陳修文，徐正揚(yáng)，朱荻 ，王德新

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016 2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽 110043）

0 引言

整體葉盤是航空發(fā)動機(jī)中的新型關(guān)鍵部件，其型面扭曲復(fù)雜、葉柵通道狹窄、采用鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料，加工品質(zhì)要求高，因此其制造一直是航空發(fā)動機(jī)中的難點(diǎn)所在，提高葉盤制造技術(shù)水平，對我國的航空工業(yè)有著十分重要的意義。

由于電解加工具有的工具不損耗、不受金屬材料力學(xué)性能限制、加工效率高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，使電解加工成為葉盤制造的主要方法。國內(nèi)外針對電解加工技術(shù)開展了大量的研究工作并取得了許多成果，如利用有限元法設(shè)計(jì)了電化學(xué)工具電極并建立了鈍性電解液的間隙模型［1-3］;提出了新的電解加工間隙檢測方法［4］;探討了流場因素對電解加工工具電極設(shè)計(jì)的影響［5-6］;開展了電解加工運(yùn)動路徑研究等［7］。由于葉盤電解加工過程中，高速高壓的電解液從微小的加工間隙中流過，其流動方式、均勻性等均會對加工結(jié)果產(chǎn)生很大影響，同時其復(fù)雜性也增加了電解加工過程控制的難度。因此必須針對葉盤電解加工中電解液流場問題開展深入研究，掌握流場變化規(guī)律，才能充分發(fā)揮電解加工的優(yōu)勢，提高電解加工的穩(wěn)定性和加工品質(zhì)。

現(xiàn)以發(fā)動機(jī)整體葉盤電解加工為對象，利用自行研制的葉盤電解加工機(jī)床，開展電解加工的流場仿真及試驗(yàn)研究，建立葉盤曲面電解加工的流場模型，利用有限元方法對流場模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了流動方式的可行性。

1 電解液的流動方式

與傳統(tǒng)的葉片電解加工類似，在葉盤電解加工過程中，電解液通常采用從葉身進(jìn)氣（或排氣）邊流入，從排氣（或進(jìn)氣）邊流出的側(cè)流式流動方法，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)側(cè)流式葉盤加工示意圖

側(cè)流式加工使電解液在緩變的通道中平行流動，速度、壓力變化緩慢，均勻性較好。但也存在明顯問題，這種流動方式在加工間隙中是一種被動分流類型，即當(dāng)電解液以較高的流速進(jìn)入流道時，電解液被毛坯強(qiáng)迫分成兩股液流，大部分電解液會直接撞擊在毛坯的進(jìn)氣（或排氣）邊，使加工區(qū)入口端流場非常紊亂，影響葉型的加工精度和表面品質(zhì)，有時甚至?xí)鸲搪贰Ｍ瑫r由于電解液的分流是被動分流，葉盆、葉背形狀差異導(dǎo)致的間隙不均、毛坯誤差引起的初始間隙差、加工過程產(chǎn)生的間隙變化都將引起葉身兩側(cè)流量的變化。隨著電解加工的進(jìn)行，陽極溶解產(chǎn)生的間隙變化更加影響電解液的分流，使得每次加工時的電解液流動均不一致，影響了加工的重復(fù)性，而在整體葉盤中數(shù)十個葉片的一致性要求往往很高，故傳統(tǒng)的側(cè)流方式會影響整體葉盤葉型電解加工的重復(fù)精度。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了新的電解液流動方式，如圖2所示，兩股電解液分別從葉盆、葉背薄片陰極背面流入，繞過陰極靠近葉根的頂端后流經(jīng)加工區(qū)，最后在毛坯葉尖處交匯流出。該電解液流動方式需在工裝夾具上設(shè)置兩個電解液入口，一個電解液出口。該電解液流動方式主動將葉盆、葉背加工區(qū)流道分開，通過調(diào)節(jié)電解液進(jìn)出口的壓力，可實(shí)現(xiàn)葉盆、葉背加工區(qū)流量的主動控制，既避免了電解液直接撞擊毛坯而產(chǎn)生的雜亂流場，又解決了分流不均的缺陷，有助于提高流場的可控性和均勻性。同時，該電解液流動方式使電解液具有較好的可達(dá)性，有利于電解加工中氣泡及電解產(chǎn)物的排出，減小了流道突變對葉片加工精度的影響，有助于提高零件的加工精度。因此該電解液流動方式更加適合整體葉盤葉型電解加工的需求。

圖2 新的電解液流動方式

2 建模與仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

電解加工過程中，一般可忽略電解產(chǎn)物對電解液的影響，加工間隙中流過的介質(zhì)可簡化為氣、液兩相流。為了不失研究問題的本質(zhì)又簡化問題，對該兩相流問題做必要的假設(shè):

1）氣泡在液相中不可壓縮，分布均勻，故間隙內(nèi)的介質(zhì)可認(rèn)為是二維不可壓縮粘性流體;氣相狀態(tài)變化服從理想氣體狀態(tài)方程;相間無質(zhì)量轉(zhuǎn)換;沿流動方向的每個橫截面上的各相參數(shù)皆相同。

2）加工處于平衡狀態(tài)時，各項(xiàng)參數(shù)都只是位置而非時間的函數(shù)。陽極腐蝕速度與陰極送進(jìn)速度相等，加工間隙已達(dá)平衡間隙，電解液與陰、陽極已處于熱平衡狀態(tài)。

根據(jù)新的電解液流動形式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的進(jìn)出液布局和工裝夾具內(nèi)部流道，可以得到加工區(qū)域中從進(jìn)液到出液的全程流道三維模型，如圖3所示。

圖3 流道三維模型

由于上述三維模型十分復(fù)雜，網(wǎng)格劃分及計(jì)算難度較大，同時在三維模型的每個水平截面上，其流場狀態(tài)較為一致，因此采用二維水平截面截取該三維模型，得到流道的二維模型，其中某一截面的流道二維模型如圖4所示。

圖4 流道二維模型

采用有限元方法對該二維模型進(jìn)行有限元劃分，并設(shè)置邊界條件，由于電解液需要帶著電解產(chǎn)物、氣泡及熱量，平衡加工間隙中的電導(dǎo)率，其壓力和流速不能過低，因此將初始壓力值設(shè)置為1.0MPa，背壓設(shè)置為0.1MPa，入口處初始速度設(shè)置為10m/s。網(wǎng)格劃分后的流場模型如圖5所示。

圖5 流道模型的有限元網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算結(jié)果

利用有限元分析軟件對圖5所示模型進(jìn)行計(jì)算，得到加工初始階段流道二維平面速度場仿真結(jié)果，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出由于工具陰極和工件之間的間隙較窄，所以電解液流過時的速度很快，在加工間隙中的流速一般均大于10m/s，表明該流動方式能夠較好的帶走電解沉淀物、氣泡和熱量，有助于加工間隙中電解液狀態(tài)的穩(wěn)定。

圖6 流道模型的速度場仿真圖

圖7 加工間隙中的速度場仿真圖

從局部流速放大圖（圖7）可以看出，電解液在進(jìn)入加工間隙過程中，流速逐漸變大，而在離開加工間隙后，流速明顯變慢，符合加工需要。同時無論是加工葉盆還是葉背，貼近加工表面的電解液流速較快，有助于快速帶走加工表面產(chǎn)生的電解產(chǎn)物，均勻電解液電導(dǎo)率。

在加工初始階段，由于毛坯和工具電極型面不吻合，因此加工間隙不均勻，型面各位置的加工間隙差異較大。由于毛坯不同部位的溶解程度不同，加工間隙小的地方溶解速度快，加工間隙大的地方速度慢，隨著加工的進(jìn)行，毛坯的形狀逐漸接近于工具電極的型面，各部位的加工間隙逐漸趨于一致。當(dāng)加工過程進(jìn)入平衡狀態(tài)時，加工間隙的大小不再改變，同時加工間隙也最為均勻，此時可以實(shí)現(xiàn)工件型面的精確成型。針對平衡狀態(tài)時的流場特點(diǎn)，本文也開展了有限元仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 平衡狀態(tài)時的電解液速度場仿真圖

圖9 平衡狀態(tài)時加工間隙中速度場仿真圖

從圖8、9中可以看出，當(dāng)加工過程進(jìn)入平衡狀態(tài)后，葉片型面厚度較薄，工具電極背面的通道變寬，流速較低。而工具和工件之間的加工間隙十分均勻，同時間隙也很小，因此電解液在加工間隙中的流速較電解液進(jìn)口的流速大得多，一般均大于15m/s，這有利于快速的帶走電解產(chǎn)物、氣泡和熱量，保持間隙中電解液電導(dǎo)率的一致性，提高加工過程的穩(wěn)定性和加工精度;同時由于加工間隙大小均勻，電解液流動也十分穩(wěn)定，流速在加工間隙不同區(qū)域的大小基本一致，這樣可以保證間隙中不同區(qū)域的溶解更加均衡，從而進(jìn)一步有助于提高加工精度。

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證流場的可行性，進(jìn)行了葉盤電解加工試驗(yàn)。利用自行研制的整體葉盤電解加工機(jī)床如圖10所示，采用雙面進(jìn)給的電解加工方式以及上文提到的電解液流動方法。加工對象為扇段毛坯，其上有已預(yù)加工好的葉柵通道，材料為高溫合金;陰極工具為自行設(shè)計(jì)的薄型工具電極，材料為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）;電解液為15%的硝酸鈉溶液;電解液進(jìn)口壓力為1.0MPa，間隙出口處背壓采用0.1MPa。

圖10 自行研制的整體葉盤電解加工機(jī)床

圖11為加工出的葉盤扇段試件，其中局部單個葉片的放大圖如圖12所示。從圖中可見，葉片型面呈現(xiàn)空間扭曲的形狀，葉片厚度很薄，且通道較為狹窄，采用上述電解液流動方式，可以實(shí)現(xiàn)空間扭曲葉盤型面的電解加工，加工過程較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)短路等意外情況，且葉身表面無明顯流紋，說明電解液流場較為均勻，該雙向進(jìn)液的流動方式設(shè)計(jì)合理，可以用于整體葉盤葉型的電解加工。

圖11 電解加工的葉盤扇段試件

4 結(jié)論

1）電解液的流場是影響電解加工的精度和表面品質(zhì)的核心環(huán)節(jié)，合理的電解液流場可以有效提高加工穩(wěn)定性和加工品質(zhì)。

圖12 電解加工的單個葉型實(shí)物圖

2）針對葉盤型面的電解加工，傳統(tǒng)的側(cè)流式可控性較差，容易出現(xiàn)短路等意外情況。

3）雙向進(jìn)液流動方式可以控制流經(jīng)葉盆、葉背加工區(qū)域的電解液流速和壓力，有助于提高加工過程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)葉盤型面的穩(wěn)定加工。本文建立該方式的數(shù)學(xué)模型，開展了加工初始階段和平衡狀態(tài)的流場速度分布仿真計(jì)算，并安排了電解加工試驗(yàn)，通過試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型相比較，證明了該流動方式的可行性。

［1］ZHU D，WANG K，YANG J M.Design of electrode profile in electrochemical manufacturing process［J］.Annals of CIRP，2003，52（1）:169-172.

［2］Zhu D，Rajurkar K P.Modeling and verification of interelectrode gap in electrochemical machining with passivating electrolyte［J］.ASME，1999（10）:589，596.

［3］Rajurkar K P，Zhu D，MeGeough J A，et al.New Development in ECM［J］.Annals of CIRP，1999，48（2）:567-579.

［4］陸永華，趙東標(biāo)，云乃彰，等.基于六維力電解加工間隙在線檢測試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（7）:126-131.

［5］Wang L，Zhu D.Shape evolution and prediction of three dimensional workpieces in electrochemical machining［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China.2005，15（special 3）:241-246.

［6］孫春華，朱荻，李志永，等.考慮流場特性的發(fā)動機(jī)葉片電解加工陰極設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（5）:613-617.

［7］李志永，朱荻，王蕾.電解加工發(fā)動機(jī)葉片陰極進(jìn)給方向的優(yōu)化［J］.航空學(xué)報(bào)，2003，24（6）:563-567.