葉片加工中主動控制式電解液流動方法及電解液循環系統的製作方法

2023-06-18 14:38:31 1

專利名稱：葉片加工中主動控制式電解液流動方法及電解液循環系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種葉片加工中主動控制式電解液流動方法及電解液循環系統， 屬於電解加工技術領域。
背景技術：
電解加工是一種特種加工技術，它是利用電化學陽極溶解原理去除材料的加 工方法。其具有加工速度快，表面質量好，工具無損耗，不受材料強度、韌性、 硬度等限制以及無宏觀切削力等突出優點，在航空航天、兵器、汽車、模具等行 業中得到了廣泛的應用。尤其在航空發動機葉片的製造過程中，葉片材料不斷向 高強度、高硬度、高韌性方向發展，以及鈦合金和高溫耐熱合金等新材料的應用， 使得葉片的製造更加困難，電解加工技術由此更加顯示出其優越性。然而，電解 加工技術也存在著一些缺點，由於電解加工的陽極溶解過程處於電場、流場、電 化學等多種作用之中，多項參數相互耦合，加工狀態十分複雜，且存在雜散腐蝕 等現象，電解加工的加工精度有待提高。葉片是航空發動機的關鍵零件之一，其形狀越來越複雜，出現了超薄、扭曲、 低展弦比葉片，且加工精度和表面質量要求高，所以對電解加工設備，包括工具機、 夾具等也提出了更高的要求。國內外一直致力於提高葉片電解加工精度和表面質 量方面的研究。電解加工過程中電解液起到了非常重要的作用，只有電解液的存在，工件和 工具之間才能發生電解反應，從而蝕除工件材料。同時高速流動的電解液還起到 帶走電解產物和電解熱的作用。如果電解液流場不穩定、流動不均勻，或者局部 存在缺液、空穴、分離等流動問題，將會嚴重影響電解加工的穩定性，甚至造成 短路燒傷等缺陷的發生，也會對加工精度和表面質量產生很大影響，特別是對葉 片這樣型面扭曲程度大，加工精度要求高的零部件，電解液的流動問題就顯得尤為重要了，因此研究合理有效的電解液流動方式是十分必要的。在以往的葉片電解加工過程中，通常採用葉盆、葉背處電解液不分開流動的 方式，即電解液從葉身進氣(或排氣)邊流入,從排氣(或進氣)邊流出，該方式存 在一些問題。特別是對採用方料毛坯進行加工時，問題更加突出。這些問題主要 包括了以下幾點(1) 當電解液高速(約15-60m/s)進入流道，會被進氣(或排氣)邊切分成兩 股液流，由於毛坯較厚(約6-9mm)而加工間隙很小(約0. 2-0. 3mm )，整個流道基 本被毛坯所佔據，大部分電解液通過撞擊毛坯側面而被分開，有的液流撞擊在毛 坯上反彈回來，又被後面的液流擠壓，重新撞擊在毛坯表面，因此流場在該處非 常紊亂，造成加工過程不穩定，加工間隙不均勻，影響加工精度，甚至會引起短 路等意外情況發生。(2) 加工間隙中流過的電解液通常為高壓高速，壓力一般為0.5-1. OMpa,流速 為15-60m/s。這些高速高壓的電解液隨機性地撞擊毛坯單側，將會引起毛坯的 振動，導致加工精度降低，加工過程不穩定。(3) 釆用傳統的匯聚式流動，電解液被毛坯分成兩股液流，這種切分是一種被動 式的分開，各自流經葉盆和葉背的流量無法控制，流場分布的可控性較差，每次 加工過程中流經葉盆、葉背的流量也不會相同，必然造成重複精度的降低。有鑑 於上述缺點，傳統的流動方法並不能很好符合葉片加工的需要。在此基礎上，有研究者提到了從葉尖進液的流動方式(參見史先傳，朱荻,李 志永.三軸進給的葉片電解加工研究.華南理工大學學報(自然科學 版)，2004 (7): 70-73),使得電解液先流過葉尖，再流過葉身、緣板、然後從緣 板兩側流出。這種方法雖然改變了電解液的流動方式，但其與傳統的方法相比， 仍有很大的相似之處，即電解液在進口處依然是匯聚在一起，然後被毛坯分成兩 股液流，且這種切分依然是一種被動式的分開，流經葉盆和葉背的流量依然無法 控制，流場分布的可控性較差。且大量的電解液依然是撞擊在毛坯表面，流場依 然非常雜亂、並造成毛坯的振動。從另一個角度考慮，通常電解液在流入加工區初期流場較紊亂，穩定性差， 會對加工精度和表面質量產生影響，因此將葉片精度要求相對較低的部分放在靠 近進液口處先接觸電解液較為合適。葉片各部分中，對緣板的精度要求比對葉身 的要求低，電解液應先流經緣板，再流過葉身，當流經葉身部位時，流場已相對 均勻穩定，有助於葉身處加工精度的提高。因此從該角度考慮，採用葉尖進液的 方式也並不合適。電解加工中，目前葉片電解加工過程中，電解液是被動分流，即電解液被毛 坯切分成葉盆、葉背兩股液流，所以尚沒有關於精確設定兩股流道中電解液流量 和流速的研究。由於電解液的流速對於加工過程起到很大的作用，其變化會導致 電解液的溫升、氣泡率的變化以及電解產物的排出，溫升和氣泡率的變化又會引 起電解液電導率的波動，而電導率又和加工間隙緊密聯繫，引起加工間隙在加工 過程中的不斷改變，從而最終影響加工精度這一葉片加工的最重要指標。因此控 制流經葉盆、葉背的電解液流速，是提高加工精度，穩定加工過程的有效手段， 但以往加工中由於被動的分流方式，使得每次加工時分別流過葉盆、葉背流道的 流量均產生波動，也就無法準確地控制電解液流速。同時葉片的葉盆、葉背型面 扭曲程度不同，型面造型有所差異，因此其流道的形狀和大小也不相同，要使得 兩股流道中的電解液流速均句一致，就要分別依據其流道大小和形狀對流量進行 調節，原有的被動分流方式顯然無法對葉盆、葉背的流量進行分別控制。在已有的研究中，有的研究者提出了進液處採用兩股流道的方法(三頭柔性 進給葉片電解加工夾具申請號200610040555.4公開號CN1857858)，釆用該 方法可以使得電解液在大部分區域裡分開流動，改變了以往在進口處電解液被動 分開的方式，有助於改善流場，消除流場雜亂現象，提高加工精度。但在出液口 處電解液依然是匯聚在一起流出，這樣造成出口處的流場雜亂無章，流場變化較 大，不利於提高葉片在出液口部位的加工精度和表面質量。同時由於進液和出液 處流場不同(進口為兩股流道，出口為單股流道)，因此電解液的流動方向被限 定，無法依據不同葉片以及葉片不同部位的加工需要作出合理調節，也不能消除電解液的狀態由於隨著流程變化而使得前後加工精度和效果不一致的問題。因此 流動方式的適應性和柔性較弱，故需要研究合理有效的電解液流動方法。發明內容本發明的目的在於滿足葉片電解加工技術的需要，克服葉片電解加工中電解 液流動不均句，大量液體撞擊毛坯造成加工區域流場雜亂，毛坯振動，流經葉盆、 葉背的流量無法主動控制，流動方向無法改變，適應性和柔性較弱等問題，以提 高葉片的加工精度和表面質量為目標，提供一種可以精確控制葉盆、葉背的流量、 流場狀態穩定且均勻、適應面更加廣泛的的葉片加工中主動控制式電解液流動方 法及電解液循環系統。一種葉片加工中主動控制式電解液流動方法，其特徵在於整個葉片加工區域被葉片分隔成葉盆加工區和葉背加工區；採用了主動分流方法，即分成葉盆加工電解液流道和葉背加工電解液流道兩股相互獨立的流道，兩個流道分別設有相 互獨立的進液口、出液口。 這樣，電解液在流動過程中完全在各自的流道裡運 動，消除了原有的在進液口 (或出液口)處電解液的匯聚，這樣做有助於減少或 消除匯聚的電解液所造成的流場雜亂、不均等現象。還可以根據需要，採用進液和出液口互換的方法實現變流向流動。由於在進 液口和出液口均設置了分流裝置，使得進液或出液口可以互換，且均可實現電解液在加工區域分開流動的效果。這樣在單次加工過程中，可以實時變換電解液的 流向。電解液沿流程流動時，由於電解反應的發生，其狀態(如溫度、氣泡率等 參數)發生了變化，對葉片的不同加工部位會產生影響，而釆用了換向流動的方 式，這樣的影響就相互抵消了，有助於提高電解加工的成型精度。且該方式也更 適應不同葉片及葉片不同部位的加工需要，當需要採用不同流向時，可以不必重 新設計夾具等設備，僅僅通過換向裝置調節流向即可實現所需要求，且互換後依 然可以保持葉盆、葉背的分流和均流狀態，因此提高了該流動方式的適應性和柔 性。另外，還可以根據需要，使葉盆加工電解液流道和葉背加工電解液流道流量分別設定，流量大小分別根據葉盆、葉背的流道截面積大小確定。這樣使得分別 流經葉盆、葉背流道的電解液流速和流量保持穩定，消除了原有流動中隨機性分 流導致的流量不均現象。葉盆、葉背流道中流量和流速的設定依據如下(a) 、葉盆、葉背流道截面積相似時，兩股流道中的電解液流量一致，即 Qft= Q背；(b) 、由於葉盆、葉背曲面均為空間曲面，且不完全相同，因此加工區域中 兩股流道的截面積是不斷變化的，若葉盆、葉背流道的截面積相差較大，則兩者 的流量也可分別調節，電解液流量之比可通過計算兩股流道在加工區域的體積比 得到。由於葉盆、葉背為空間曲面，則兩股流道在加工區域的體積分別為「盆=JjJ/(x,y,z)血^fy(iz ， F背=jjjg(x,y,z)血fify(iz 。其中/(3c,;;^, g(3c,乂^分別為葉盆、葉背的型面方程。故Q盆/Qf ^盆/ F背一種葉片加工中主動控制式電解液循環系統，其特徵在於在工裝夾具內部四周從邊緣伸向加工區域設有4條流道，分別為葉盆加工電解液進入通道、葉盆加工電解液流出通道、葉背加工電解液進入通道、葉背加工電解液流出通道；離心泵一端連接電解液槽、另一端依次連接止回閥、過濾器、電解液換向閥 的A埠，電解液換向閥的B埠分成兩條流量控制支路，分別與葉盆加工電解 液進入通道、葉背加工電解液進入通道相連；葉盆加工電解液流出通道、葉背加工電解液流出通道分別與另兩條流量控制 支路連接，並且這兩條流量控制支路合併後再與電解液換向閥的C埠相連，電 解液換向閥的D埠與電解液槽相連；上述四條流量控制支路均安裝有調節閥、流量計、壓力表； 通過電解液換向閥換向，實現葉盆加工電解液進入通道與葉盆加工電解液流出 通道，葉背加工電解液進入通道與葉背加工電解液流出通道的轉換。


圖l是葉片結構示意圖。圖2是電解液分流裝置示意圖。圖3是電解液均流及換流裝置示意圖。圖l中標號名稱1、葉尖，2、進氣邊，3、葉根，4、榫頭，5、緣板，6、 葉身，7、排氣邊，8、陽極夾具，9、工裝夾具，10、電解液流入(流出)通道， 11、電解液進(出)液口， 12、工具陰極，13、電解液流出(流入)通道，14、葉背， 15、葉盆，16、電解液出(進)液口，17、壓力表，18、流量計，19、調節閥， 20、電解液換向閥，21、電解液流入通道，22、電解液流出通道，23、過濾器， 24、止回閥，25、不鏽鋼離心泵，26、電解液槽。
具體實施方式
如圖l、 2所示，電解液分流裝置包含在工裝夾具9之中，工裝夾具9的主 體部分為環氧樹脂等絕緣材料。在工裝夾具9內部四周有從邊緣伸向加工區域的 4條流道，其兩兩對應，分別為電解液流入(流出)通道10和電解液流出(流入) 通道13,電解液流入(流出)通道10和電解液流出(流入)通道13的端部與4個 電解液的進液或出液口相連，通過電解液的進液或出液口將電解液引入電解液流 入(流出)通道IO和電解液流出(流入)通道13中。如圖3所示，為電解液均流和換向裝置示意圖。包含了 17、壓力表，18、流量 計，19、調節閥，20、電解液換向閥，21、電解液流入通道，22、電解液流出通 道，23、過濾器，24、止回閥，25、不鏽鋼離心泵，26、電解液槽。其中均流裝 置的核心為壓力表17,流量計18,調節閥19;換向裝置的核心為電解液換向閥 20。下面結合圖l、 2、 3,說明本發明方法的具體實施過程 1、參考圖l、 2，圖l所示的葉片安裝在陽極夾具8中，隨陽極夾具8伸入工裝 夾具9中，兩個工具陰極12相向伸入工裝夾具9中，分別加工葉背14和葉盆 15。工裝夾具9兩側分別有4個進(出)液口，其兩兩對應，當電解液進(出)液口 ll作為進液口時，電解液出(進)液口 16則為出液口；反之，當電解液進(出) 液口 ll作為出液口時，電解液出(進)液口 16則為進液口。與此相對應的是，工 裝夾具內部的4條電解液流道分別與相應的通道口匹配，當電解液進(出)液口 ll作為進液口時，電解液流入(流出)通道10即作為進液通道，電解液流出(流 入)通道13即作為出液通道；當電解液出(進)液口 16作為進液口時，電解液流 出(流入)通道13即作為進液通道，而電解液流入(流出)通道IO則作為出液通 道。由於在進液口和出液口均為雙流道流動，這樣葉盆、葉背的流道從進口開始， 直到電解液出口，均被分隔開來，消除了彼此電解液的交錯和幹擾，起到了防止 電解液擾動，穩定流場的作用。同時流道有助於電解液的平滑流動，不會造成電 解液對毛坯的衝擊而產生的振動以及流場雜亂等現象，這也有助於提高葉片加工 的精度和表面質量。參考圖2、 3,可依據葉盆、葉背的流道截面積大小分別設定兩條流道的流 量，使得分別流經葉盆、葉背流道的電解液流速和流量保持穩定，消除了原有流 動中隨機性分流導致的流量不均現象。葉盆、葉背流道中流量和流速的設定的依據如下(a) 、葉盆、葉背流道截面積相似時，兩股流道中的電解液流量一致，即 Q盆- Q背；(b) 、由於葉盆、葉背曲面均為空間曲面，且不完全相同，因此加工區域中 兩股流道的截面積是不斷變化的，若葉盆、葉背流道的截面積相差較大，則兩者 的流量也可分別調節，電解液流量之比可通過計算兩股流道在加工區域的體積比 得到。由於葉盆、葉背為空間曲面，則兩股流道在加工區域的體積分別為其中yrx,乂力,g ,乂力分別為葉盆、葉背的型面方程。 故Q盆/Q背-F盆/ F背計算得出流入葉盆、葉背流道中的電解液的流量和流速，通過調節閩19可 以分別調節葉盆、葉背流道中的電解液流量，使之與計算得到的數據相匹配，相應的數值可以從流量計18和壓力表17中得到。這樣流入葉盆、葉背流道的電解 液可以做到較為精確的控制，避免了以往完全被動的，電解液通過撞擊毛坯側面 而被切分成兩股液流，從而導致流量分布不均的方式，使得葉盆和葉背的流量可 以依據其需要均勻控制，有助於提高加工精度和表面質量。3、參考圖2、 3，通常情況下電解液的流向是從電解液進(出)液口 11電解液流 入(流出)通道10，經過加工區域，從電解液流出(流入)通道13流出電解液出(進) 液口 16，即電解液流向是從葉片的緣板流向葉尖。但某些情況下需要改變電解 液的流向，以均化電解液流動狀態，或者為了滿足葉片不同部分的加工要求，使 得從葉尖流向緣板的方式更加合理時，由於在進液和出液口處均設置了雙流道形 式，則兩個流道就可以通過簡單的換向裝置調換電解液的進口和出口，實現電解 液的變流向流動，且這樣的反向流動依然保證了電解液的分流狀態和均流狀態。 該換向裝置即為電解液換向閥20,通過閥門的通和閉，可以使得電解液的流向 發生改變，更好的適應實際加工中的不同需求，從而提高了該流動方式的適應性 和柔性。
權利要求
1、一種葉片加工中主動控制式電解液流動方法，其特徵在於(1)、整個葉片加工區域被葉片分隔成葉盆加工區和葉背加工區；(2)、採用了主動分流方法，即分成葉盆加工電解液流道和葉背加工電解液流道兩股相互獨立的流道，兩個流道分別設有相互獨立的進液口、出液口。
2、 根據權利要求l所述的葉片加工中主動控制式電解液流動方法，其特徵在於 釆用進液和出液口互換的方法實現變流向流動，並根據加工需要實現交替互換。
3、 根據權利要求1或2所述的葉片加工中主動控制式電解液流動方法，其特徵 在於葉盆加工電解液流道和葉背加工電解液流道流量分別設定，流量大小分別 根據葉盆、葉背的流道截面積大小確定。
4、 一種葉片加工中主動控制式電解液循環系統，其特徵在於在工裝夾具(9)內部四周從邊緣伸向加工區域設有4條流道，分別為葉盆 加工電解液進入通道、葉盆加工電解液流出通道、葉背加工電解液進入通道、葉 背加工電解液流出通道；離心泵(25) —端連接電解液槽(26)、另一端依次連接止回閥(24)、過濾 器(23)、電解液換向閥(20)的A埠，電解液換向閥(20)的B埠分成兩 條流量控制支路，分別與葉盆加工電解液進入通道、葉背加工電解液進入通道相連；葉盆加工電解液流出通道、葉背加工電解液流出通道分別與另兩條流量控制支路連接，並且這兩條流量控制支路合併後再與電解液換向閥(20)的C埠相 連，電解液換向閥(20)的D埠與電解液槽(26)相連；上述四條流量控制支路均安裝有調節閥(19)、流量計(18)、壓力表(17);通過電解液換向閥(20)換向，實現葉盆加工電解液進入通道與葉盆加工電解 液流出通道，葉背加工電解液進入通道與葉背加工電解液流出通道的轉換。
全文摘要
一種葉片加工中主動控制式電解液流動方法及電解液循環系統，屬於電解加工技術領域。該方法特徵在於(1)、整個葉片加工區域被葉片分隔成葉盆加工區和葉背加工區；(2)、採用了主動分流方法，即分成葉盆加工電解液流道和葉背加工電解液流道兩股相互獨立的流道。其電解液循環系統關鍵在於工裝夾具(9)內部四周從邊緣伸向加工區域設有4條流道，每條流道分別與一流量控制管路相連。且該系統還設有電解液換向閥(20)以實現電解液流動方向轉換。本發明能夠使葉片加工中流場更穩定，葉片加工不同部位的流場狀態更均勻，加工精度和表面質量更好。
文檔編號B23H3/10GK101249577SQ20081002045
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者徐正揚, 曲寧松, 棟 朱, 荻 朱 申請人:南京航空航天大學