整体叶轮叶间槽数控电解加工的试验研究*

□ 朱鹏翔 □ 干为民 □ 许 越

1.河海大学 机电工程学院 江苏常州 213022

2.江苏省数字化电化学加工重点建设实验室 江苏常州 213002

随着航空、航天技术的迅速发展，提高发动机整体性能变得尤为重要。整体叶轮的优化设计不但可以减轻发动机的重量，还可以提高叶轮整体的强度和刚性，从而提高发动机效率和可靠性。由于叶轮均由耐高压、耐高温、高硬度、高强度材料构成，且结构中存在复杂造型型腔——叶间气流通道，使传统的机械切削方法难以对其加工。

数控电解技术集成了数控技术与电解技术两者的技术特点，既具有数控加工的特点，可用软件编程代替复杂的成形阴极的设计，又具有电解加工的特点，工具阴极无损耗、无宏观切削力，适合加工各种难加工切削材料。这一技术在叶轮整体加工上具有很大的优越性，笔者采用数控电解的方法对整体叶轮叶间槽加工进行实验，并得出了优化的工艺参数。

1 数控电解加工原理

传统的电解加工，又称为电化学加工（Electrochemical Machining，ECM），是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，借助于成形阴极，将工件按一定的尺寸及形状加工成形，加工原理如图1所示。其加工速度快，但是成形阴极的设计和制造较为困难，生产周期长；同时由于阴极形状复杂，加工面积大，在加工过程中容易引起二次腐蚀，影响加工精度。而且传统电解加工进给运动方向单一，使阴极可能无法进入叶间通道。数控电解加工是一种将电解加工与数控技术相结合的新型加工方法，类似于数控铣削加工。其中工具阴极作为无应力加工电解“铣刀”，相对于阳极工件进行数控加工运动，并对工件阳极实现电化学溶解作用，阴极运动形成包络面形成了期望加工的型面。在整体叶轮叶间槽的加工过程中，接电源负极的工具阴极高速旋转，并相对于接电源正极的阳极工件作数控展成运动，工件被加工面与阴极之间通入电解液，如图2所示。

图1 传统电解加工原理图

图2 数控电解加工原理图

2 实验装置

数控电解加工整体叶轮叶间槽试验装置主要包括数控电解机床、加工电源和电解液系统，如图3所示。

图3 数控电解加工整体叶轮叶间槽装置示意图

1）数控电解机床。该机床是在五轴联动数控雕铣机上改造而成的，机床配有3个直线运动轴X、Y、Z和双回转工作台B、C轴。机床工作箱内部除绝缘工作台外，均用抗腐蚀性防水材料密封，并设置通水和排水通道。各接缝处均用密封胶密封，以防止电解液渗漏，对机床产生腐蚀。工作台顶部采用可拆卸式顶盖，从而方便工件从工作台上方装夹和对工作台清洗。

2）电解液系统。常见电解液有3种：NaCl、NaNO3和NaClO3，根据以往工艺试验积累的经验，数控电解中常选NaNO3水溶液作为电解液。电解液系统采用二级循环系统，电解液首先经过回液槽用过滤网过滤，然后通过过滤泵并回到供液槽，这样使电解液能够循环使用。管道压力通过溢流阀控制，温度可通过加热冷却系统控制。

3）加工电源。试验研究中采用占空比可调的高频窄脉冲电源，该电源输出最高电解电压为60 V，最大电解电流可达到480 A，最高脉冲频率40 kHz。

3 数控电解切槽试验设计与数据分析

3.1 影响数控电解加工的因素

1）工艺参数的影响。工艺参数主要包括加工电压、加工电流密度、进给速度、主轴转速等。试验中整个电解过程均属于粗加工阶段，在其它影响因素确定的情况下，通过改变加工电压、主轴转速等，得出加工质量最好条件下的最大进给速度。

2）电解液的影响。主要包括电解液成分、温度和浓度，电解液是影响电解加工效果的重要因素,会影响电解加工精度、表面质量及加工效率。NaNO3电解液因具有加工精度高、对设备腐蚀性较小等特点而被广泛应用于整体叶轮盘数控电解加工当中。此外，电解液的浓度、温度也很大程度上影响到电解加工过程中的阳极去除量。

3）流场设计的影响。电解加工中，流场不但直接关系到电解加工精度的高低、被加工表面质量的好坏，而且还决定了电解加工的成败。合理的流场设计是电解加工得以成功的基础，流场设计包括电解液流动形式的确定，电解液进出口的压力、速度的分布和计算，流场的均匀性设计等。

4）被加工材料的影响。被加工材料的合金成分和热处理状态对加工表面质量有很大的影响，热处理后的合金成分复杂、金相组织不同，其电极电位也不相同，导致加工过程中被加工面各处溶解速度也不同，降低了被加工表面的质量。

3.2 试验设计

试验选用电解质为NaNO3的电解液，工具阴极选用锥面带有螺旋形喷液缝的锥形阴极，材料为不锈钢。电解液温度一般控制在35℃左右，浓度初定为15%。高频窄脉冲电源占空比40%，频率4kHz。工具阴极和被加工阳极面之间最小放电间隙为0.2 mm。

试验选用工具阴极喷液缝宽、加工电压、电解液压力、主轴转速这4个因素进行正交试验，并建立正交试验因素表，见表1。

表1 正交实验因素表

通过对正交试验结果进行数据处理，可以得出4个因素对电解加工进给速度影响从大到小依次为：加工电压、阴极喷液缝宽、主轴转速、电解液压力。通过16组试验数据处理对比得出满槽电解最大进给速度为0.6 mm/min，半槽加外喷电解最大进给速度为1.2 mm/min。最优试验组合为A2B4C3D2，满槽电解加工电流随加工深度的变化如图4所示。

图4 加工电流时序曲线

3.3 单因素试验分析

1）电解液浓度对加工的影响。由于电解液浓度的变化直接影响到电导率，所以一般来说电解液浓度越高，加工间隙越大，加工效率也就越高。但是浓度增加也使电解液中离子增多，离子间的相互作用使离子迁移困难，所以过度提高电解液浓度反而会引起严重的杂散腐蚀。在最优水平组合A2B4C3D2条件下，电解液浓度与加工间隙关系如图5所示。合适的电解液浓度有利于提高加工精度，有效避免过切现象。试验表明，NaNO3电解液浓度控制在15%，加工整体效果最好。

图5 电解液浓度对加工间隙的影响

2）电解液温度对加工的影响。温度越高，电解液中离子的活跃度越高，电导率增加则电化学反应也越剧烈，单位时间去除量也相应增大。适当的温度可以提高加工效率和质量，但是过高的温度也会带来负面的影响。试验证明，当电解液温度超过40℃后，工件被加工表面明显出现流纹，加工表面质量变差且精度降低。在整体叶轮叶间槽数控电解加工中，宜将温度控制在35℃左右。

3）阴极进给速度对加工的影响。进给速度对去除量影响较大，随着进给速度的提高，加工间隙变小，去除量逐渐减少，且去除量变化率也逐渐减少，直到趋于稳定阶段，此时如果继续加速会产生火花现象，导致阴极表面损坏。小进给速度下加工间隙大，去除量也较大，可以最大化去除工件余量；较高的进给速度下加工间隙小，去除量也小，此时被加工表面发生电化学反应速度低，所以工件被加工表面质量较好。因此，选择合适的进给速度是保证电解加工可以进行的重要因素。在电解液浓度定为15%、温度控制在35℃时，以满槽电解加工为例，选取A2B4C3D2试验组合，此时加工进给速度与去除量的关系如图6所示。根据如图6实验结果，叶轮叶间槽满槽加工进给速度取0.6 mm/min时，单边加工间隙约为1.0 mm，此时可保证在不过切的情况下高效地加工出叶轮叶片。

图6 进给速度对加工间隙的影响

图7是五轴联动数控电解整体叶轮的叶间槽试验件，采用锥形带螺旋喷水缝的阴极，单叶片电解加工可以一次到位，稳定的加工进给速度为0.6 mm/min。

图7 整体叶轮叶间槽的试加工工件

4 结论

1）数控电解加工技术是加工整体叶轮叶间槽的一种确实可行的方法，其效率是一般电火花加工的8～10倍，它具有加工效率高、无残余应力、工具阴极无损耗等特点。

2）阴极切入工件，绕叶轮叶片曲面轨迹运动，一次加工出两个叶间槽形成叶片。在加工后续叶片时，由于受到前一个叶片叶间槽的影响，阴极切出时流场分布严重不均匀，此时可打开外喷设备，将电解液均匀喷于阴极背面。实践证明，这种方法不但解决了流场问题，还提高了电解加工效率。

3）数控电解加工过程中由于阴极运动轨迹复杂，随着时间空间的不断变化，电化学、电场、流场等诸多参数的相互关系十分复杂，导致加工精度不高，可预留一定的加工余量进行后续加工，保证加工精度。

［1］ 徐家文，赵建设，干为民，等.航空发动机整体构件特种加工新技术［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［2］ 刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工［M］.北京：机械工业出版社，2008

［3］ 徐家文，云乃彰，严德荣.数控电解加工整体叶轮盘的研究、应用和发展［J］.航空制造技术，2003（6）：31-35.

［4］ Wang Jianye.The Investigation of the Mechanism of High Frequency Short Pulse Electrochemical Machining ［J］.Journal of South China University of Technology，2001（1）：6-10.

［5］ 徐家文，云乃彰，王建业，等.电化学加工技术——原理、工艺及应用［M］.北京：国防工业出版社，2008.