15，以夾角θi＝30°所在弧形曲線6為邊界，將陰極近成形曲面劃分為區域Ⅰ5和區域Ⅱ7，區域Ⅰ5為夾角θi≤30°所在區域，區域Ⅱ7為夾角θi>30°區域。
區域Ⅰ法向平衡間隙Δi1如下：
區域Ⅱ側面平衡間隙Δi2如下：
式中，η為電流效率；ω為陽極金屬的體積電化學當量，mm3·(A·min)-1；k為電解液電導率，(Ω·mm)-1；U為工件陽極電位，V；v為陰極進給速，mm/min；θi1為區域Ⅰ內基體曲面的法向量ni與葉輪軸向向量P之間夾角，(°)；h為區域Ⅱ內任意位置與夾角θi＝30°所在弧形曲線為邊界所在平面的軸向距離，mm。
根據實際加工成形結果并結合成形經驗理論，對陰極曲面區域Ⅰ和區域Ⅱ平衡間隙做線性插值修整，取修整后平衡間隙Δj如下：
Δj＝μΔi (3)
具體以θi＝30°為邊界，當計算區域Ⅰ內法向間隙時，間隙修正系數為μ1：
當計算區域Ⅱ內側面間隙時，修正系數μ2；
式中，xi1為區域Ⅰ內弧形端面上任意位置與θi＝30°邊界所在平面的軸向距離，H＝max{xi1}；xi2為區域Ⅱ內弧形端面上任意位置與θi＝30°邊界所在平面的軸向距離，h＝max{xi2}；根據陰極沿軸向進給速度v的不同，γ1取定值0.1～0.05；相應的γ2＝0.1～0.3。
陰極側邊則根據電解加工側邊成形規律設計側邊刃寬b，采用層切法，將陰極塊側邊等分成N層(為滿足精度要求，本實施例取N＝30)。為保證加工精度， 設定側邊加工間隙為0.1～0.3mm，側邊刃寬b滿足如下公式：
式中Δs為側邊加工間隙，mm；x0為陰極沿進給方向最底端處加工間隙，mm；Δb為陰極沿進給方向加工間隙，mm。根據側邊間隙分布規律，可得到側邊刃寬b＝{bi,i＝1,2,……30}，以底端弧形曲面S1邊界為起始位置擬合側邊刃寬邊界模型，并將側邊非加工區域采用絕緣材料進行絕緣處理。
圖4為使用本發明的電解方法進行電解加工的成形原理。該葉輪的成形主要分為兩部分：相鄰葉片之間的弧形端面基體1成形和薄壁葉片2的成形。本發明的電解加工所用近成形陰極9由數量等同于葉片個數的陰極塊18組成，當近成形陰極9進給到指定加工位置時，陰極與工件之間數學物理模型近似符合Laplace方程要求，所得到的工件型面即為所需加工曲面。同時，在電解加工過程中，兩相鄰陰極塊可實現一個葉片成形，單個陰極與工件側邊之間有寬度為Δs的加工間隙，使得電解液流入加工區域，避免加工過程可能出現貧液或缺液現象，因此陰極與葉片之間也無應力接觸，可避免葉片產生彎曲變形。
圖5所示為本發明電解加工所使用工裝夾具。夾具主體中間有一空腔式電解加工區域，該區域主要用于工件和陰極夾裝固定，將加工環境與外界隔開，提供穩定的工作區域；夾具自上而下主要有陰極定位裝置、背壓阻流裝置和毛坯夾緊裝置三大部分組成。各部分詳細組成特征如下：
(1)陰極定位裝置主要有陰極定位板16和陰極罩15組成，陰極定位板用于陰極塊的安裝定位，定位板中心為通孔形式，電解液由此流入加工區域；
(2)背壓阻流裝置主要有阻流環12和阻流罩13組成，阻流環12和阻流罩13保持一定加工間隙形成S形阻流通道，可阻礙電解液的流出，從而使得空腔內加工區域充滿電解液，防止電解加工時出現貧液區；同時，阻流罩13和陰極罩15之間有O型密封圈14，確保加工時空腔內電解液只能從出液口流出；
(3)葉輪毛坯夾緊裝置主要由夾具底座11、定位法蘭21、定位心軸19、均流錐形塊17和預緊螺母22組成，可實現葉輪毛坯10的安裝定位。
圖6為本發明電解加工方法工作原理。首先，在加工開始前，對葉輪毛坯10進行夾裝定位，使葉輪毛坯10中心孔與定位心軸19相配合，葉輪下端面和定位法蘭21相接觸，定位心軸19通過預緊螺母22施加預緊力，葉輪毛坯夾緊 固定。其次，安裝近成形陰極9，近成形陰極9安裝于陰極定位板6，所用陰極塊18數量和葉輪葉片數量一致。近成形陰極9與葉輪毛坯10安裝完成后，通入電解液，電解液由陰極定位板16中心通道流入加工區域，經均流錐形塊17分流后均勻分散并迅速充滿夾具中心型腔。型腔內電解液可通過S形阻流通道流出并匯聚于空間相對較大的環形空腔，空腔外接兩對稱出液管道，匯流后的電解液經此出液口流出。其中，S形阻流通道使得電解液流出比較困難，加工時電解液可以充滿整個型腔，從而避免葉輪毛坯10與近成形陰極9之間產生缺液現象；而出液口環形空腔使得各方位電解液能均勻流出，避免產生靠近出液口葉片之間電解液更新較快，遠離出液口電解液更新較慢的現象，從而使得電解液流動均勻，加工過程穩定。正常加工時，陰極定位板16與機床主軸相連接電源陰極，定位法蘭21接電源陽極，近成形陰極沿葉輪軸向方向快速進給到最終加工位置，完成多整體葉輪一次性加工。
基于對本發明優選實施方式的描述，應該清楚，由所附的權利要求書所限定的本發明并不僅僅局限于上面說明書中所闡述的特定細節，未脫離本發明宗旨或范圍的對本發明的許多顯而易見的改變同樣可能達到本發明的目的。
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