扭轉葉片整體葉盤旋轉套料電解余量均勻化加工技術研究

高偉正，趙建社，岳 磊，程新想，張昌昊

（ 1. 南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016；2. 江蘇集萃精密制造研究院有限公司，江蘇 南京 210016；3. 中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002 ）

扭轉葉片整體葉盤具有質量輕、功重比大、氣動性能優等優點，廣泛應用于航空發動機中[1-3]。 然而，其葉間通道相對深而窄，葉片厚度變化大、彎扭程度大、受力易變形、開敞性差，幾何精度和表面質量要求苛刻，同時所用材料多為鈦合金、高溫合金等難加工材料，對加工制造帶來了嚴峻的挑戰[4-6]。 相較傳統機械加工、線性摩擦焊加工而言，旋轉套料電解加工具有加工效率高、加工無變形、加工表面質量好、工具陰極無損耗等優點[7-8]，適用于加工扭轉葉片整體葉盤。 然而在旋轉套料加工后，葉身余量分布均勻性對后續葉片精加工的精度控制至關重要，同時考慮到扭轉葉片整體葉盤葉片厚度變化大、扭曲度大的結構特點，旋轉套料電解加工后余量分布均勻性有待進一步提高。

為提高整體葉盤旋轉套料電解加工后余量分布的均勻性，國內外學者開展了大量研究。Scott 等[9]提出了采用分體式陰極進行旋轉平移加工串聯葉片整體葉盤的電解加工方法，與傳統電解加工相比，可有效改善葉身型面余量分布情況。 Platz 等[10]提出了采用片狀陰極進行整體葉盤套料電解粗加工的方法，可有效改善葉片前后緣處余量分布。 Klocke 等[11]提出了使用螺旋階梯式陰極進行整體葉盤旋轉套料電解加工的方法，相較傳統套料方法改善了葉片全輪廓余量分布。Lei 等[12]提出了基于粒子群算法的容差最小化變旋轉速率旋轉套料電解加工方法，加工出單邊最大余量差值0.96 mm 的整體葉盤。 于冰[13]提出了考慮整體葉盤葉型的旋轉套料最小包絡陰極設計方法，通過該方法設計的陰極可使得加工余量分布更加均勻。 張志金等[14]提出了采用等速螺旋水套搭配整體式陰極的旋轉套料電解加工方法，通過工藝試驗加工出單邊平均余量為2 mm 的整體葉盤，一定程度上提高了余量分布均勻性。 孫倫業等[15]提出了陰極變中心整體葉盤旋轉套料電解加工方法，并通過UG 軟件模擬加工過程，余量分布得到改善。翟士民等[16]通過分析整體葉盤葉型基疊軸和旋轉軸的空間關系，優化了加工進給方向，加工出單邊平均余量為1.1 mm 的整體葉盤。

學者們研究了陰極結構、進給方向、加工路徑等因素對整體葉盤旋轉套料電解加工后余量分布情況的影響。 除此之外，加工電壓也是影響加工后余量分布的重要因素，在以往的研究中大都為恒定電壓加工，加工后得到近似等截面的整體葉盤。 針對扭轉葉片整體葉盤葉片上下截面厚度變化大、恒定電壓加工不易滿足余量分布需求，開展變電壓旋轉套料電解加工分析加工電壓與余量分布之間的關系，結合工藝試驗實現扭轉葉片整體葉盤葉間通道余量均勻高效去除，以滿足后續精加工要求。

1 實驗設計

扭轉葉片整體葉盤葉片薄而狹長，為滿足空氣動力學要求，葉片多為復雜曲面，自葉頂截面至葉根截面其扭角和尺寸都相差較大， 其結構示意如圖1所示， 其中葉片總長為30 mm， 葉片總扭轉角為28.8°，葉間距為10.4 mm，扭轉葉片整體葉盤葉片自上而下各截面葉型如圖2 所示。

圖1 扭轉葉片整體葉盤結構

圖2 扭轉葉片整體葉盤葉片不同截面葉型

旋轉套料電解加工方法理論上只可采用一個片狀陰極“套”出自上而下等截面的葉片，針對扭轉葉片整體葉盤葉片截面尺寸變化大的特點， 采用變電壓加工方式“套”出自上而下變截面的葉片，以滿足扭轉葉片整體葉盤不同截面余量分布均勻的需求。

圖3 是扭轉葉片整體葉盤旋轉套料電解加工方法示意， 其中工具陰極是根據扭轉葉片整體葉盤不同截面葉型投影獲得最小包絡線， 并將其偏置一定距離所設計[13]。旋轉套料加工過程中，片狀陰極接電源負極，扭轉葉片整體葉盤接電源正極，二者通過由電解液循環過濾系統流出的高速電解液形成導電回路，機床帶動扭轉葉片整體葉盤沿Z 軸進給的同時繞C 軸旋轉，在電化學陽極溶解作用下逐漸加工出扭轉葉片。

圖3 扭轉葉片整體葉盤旋轉套料電解加工示意圖

在旋轉套料電解加工過程中，側面間隙決定整體葉盤的余量情況，旋轉套料加工過程陰極屬于側面絕緣形式，側面間隙ΔS可由下式表示：

其中：

將公式（2）代入公式（1）可得：

式中：Δb為端面平衡間隙；vd為工件進給速度，b 為陰極加工區域厚度；κ 為電導率；ω 為體積電化學當量；η 為電流效率；UR為極間電壓。

由式（3）可知，側面間隙與工件進給速度及加工電壓成比例關系，而當其他加工條件不變時，側面間隙越大，說明葉片余量越小，反之則余量越大。 為改善扭轉葉片整體葉盤旋轉套料電解加工后余量分布情況，設定工件進給速度以及恒定工件旋轉速度，通過加工過程的仿真分析側面間隙和加工電壓之間的關系，制定可均化余量的變電壓加工方案，通過試驗驗證方案可行性，為后續葉片型面精加工奠定技術基礎。

2 電場模型建立

為分析加工電壓對于側面間隙的影響規律，需通過建立幾何模型開展電場仿真研究。 旋轉套料電解加工葉片成形過程可用直線進給套料電解加工過程來體現，為提高仿真效率，以葉片縱向為切面建立圖4 所示的幾何模型。 圖中：1 為工件陽極邊界，3、4、8、9 為工具陰極邊界，5、7 為絕緣邊界，6 為電解液入口邊界，2、10 為電解液出口邊界。 工具陰極厚度為2 mm，電解液電導率為9.5 S/m，依據經驗選取初始加工間隙Δ0為0.5 mm。

圖4 電解加工成形仿真幾何模型

假設仿真幾何模型內電解液為各向同性， 則加工幾何模型間隙內電位分布情況可用拉普拉斯方程表示：

式中：x 和y 分別為模型中點的坐標；φ 為各點的對應電位。 工件陽極和工具陰極邊界條件分別為：

剩余絕緣邊界5、7 和自由邊界2、6、10 滿足：

為探究加工電壓對側面間隙的影響規律， 按照表1 中的電場仿真參數，利用Comsol 軟件針對加工電壓進行單因素對比仿真， 掌握不同電壓下的扭轉葉片輪廓成形規律， 為制定變電壓加工方案提供理論依據。

表1 電場仿真參數

3 仿真分析及變電壓加工方案制定

3.1 仿真結果分析

旋轉套料電解加工進給深度達到35 mm 時，葉片被全部“套”出，其中理論葉片輪廓位于5~35 mm處。 通過分析不同電壓下加工至最終時刻葉片輪廓情況，對應側面間隙的分布規律，結合扭轉葉片整體葉盤結構特征制定變電壓加工方案，為工藝試驗提供依據。

采用表1 中的電場仿真參數與圖3 中的電解加工成形仿真幾何模型，分別設置加工電壓U=20、24、28、32、36、40、44、48 V 進行電場仿真， 得到不同電壓下縱向截面葉片輪廓仿真結果如圖5 所示。

圖5 不同電壓葉片縱向輪廓仿真結果

圖5 中，ΔS1~ΔS8分別為加工電壓在20~48 V 時的側面間隙，由于工具陰極具有一定厚度，且其加工刃邊做倒圓處理，葉片會分別在葉尖和葉根處產生圓角。 隨著電壓逐漸增大，葉片輪廓厚度逐漸減小，側面間隙逐漸增大，除葉尖和葉根以外的葉片側壁輪廓近似呈線性變化，因此可僅對葉片側壁輪廓進行分析。

圖6 是加工電壓為20 V 時的葉片輪廓仿真結果，對其成形情況進行分析。 在H=5~32 mm 時，葉片側壁加工間隙趨于穩定，其中H=5 mm 時，側面間隙ΔS1=1.16 mm，H=32 mm 時，ΔS1=1.12 mm， 上下僅差0.04 mm， 則可取平均值ΔS1=1.14 mm 作為20 V 電壓條件下對應的側面間隙。

圖6 20 V 電壓條件下葉片輪廓仿真結果

以此類推，分別對20~48 V 加工電壓條件下葉片側壁輪廓成形情況進行分析，取上下側面間隙平均值作為參考，得到圖7 所示加工電壓U 與側面間隙ΔS之間的關系，通過擬合可得到下式：

圖7 不同電壓與側面間隙的關系

通過計算得知擬合相關系數R2=0.997， 曲線擬合度高，擬合公式可信，通過此關系可得到不同電壓下的葉片橫截面仿真結果。 圖8 是H=5 mm 時葉片橫向輪廓仿真結果，可見隨著電壓增大，側面間隙逐漸增大，葉片余量逐漸減??；但是，當電壓過大時扭轉葉片葉緣處可能發生過切，如加工電壓達到48 V時，葉緣處余量僅剩0.6 mm，葉背中點處最大余量為1.16 mm， 因此在制定變電壓加工方案時電壓不可過大，需同時考慮葉片縱、橫向輪廓仿真結果。

圖8 H=5 mm 時不同電壓下葉片橫向輪廓仿真結果

根據扭轉葉片結構特點，結合葉片縱、橫向輪廓仿真結果， 在H=5~32 mm 時可制定基于側面間隙預測的變電壓加工方案，在葉片不過切的前提下，提高余量分布均勻性。

3.2 變電壓加工方案制定

扭轉葉片整體葉盤在旋轉套料電解加工完成后需要留有一定余量用于精加工，余量過大精加工效率低下，余量過小精加工難以整平。 以葉片全輪廓最小余量1 mm 作為加工目標，結合葉片縱向、橫向輪廓仿真結果，通過制定基于側面間隙預測的變電壓加工方案以提高葉片余量分布均勻性。 圖9 為葉片最小余量1 mm 時縱向截面輪廓在不同進給深度H 下對應側面間隙ΔS情況，通過擬合可得到二者關系曲線：

圖9 葉片最小余量1 mm 時縱向截面輪廓對應側面間隙

通過計算得知擬合相關系數R2=0.994， 曲線擬合度高，擬合公式可信。 將式（7）代入式（8）中可得到進給深度H 在5~32 mm 與所需加工電壓U 之間關系：

根據式（9）可確定H=5~32 mm 時變電壓加工方案。而由圖5 可知當H=32~35 mm（葉根）時，葉片輪廓成形過程較為復雜，因此以加工不過切作為準則，確定葉根處不過切最大電壓為20 V。 理論葉片輪廓位于H=5~35 mm 處， 則H=0~5 mm 時以不發生過切為準則， 采用H=5 mm 時的計算電壓即U=37.7 V 作為加工電壓，最終制定變電壓加工方案如圖10 所示。

圖10 基于側面間隙預測的變電壓加工方案

3.3 恒定電壓與變電壓加工仿真對比

為驗證變電壓加工方案的可行性， 利用建立的電解加工成形仿真幾何模型進行變電壓加工仿真，在Comsol 軟件中擬合圖10 所示的變電壓函數，其余仿真參數與20 V 恒定電壓加工成形仿真相同。將恒定電壓與變電壓仿真所得到的不同進給深度H下的側面間隙數據導入UG 軟件， 分別進行三維加工過程仿真，得到的結果分別見圖11 和圖12。

圖11 20 V 電壓三維仿真結果

圖12 變電壓三維仿真結果

在圖11、圖12 中，水平截面A、B、C 分別對應H=32、20、5 mm 處的截面， 縱向截面與第2 節中縱向截面相同， 可以看出基于側面間隙預測的變電壓加工方法相比于20 V 恒定電壓加工方法，縱向方向葉片總體余量分布情況得到明顯改善。 僅分析縱向仿真結果不足以確定不同截面之間葉片全輪廓余量分布情況， 因此制作圖13 所示的余量分布檢測模型，其中采樣線1 對應H=5 mm 處截面，采樣線11對應H=35 mm 處截面，對應的葉片仿真全輪廓余量分布數據見圖14。

圖13 扭轉葉片全輪廓余量分布檢測模型

圖14 20 V 電壓、變電壓加工仿真葉片全輪廓余量分布

從圖14 可看出， 變電壓仿真相比于20 V 恒電壓仿真，余量最大值由2.87 mm 減小至2.22 mm，最大余量差值從1.73 mm 減小至1.21 mm， 這表明基于側面間隙預測的變電壓加工方案可有效均化葉片余量。

4 電解加工試驗驗證

4.1 試驗條件

在精密電解加工設備中采用前文中仿真所用的加工參數開展驗證試驗， 扭轉葉片整體葉盤毛坯材料為304 不銹鋼，工具陰極材料為304 不銹鋼。試驗過程中工件進給速度vd以及工件旋轉速度ωa恒定，只分析加工電壓對加工后余量分布的影響，當進給深度達到H=5 mm 時開始旋轉，其中工件旋轉速度ωa根據下式計算：

式中：S 為葉片總長度；ωs為葉片總扭轉角， 帶入可得ωa=0.013 4 rad/min。 主要試驗參數見表2。

表2 試驗主要參數

4.2 恒定電壓和變電壓加工對比

分別采用20 V 恒定電壓以及變電壓加工方案開展旋轉套料電解加工工藝試驗，得到圖15 所示的加工結果， 可見采用變電壓加工可明顯提高葉尖處的材料去除率，更有利于提高余量分布均勻性。

圖15 不同電壓條件加工扭轉葉片整體葉盤實物圖

采用三坐標測量機分別對20 V 恒定電壓加工以及變電壓加工的扭轉葉片整體葉盤進行余量測量，得到圖16 所示的葉片全輪廓余量分布情況。 可見， 采用20 V 電壓加工時余量最大值為2.77 mm，最小余量為1.14 mm，最大余量差值為1.63 mm；采用變電壓加工時余量最大值為2.13 mm， 最小余量為1.01 mm，最大余量差值為1.12 mm。 結果表明，采用基于側面間隙預測的變電壓加工方法更有利于均化扭轉葉片余量， 這為扭轉葉片整體葉盤后續精加工奠定技術基礎。

圖16 20 V 電壓、變電壓加工試驗葉片全輪廓余量分布

5 結論

以扭轉葉片整體葉盤為研究對象， 通過電場仿真和工藝試驗探究了加工電壓對于旋轉套料電解加工后扭轉葉片整體葉盤余量分布情況的影響規律，得到以下結論：

（1） 加工電壓是影響扭轉葉片整體葉盤加工后余量分布情況的重要因素， 合理采用變電壓加工方法能有效改善扭轉葉片整體葉盤加工后余量分布情況，進而為其后續精加工提供保障。

（2） 建立了扭轉葉片整體葉盤旋轉套料電解加工成形仿真模型，得到了加工電壓與側面間隙之間的關系，并分別進行了20 V 恒定電壓、變電壓加工仿真，結果表明采用基于側面間隙預測的變電壓加工方法時，更有利于均化余量。

（3）采用20 V 恒定電壓、變電壓加工方案開展了旋轉套料電解加工工藝試驗，試驗與仿真結果的余量變化情況趨于一致，驗證了電場仿真模型的正確性，最終加工出最大余量差值為1.12 mm 的扭轉葉片整體葉盤。