柔性电极动态变形电解加工方法及应用
阅读说明：本技术 柔性电极动态变形电解加工方法及应用 (Flexible electrode dynamic deformation electrolytic machining method and application ) 是由 朱荻 徐正扬 刘琳 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种柔性电极动态变形电解加工方法及应用,属于电解加工技术领域。该方法特点在于：采用具有一定刚性,但在施加相应载荷时可以弯曲变形的管状或棒状金属作为电解加工的工具电极,在加工诸如闭式整体叶盘的复杂型面时,工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电解加工。在加工过程中,根据工件型面的曲率变化特点,通过施加不同的载荷,使得工具电极在进给的同时发生动态变形,其变形后的形状近似于工件型面线的数学模型,从而使得加工出的工件型面接近理想型面。本发明通过简单形状的电极,加工如闭式整体叶盘的复杂型面,提高电解加工效率,保证加工精度。(The invention relates to a dynamic deformation electrolytic machining method for a flexible electrode and application thereof, belonging to the technical field of electrolytic machining. The method is characterized in that: tubular or bar-shaped metal with certain rigidity but capable of bending and deforming when corresponding load is applied is used as a tool electrode for electrochemical machining, and when a complex profile surface such as a closed blisk is machined, the side wall of the tool electrode is used as a machining surface to perform sweep electrochemical machining along the surface of the complex profile surface of a workpiece. In the machining process, according to the curvature change characteristics of the profile of the workpiece, the tool electrode is dynamically deformed while being fed by applying different loads, and the deformed shape of the tool electrode is similar to a mathematical model of the profile line of the workpiece, so that the machined profile of the workpiece is close to an ideal profile. The invention processes the complex profile of the closed blisk by the electrode with simple shape, improves the electrolytic processing efficiency and ensures the processing precision.)
技术领域
本发明涉及一种柔性电极动态变形电解加工方法及应用，属于电解加工
技术领域
。背景技术
整体叶盘类零件是将叶片和轮毂制作成一体，代替通常叶片榫齿与轮毂榫槽再加锁片的联接结构，从而减少零件数量、减轻航空发动机的重量，提高发动机的工作效率。作为航空发动机中的核心零部件，整体叶盘加工制造质量的好坏直接影响整个航空发动机的性能。整体叶盘根据叶片顶部有无叶冠结构可分为开式整体叶盘与闭式整体叶盘，闭式整体叶盘在叶片顶部增加整圈叶冠结构，可以有效抑制叶片的颤震；减少工质的流动损失；提高叶盘的整体强度和刚度，因此闭式整体叶盘在航空航天领域的应用在不断增加。
但是由于其具有结构复杂、叶型扭曲、通常采用高温合金等难加工材料等特点，给加工制造带来了巨大困难。目前，闭式整体叶盘的制造工艺主要包括传统机械加工、精密铸造、电火花加工及电解加工等。
在专利“高精度闭式叶盘成型方法”(申请号201210588218.4申请人中国人民解放军总参谋部第六十研究所，发明人吴高强石小红丁磊庄震宇崔巍)中，将闭式整体叶盘拆分为盖板、叶片和底盘，通过水刀切割、车削、磨削等加工工艺完成加工，采用真空钎焊将其焊接为一个整体，焊接后进行去应力时效处理，再进行机加工，加工出成品，该方法具有加工精度高，加工过程容易控制的优点。
在专利“一种闭式叶轮熔模精密铸件流道尺寸的控制方法”(申请号201911206733.X申请人西安航天发动机有限公司，发明人杨欢庆王琳高怀胜纪艳卿吴晓明陈鹏荣)中，提出的流道尺寸控制方法，解决了闭式叶轮熔模精密铸件流道尺寸精度差的问题，提高了产品水力学性能指标，节省了产品试制周期，降低了制造成本。
在专利“一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法”(申请号201910550775.9申请人西安航天发动机有限公司，发明人李护林杨欢庆王云王琳雷钥)中，采用工艺预补偿和添加便于去除的柱状支撑，保证内流道尺寸精度、形状精度和表面粗糙度，使小间隙闭式铝合金叶轮整体增材制造成为可能。
在专利“闭式叶轮及其成形方法”(申请号201811546242.5申请人苏州大学，发明人石拓陈磊石世宏鲁健傅戈雁)中，采用光内送粉激光熔覆成形技术，通过斜定向叶片堆积和桥接成形，能够有效避免位置干涉问题，使叶片堆积处和桥接处形貌良好。
在专利“一种闭式叶轮电火花加工装置及加工方法”(申请号201611208198.8申请人北京市电加工研究所，发明人李艳伏金娟杨立光郭妍于帆)中，提出多个预加工电极呈圆周排列，预加工电极的数目与待加工闭式叶轮的流道数目相同；且加工时每个预加工电极与待加工闭式叶轮的一个流道入口相对应，解决现有技术中闭式叶轮每个流道单独加工，加工效率低的问题。
电解加工是基于阳极溶解原理并借助于成形阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成形的一种工艺方法。由于其具有不受材料力学性能的影响，不会产生宏观应力，无工具损耗，材料去除率高等优点，电解加工在航空航天、汽车、兵器等领域被广泛应用，尤其在航空发动机整体叶盘类零件的加工制造中，电解加工已经成为整体叶盘类零件加工制造的主要加工工艺之一。
目前，整体叶盘的电解加工工序主要包括两步，叶栅通道粗加工与叶片型面精加工。许多学者和研究人员对整体叶盘叶栅通道的电解加工与整体叶盘叶片型面的电解加工做了大量研究。整体叶盘叶栅通道电解加工方法主要包括套料电解加工、径向进给电解加工与数控电解加工。整体叶盘叶片型面电解加工方法主要通过两个成型阴极的相向进给将叶片型面加工成型。
在专利“整体叶盘电解开槽用电极和整体叶盘电解开槽加工方法”(申请号201410513097.6申请人沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，发明人王德新朱海南于冰盛文娟)中，通过套料电解加工的方式，提高开槽加工后的余量均匀性。
在专利“一种整体叶盘电解开槽加工环形电极及工艺方法”(申请号201210367002.5申请人沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，发明人朱海南杨涧石于冰李伟)中，通过套料电解加工的方式，实现整体叶盘宽弦、大扭角叶型通道开槽的高效加工。
在专利“绝缘屏蔽套料电解加工阴极系统及加工方法”(申请号201710202429.2申请人南京航空航天大学，发明人朱栋胡兴焱朱荻)中，提供了一种绝缘屏蔽套料电解加工阴极系统及加工方法，有效减少杂散电流对工件表面的二次腐蚀，改善己加工型面的表面质量。
在文章“基于叶栅通道可加工性分析的整体叶盘径向电解加工阴极设计及实验”(作者孙伦业、徐正扬、朱荻，中国机械工程，2013年09期)中，提出径向电解加工方法，同时兼顾叶盆、叶背及轮毂型面成形，实现高精度和高效率加工。
在专利“可直线与旋转复合进给的整体叶盘电解加工工具及方法”(申请号201410013249.6申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬张聚臣刘嘉朱栋朱荻)中，提出成型阴极在径向进给加工过程中复合旋转运动，可提高工艺适用性，加工型面扭曲复杂的叶栅通道，提升叶栅通道加工精度与水平。
在专利“空间旋转进给复合工件倾斜摆动整体叶盘电解加工方法”(申请号201410457130.8申请人南京航空航天大学，发明人朱栋谷洲之刘嘉方忠东徐正扬朱荻)中，提出通过工具空间旋转进给复合工件倾斜摆动的方式完成整体叶盘叶栅通道电解加工，显著减小叶栅通道加工的余量差，提高了整体叶盘叶栅通道的加工精度。
在专利“一种非匀速双旋转变加工刃阴极整体叶盘电解加工方法”(申请号201910756930.2申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬王璟朱荻)中，设计阴极的加工刃为变宽度加工刃，驱动其按仿真轨迹单向变速旋转径向进给；驱动毛坯按仿真优化的参数协同阴极变向变速旋转，在毛坯上形成叶栅通道，提高加工余量分布均匀性。
在专利“一种电解加工大扭曲叶片整体叶盘的内腔可变工具阴极”(申请号201910326896.5申请人安徽理工大学，发明人孙伦业陈浩王晖)中，提出了电解加工大扭曲叶片整体叶盘的内腔的可变工具阴极，用于加工大扭曲变截面整体叶盘叶片。
在专利“一种整体叶盘电解加工方法”(申请号201811128151.X申请人中国航空制造技术研究院，发明人黄明涛张明岐程小元傅军英)中，提出利用工具阴极径向进给加工出叶栅通道后，驱动整体叶盘顺时针、逆时针旋转，靠近工具阴极进行电解精加工。
在文章“大直径整体叶轮分步法电解加工工艺与试验”(作者王福元徐家文赵建社，航空学报，2010年12期)中，提出分步法数控电解加工，把叶片加工分为加工叶盆、叶背、叶根3道工序，进行电解加工。
在专利“多电极螺旋进给整体叶轮叶间流道电解加工方法”(申请号200910025834.7申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐庆徐正扬)中，通过工具阴极与工件阳极间的多维插补运动，利用简单形状的管状电极加工出叶栅通道。
在专利“基于三维复合流场的整体叶盘型面电解加工装置及方法”(申请号201310453440.8申请人南京航空航天大学，发明人刘嘉万龙凯徐正扬朱栋)中，提出的三维复合流场有效提高了流道突变区域流体的压力，改善了流场的可达性，同时该电解加工装置保证了电解液流场的稳定性，防止电解液外泄，隔离外部干扰，实现了整体叶盘型面的稳定加工。
整体叶盘分为开式整体叶盘与闭式整体叶盘，其中又可细分为轴流式、导向式、离心式整体叶盘等多个种类，这对电解加工方法及设备提出了更高的要求。对于叶片型面扭曲复杂的整体叶盘，相对应其电解加工阴极的设计也较为复杂，如果可以简化阴极的设计，通过简单形状的阴极加工复杂的型面并同时能保证加工精度，无疑将大幅提高整体叶盘的电解加工效率，缩短准备周期，减少加工成本。因此，本发明提出一种柔性电极动态变形电解加工方法。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于简化阴极设计，通过简单形状的电极，加工如闭式整体叶盘的复杂型面，提高电解加工效率，保证加工精度，提供一种柔性电极动态变形电解加工方法及应用。
技术方案：
一种柔性电极动态变形电解加工方法，其特征在于包括以下过程：
采用耐腐蚀性好，且具有一定刚性，但在施加相应载荷时可以弯曲变形，移除载荷时变形恢复的管状或棒状金属作为电解加工的工具电极。在加工如闭式整体叶盘的复杂型面时，工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电解加工。在加工过程中，根据工件型面的曲率变化特点，通过施加不同的载荷，使得工具电极在进给的同时发生动态变形，其变形后的形状近似于工件型面线的数学模型，从而使得加工出的工件型面接近理想型面。
上述柔性电极的动态变形，其特征在于包括以下过程：
步骤1、根据加工工件的标准型面采样数据，建立柔性电极变形曲率与工件型面曲率的关系，数学模型建立过程如下：
步骤1-1、针对所加工工件型面进行采样，应用cosθ法对其电解加工成型规律进行研究，并对实际加工间隙内复杂的电场做简化和近似处理，主要基于下列假设：
(1)沿着电流线方向电位梯度不变，即在同一电流线上电场强度相同；
(2)从阳极等位面开始，到阴极等位面为止，电位逐渐减小，等位面与电流线正交；
(3)加工间隙内电解液电导率κ均匀分布；
步骤1-2、简化近似处理后，根据欧姆定律、法拉第定律等电解加工基本原理，得到有关成型规律的方程组：
UR＝U-δE
va＝ηωi
式中：UR为间隙电解液中的电压降；U为阴、阳极之间的电压；8E为阴、阳极电极电位值总和；i为电流密度；κ为电解液电导率；Δ为加工间隙；va为工件电解速度；η为电流效率；ω为体积电化当量；
步骤1-3、当电解加工达到平衡状态时，电场参数不再随时间变化，而只是空间位置的函数，即间隙电场为稳恒电场；根据欧姆定律和法拉第定律建立起有关工件电解速度va的基本方程：va＝v cosθ，联立方程组，推导出加工间隙Δ的计算公式：
式中：v为阴极进给速度；θ为工件型面法线方向与阴极进给方向的夹角；Δb为平衡加工间隙；
步骤1-4、本发明中工具阴极为细长型管状或棒状电极，进行扫掠式电解加工，故此可将工具阴极简化为一条二维曲线，曲线的扫掠过程即为加工的工件型面。所以在柔性电极动态变形过程中，柔性电极(阴极)各点与对应的工件型面采样点的坐标关系为：
x＝xa-Δcosα
y＝ya-Δcosβ
式中：x与y为工具阴极型面上某点坐标值，xa与ya为对应的工件型面采样点的坐标值，α和β分别为工件型面采样点与坐标轴X和Y的夹角；
步骤1-5、将获得的工具阴极型面的坐标值进行多项式拟合，得到y与x的函数关系：
式中：K是多项式的阶数，t0...tK是多项式的系数，记作T；
步骤1-6、根据曲率公式与步骤1-5得到的y与x的函数关系，得出在柔性电极动态变形过程中，柔性电极(阴极)各点的曲率：
式中：y(x)′为y(x，W)的一阶导数，y(x)″为y(x，W)的二阶导数；
步骤2、结合柔性电极变形曲率与所受载荷的关系，可以确定在柔性电极动态变形扫掠式电解加工过程中所需载荷的大小；柔性电极变形曲率与所受载荷的关系通过如下数学模型建立：
步骤2-1、工具阴极安装完成后，可简化为一端固定端约束，一端铰支，长为l的简支梁模型，其边界条件为铰支处约束条件为挠度为0，建立以工具阴极长度方向为X轴，以工具电极截面径向方向为Y轴的坐标系；
步骤2-2、在纯弯曲变形和横力弯曲变形忽略剪切应力的情况下，弯矩与曲率间的关系式为：其中ρ为曲率，M为施加的载荷，E为材料的弹性模量，I为惯性矩，EI为其抗弯刚度；计算可得挠曲线的近似微分方程：其中w为挠度；
步骤2-3、横截面对其原来位置的角位移，称为该截面的转角，根据转角方程：计算得：EIw′＝∫M(x)dx+C，其中γ为转角，w′为挠度的一阶导数，C为积分常数；
步骤2-4、将上式积分可得挠度方程为：进一步化简为：EIw＝∫∫(M(x)dx)dx+Cx+D，其中w为挠度，C，D为积分常数；
步骤2-5、将边界条件代入上式，可得挠度方程为：其中，M为施加的载荷，l为工具电极长度，x为工具电极任一点的横坐标；
步骤2-6、根据曲率公式，得出其在任意点处的曲率为：其中w′为挠度的一阶导数，w″为挠度的二阶导数；
步骤3、根据加工工件的标准型面采样数据建立的柔性电极变形曲率与工件型面的模型，获得加工过程中柔性电极曲率对应工件型面的变化，再由柔性电极变形曲率与所受载荷的关系，获得加工过程中柔性电极所承受载荷的变化；
结合两个模型计算得到施加载荷，使柔性电极在扫掠式加工过程中，实现贴合加工工件标准型面的动态变形。
柔性电极形状为简单的管状或棒状，通过建立柔性电极变形曲率与工件型面曲率的关系以及柔性电极变形曲率与所受载荷的关系，实现柔性电极在扫掠式电解加工中，贴合工件型面的动态变形，使加工后的工件型面更加接近理想型面。简化了阴极设计，提高了复杂型面工件加工的加工效率。
上述柔性电极动态变形电解加工方法，其流场的特征在于：由于工具电极在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，电解液流动形式设计为侧流式，流场为开放式或半封闭式流场，通过外加电解液供液装置，使得电解液沿工具阴极的轴线方向流动。
上述柔性电极动态变形电解加工方法应用于具有变截面型面的零件加工中，其特征在于：安装工具电极与加工工件，合理调整其位置关系，根据所加工的变截面型面零件的曲率变化特点，施加不同的载荷，使得工具电极在扫掠式加工过程中，实现贴合标准型面的动态变形，从而使得加工出的工件型面接近理想型面，完成具有变截面型面的零件加工。
上述柔性电极动态变形电解加工方法应用于具有变截面型面的零件加工中，其特征在于：具体应用于闭式整体叶盘加工中，闭式整体叶盘毛坯按叶片分布位置预先开等叶片数量的直孔，便于工具电极安装；在预穿直孔里，通过柔性电极可控动态变形的扫掠式电解加工方式，加工出闭式整体叶盘的复杂扭曲通道。
上述柔性电极动态变形电解加工方法应用于具有变截面型面的零件加工中，其特征在于：具体应用于闭式整体叶盘叶栅通道电解加工，其特征在于：工具电极(2)通过阴极夹持轴(1)连接在加工轴上，通过加工轴的空间运动带动工具电极(2)运动，并施加相应载荷；闭式整体叶盘加工工件(3)安装于工件旋转台(4)上，通过工件旋转台(4)带动闭式整体叶盘加工工件(3)旋转运动；通过工具电极(2)与闭式整体叶盘加工工件(3)的复合运动，控制电解加工间隙，实现以工具电极(2)侧壁作为加工面，沿工件复杂型面表面进行的扫掠式电解加工。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点。
(1)提供了一种柔性电极动态变形电解加工方法。选择耐腐蚀性好，具有一定刚性，在施加相应载荷时可以产生弯曲变形的金属材料，制成细长形的管状或棒状柔性工具电极，在加工时，工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电解加工，根据工件型面的曲率变化特点，施加不同的载荷，使得工具电极在进给的同时产生动态变形，从而实现如闭式整体叶盘等具有变截面的复杂型面零件的电解加工。
(2)提供了一种闭式整体叶盘的电解加工方法。将柔性电极动态变形电解加工应用于闭式整体叶盘的加工中。闭式整体叶盘毛坯按叶片分布位置预先开等叶片数量的直孔，便于柔性电极穿过直孔安装；在预穿直孔里，通过柔性电极可控动态变形的扫掠式电解加工方式，加工出闭式整体叶盘的复杂扭曲通道。
(3)工具电极的柔性好，其动态变形可以保证加工精度。本发明所设计的阴极选择耐腐蚀性好，具有一定刚性与延展性的金属材料，在施加相应载荷时可以产生弯曲变形，当移除载荷时，工具电极回弹，变形恢复。在加工过程中，根据工件型面不同位置处的曲率变化特点，施加不同的载荷，使得工具电极在进给过程中的不同位置产生相应的动态变形，从而使得加工出的工件型面更加接近理想型面，保证加工精度。
(4)简化阴极设计，阴极加工简单易得。本发明所设计的阴极形状为细长形管状或棒状，与套料电解加工及径向进给电解加工相比，阴极设计简单，制作容易，阴极损坏后更换方便，缩短了阴极制作周期，降低时间成本，提高加工效率。
(5)适用范围广，既可加工叶片型面简单的等截面叶片，也可加工叶片型面复杂的变截面叶片。本发明的阴极是可柔性变形的细长形管状或棒状工具电极，根据加工工件型面的不同，可根据其型面曲率变化特点，施加不同载荷，使工具电极产生不同的变形，从而进行电解加工。此外，柔性电极直径可以尽可能减小，从而保证狭窄通道的加工需求。
附图说明
图1为cosθ法的电解加工成型规律示意图；
图2为工具阴极坐标系建立示意图；
图3为初始位置电解加工原理示意图；
图4为加工时电解加工原理示意图；
图5为柔性电极变形原理示意图；
图中标号名称：1、阴极夹持轴，2、工具电极，3、闭式整体叶盘加工工件，4、工件旋转台。
具体实施方式
下面结合附图以闭式整体叶盘叶栅通道电解加工为例对本发明的具体实施过程做详细介绍。
如图3所示，以闭式整体叶盘叶栅通道电解加工为例，实施本发明“一种柔性电极动态变形电解加工方法”的装置主要由阴极夹持轴1，工具电极2，闭式整体叶盘加工工件3，工件旋转台4组成。
本发明的运动形式如图4所示，工具电极2通过阴极夹持轴1连接在加工轴上，通过加工轴的空间运动带动工具电极2运动，同时施加相应载荷；闭式整体叶盘加工工件3安装于工件旋转台4上，通过工件旋转台4带动闭式整体叶盘加工工件3旋转运动；通过工具电极2与闭式整体叶盘加工工件3的复合运动，控制电解加工间隙，实现以工具电极2侧壁作为加工面，沿工件复杂型面表面进行的扫掠式电解加工。
本发明的工具电极2的制备。工具电极2选择耐腐蚀性好，具有一定刚性与延展性的金属材料，在施加相应载荷时可以产生弯曲变形，当移除载荷时，工具电极回弹，变形恢复，其形状为细长型的管状或棒状。
本发明的闭式整体叶盘加工工件3的制备。闭式整体叶盘加工工件3，电解加工前，需先通过机械加工方法开等叶片数量的通孔，通孔的宽度应大于工具电极2的直径。
由于工具阴极在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，本发明电解液流动形式设计为侧流式，流场为开放式流场，即外加电解液供液装置，电解液沿工具阴极的轴线方向流动。
采用本发明电解加工闭式整体叶盘叶栅通道的过程需要以下十个步骤。
步骤一：将闭式整体叶盘加工工件3安装在工件转台4上，闭式整体叶盘加工工件3接电解加工电源正极；
步骤二：两个阴极夹持轴1竖直安装在可以实现多轴联动的加工轴上，加工轴连接电解加工电源负极；
步骤三：通过加工轴的运动移动两个阴极夹持轴1，使得阴极夹持轴轴线与闭式整体叶盘加工工件3所开的某个直孔重合，呈现“阴极夹持轴1—闭式整体叶盘加工工件3—阴极夹持轴1”的“上—中—下”的形式；
步骤四：工具电极2穿过闭式整体叶盘加工工件3的通孔，两端分别与两个阴极夹持轴1连接，连接时，工具电极2下端为固定端约束，上端为铰支约束；
步骤五：对前面安装的零部件的位置进行检测和校对；
步骤六：通过加工轴和工件转台4的相对运动，使工具电极2移动至叶栅通道叶盆处的初始位置；
步骤七：加工轴在设定叶盆面参数下进给，施加初始载荷，工具电极2产生相应弯曲变形达到预定初始形状；
步骤八：通入电解液，接通电解加工电源，工具电极2在加工轴的带动下沿闭式整体叶盘加工工件3的径向运动，同时加工轴在设定叶盆面参数下，向工具电极2施加载荷，使工具电极2产生动态变形，闭式整体叶盘加工工件3在工件转台4的带动下转动，从而产生复合运动，最终完成叶栅通道叶盆面的加工；
步骤九：叶盆面加工结束，断开电解加工电源，停止电解液供液，移除载荷，工具电极2变形恢复并移动至叶栅通道叶背处，加工轴在设定叶背面参数下，向工具电极2施加初始载荷，工具电极2产生相应弯曲变形达到预定初始形状；通入电解液，接通电解加工电源，工具电极2在加工轴的带动下沿闭式整体叶盘加工工件3径向运动，同时加工轴在设定叶背面参数下，向工具电极2施加载荷，使工具电极2产生动态变形，闭式整体叶盘加工工件3在工件转台4的带动下转动，从而产生复合运动，最终完成叶栅通道叶背面的加工；
步骤十：加工结束，断开电解加工电源，停止电解液供液，移除载荷，工具电极2变形恢复并换至下一直孔，依序循环以上步骤，直至闭式整体叶盘加工工件3的所有叶栅通道电解加工完成。
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