一种整体叶盘叶片电解精加工成形装置及其整体叶盘叶片加工成形方法

技术领域

本发明涉及一种用于航空发动机自由曲面整体叶盘叶片电解精加工的成型装置及其加工 成型方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

航空发动机中使用整体叶盘是世界航空发动机技术的发展趋势，为了扩大整体叶盘在航 空发动机中的应用首先要解决整体叶盘的制造难题。目前我国的航空发动机运用的整体叶盘 数量较少，不能广泛使用的主要原因在于整体叶盘的制造技术仍然没有解决。航空发动机整 体叶盘制造难点在于叶片的复杂型面、较高的加工精度和表面质量要求，极高的叶片加工一 致性，叶片加工变形以及采用的材料。整体叶盘叶片表面多为自由曲面、加工精度通常要求 在±0.05～0.1mm之间，表面粗糙度一般要求为Ra0.3～0.5μm，叶片最薄处约为1～2mm， 有些叶片甚至更薄，材料多为高温合金或钛合金。在加工形状上若是加工平面、圆柱面等表 面达到这样的加工精度比较容易实现，但在加工自由曲面上要达到这样的加工要求比较困难。 在加工材料方面即使采用普通的切削加工方法加工高温合金或钛合金材料也比较困难，对于 高温合金或钛合金制造的航空发动机自由曲面整体叶盘，由于加工中刀具运动空间受到了限 制要使叶片达到这样的加工精度就更加困难，因此航空发动机整体叶盘加工在全世界范围内 都是一个难题。

整体叶盘叶片电解加工技术在国内外进行了多年实践，从应用情况来看，在加工精度与 加工范围上仍然存在诸多不足之处。由于航空发动机整体叶盘的叶片形状多为自由曲面，过 去采用的电解加工工艺在加工精度、表面质量上难以达到加工要求，就需要对整体叶盘电解 加工工艺作进一步研究。目前单个独立叶片的加工主要采用拷贝式电解成形加工工艺，而整 体叶盘叶片的加工主要采用数控展成电解加工成形工艺，但在加工自由曲面或扭曲度大的叶 片时加工精度不高，现在这种方法主要用于直纹面整体叶盘叶片加工。为了提高整体叶盘叶 片电解加工精度，过去也尝试采用数控电解磨削复合加工工艺、振动与脉冲电源加工等方法， 在一定程度上提高了叶片加工精度，但仍然达不到叶片精度要求。

因此，在自由曲面整体叶盘叶片电解加工方法上，需要对电解加工工艺及装置进行研究 与开发，进一步提高自由曲面叶片型面的加工精度，解决航空发动机整体叶盘的加工难题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种设计合理、可操作性强， 加工效率高，尤其是加工精度高，能很好的实现自由曲面整体叶盘叶片精加工，能满足航空 发动机整体叶盘叶片加工精度要求的自由曲面整体叶盘叶片电解精加工的成型装置；本发明 另一个目的是提供整体叶盘叶片的加工成型方法。

技术方案：为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种整体叶盘叶片电解精加工成形装置，它包括五轴四联动电解加工机床，安装在五轴 四联动电解加工机床上的叶片加工的成形阴极，与五轴四联动电解加工机床相连的智能脉冲 电源和控制系统，与叶片加工的成形阴极相连的电解液输送装置；

所述的五轴四联动电解加工机床包括机床床身，安装在机床床身上的Y轴滑台，安装在 Y轴滑台上的Y轴，安装在Y轴滑台上部的X轴滑台，安装在X轴滑台上的X轴，安装在X 轴滑台上部的整体叶盘，安装在整体叶盘上的回转工作台，安装在回转工作台内的C轴，安 装在机床床身上的机床立柱，安装在机床立柱上的Z轴，所述的Z轴上安装有Z轴立柱，Z 轴立柱的另一端上安装有A轴，所述的A轴一端安装有叶片电解精加工成形阴极，所述的X、 Y、Z轴为直线轴，A轴2与C轴6为回转轴，其中任意四轴可联动。

所述的叶片电解精加工成形阴极为一种半开式结构的成形阴极，它包括连接杆，与连接 杆相连的积液腔盖和积液腔体，所述的积液腔体的一端上安装有前导流板，上盖板，下盖板， 安装在上盖板下方的补液板，安装在上盖板和下盖板之间的成形电极，所述的积液腔体前端 开设有主进液引流缝和补液引流缝；

其中电解液从电解液输送装置通过连接杆输入到积液腔进行存储，在积液腔前端开设两 条引流缝，一条为主进液引流缝、另一条为补液引流缝，作为优选方案，主进液引流缝和补 液引流缝的宽度为0.8～1mm，其形状为阴极外缘轮廓切线与积液腔体前表面的交线，电解液 主要通过主导流缝进入导流区，它由前导流板、上盖板、下盖板组成，导流区的宽度与导流 缝相同，电解液经过导流区进入由成形部件、上盖板、下盖板以及加工表面围成的加工间隙 中；另一部分电解液通过补液引流缝进入开设在补液板中的补液腔，从上部对加工间隙进行 补液，它与主电解液一起形成一个稳定加工流场。作为优选方案，电解液进入积液腔的进口 压力大于0.7MPa，加工区域的电解液流速大于15m/s。

所述的控制系统包括控制柜，安装在控制柜内的五轴数控系统和一体化工业控制计算机， 所述的一体化工业控制计算机上安装有电解加工控制软件；

所述的智能脉冲电源包括脉冲电源和电源控制器。

作为优选方案，以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形装置，所述的电解加工控制软 件包括整体叶盘叶片电解加工自动控制软件与电解加工仿真软件；其中整体叶盘叶片电解加 工自动控制软件包括主控制系统和由运动控制、加工电流检测与控制、电解液温度与压力检 测与控制组成的子系统。其中电解加工仿真软件用于产生成形阴极的进入叶间通道的运动路 径。

本发明提供的一种整体叶盘叶片电解精加工成形的方法，包括成形阴极进入叶间通道路 径的确定、加工进给角度及速度的选择和加工过程控制；

首先将电解加工成形阴极安装在五轴电解加工机床的A回转轴上，然后将粗加工后的整 体叶轮安装在C回转轴上，通过一体化工业控制计算机上的电解加工控制软件生成的成型阴 极运动路径、运动角度与运动速度，然后控制五轴电解加工机床上的X轴、Y轴、Z轴，A回 转轴与C回转轴五轴运动，使成形阴极进入整体叶盘叶间通道，到达预定的加工位置，再根 据进给角度α_f控制成形阴极的进给运动，加工制备得到精度高的整体叶盘叶片。

作为优选方案，以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形的方法，所述的整体叶盘叶片 精加工中成形阴极的进给运动采用两方向进给，通过X、Y轴进给运动，合成阴极的进给角度 α_f，所述的进给角度α_f满足以下条件：

(Ⅰ)α_o＜α_f＜α_e;(Ⅱ)|θ_min-α_f|≤45°;（Ⅲ）min(|θ_min-α_f|)，其中α_o、α_e分别为叶片叶根圆 处的最大与最小切向夹角，θ_min为在整体叶盘径向截面内的最优进给角。

在叶间通道加工后，精加工的余量主要分布在叶片的叶尖与叶根两端，即两端大中间小， 一般来说利用成形阴极加工要求加工余量尽可能均匀，如果加工余量不均会影响叶片型面的 整平效果，从而影响型面的加工精度。本发明通过大量实验筛选，采用斜方向进给有利于叶 片叶顶与叶根两端大余量的清除，加工时阴极先去除叶顶与叶根的加工余量，而后才加工到 中间部分的余量，经过一段时间加工后，叶片的加工余量逐步趋向均匀，到加工结束时叶片 型面上的加工余量分布相对均匀，有利于提高叶片的加工精度，另外斜向进给叶片的电解加 工过程与锥形孔的电解扩孔相似，进给速度受到端面加工间隙的影响小，因此可以提高加工 的进给速度，从而可提高叶片加工效率。

作为优选方案，以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形的方法，所述的成形阴极3的 运动速度为0.1～0.2mm/min。

以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形的方法，成形阴极的外形与叶片的运动路径根 据叶片形状、成形阴极形状以及机床运动坐标轴配置形式，运用整体叶盘电解加工仿真系统 进行设计，在有限的整体叶盘叶间通道中通过对成形阴极外形修改，结合叶间通道的大小确 定阴成形极的运动路径。

有益效果：本发明提供的整体叶盘叶片电解精加工成形装置及其加工成型方法和现有技 术相比具有以下优点：

1、本发明提供的整体叶盘叶片电解精加工成形装置，结构设计合理，加工精度高，很好 的实现自由曲面整体叶盘叶片精加工，能满足航空发动机整体叶盘叶片加工精度要求

2、本发明采用半开式电解成形阴极加工装置，结构设计合理，在成形阴极加工装置中对 叶片流场的流动性能进行了引导与控制，使电解液以一定的流速引入到加工间隙，又可满足 成形阴极与叶片之间相对运动需要，使复杂叶片的电解成形加工得以实现。

在成形阴极的成型面设计中，根据叶片型面对成形阴极上的对应的成形面，通过大量实 验完善，可减小成形阴极型面对叶片表面加工精度的影响，提高叶片的加工精度。

阴极的运动角度根据叶片的形状与叶根圆确定，通过大量实验优化运动角度，优化减小 叶片型面法线与进给方向之间的夹角形成的加工间隙不均现象，提高叶片的加工精度。

并通过大量实验筛选，对成形阴极运动与机床运动进行合理有效的分配，加工所需的旋 转运动通过回转工作台带动叶盘旋转生成，同时整体叶盘还做X与Y轴的直线运动。成形阴 极在机床带动下能够实现Z轴直线运动与A轴旋转运动，在机床五个轴的运动下可实现成形 阴极进入叶间通道，达到预定的加工位置，加工效率高，加工制备得到的整体叶盘叶片精度 高。

附图说明

图1为本发明提供的整体叶盘叶片电解精加工成形装置的结构示意图。

图2为本发明提供的整体叶盘叶片电解精加工成形装置中的叶片加工成形阴极的结构示 意图。

图3为本发明提供的整体叶盘叶片电解精加工成形装置中的叶片加工成形阴极的结构示 意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形 式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

如图1至图3所示，一种整体叶盘叶片电解精加工成形装置，它包括五轴四联动电解加 工机床，安装在五轴四联动电解加工机床上的叶片加工的成形阴极，与五轴四联动电解加工 机床相连的智能脉冲电源和控制系统，与叶片加工的成形阴极相连的电解液输送装置；

所述的五轴四联动电解加工机床包括机床床身(1)，安装在机床床身(1)上的Y轴滑台 (2)，安装在Y轴滑台(2)上的Y轴，安装在Y轴滑台(2)上部的X轴滑台(3)，安装在X轴滑 台(3)上的X轴，安装在X轴滑台(3)上部的整体叶盘(4)，安装在整体叶盘(4)上的回转工作 台(5)，安装在回转工作台(5)内的C轴(6)，安装在机床床身(1)上的机床立柱(7)，安装在机 床立柱(7)上的Z轴，所述的Z轴上安装有Z轴立柱(8)，Z轴立柱(8)的另一端上安装有A轴 (9)，所述的A轴(9)一端安装有叶片电解精加工成形阴极(10)，所述的X、Y、Z轴为直线轴， A轴(9)与C轴(6)为回转轴，其中任意四轴可联动；

所述的叶片电解精加工成形阴极(10)为一种半开式结构的成形阴极，它包括连接杆（11）， 与连接杆（11）相连的积液腔盖（12）和积液腔体（13），所述的积液腔体（13）的一端上安 装有前导流板（14），上盖板（15），下盖板（16），安装在上盖板（15）下方的补液板（17）， 安装在上盖板（15）和下盖板（16）之间的成形电极（18），所述的积液腔体（13）前端开设 有主进液引流缝（19）和补液引流缝（20）；

所述的控制系统包括控制柜（21），安装在控制柜（21）内的五轴数控系统（22）和一体 化工业控制计算机（23），所述的一体化工业控制计算机（23）上安装有电解加工控制软件；

所述的智能脉冲电源包括脉冲电源（24）和电源控制器（25）。

以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形装置，所述的主进液引流缝（19）和补液引流 缝（20）的宽度为0.8～1mm。

以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形装置，所述的电解加工控制软件包括整体叶盘 叶片电解加工自动控制软件与电解加工仿真软件；其中整体叶盘叶片电解加工自动控制软件 包括主控制系统和由运动控制、加工电流检测与控制、电解液温度与压力检测与控制组成的 子系统。

以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形装置，电解液进入积液腔体（13）的进口压力 大于0.7MPa，加工区域的电解液流速大于15m/s。

实施例2

一种整体叶盘叶片电解精加工成形的方法，包括成形阴极进入叶间通道路径的确定、加 工进给角度及速度的选择和加工过程控制；

首先将电解精加工成形阴极(10)安装在五轴电解加工机床的A轴(9)上，然后将粗加工后 的整体叶轮安装在C轴(6)上，通过一体化工业控制计算机（23）上的电解加工控制软件生成 的电解精加工成形阴极(10)的运动路径、运动角度与运动速度，然后控制五轴电解加工机床 上的X轴、Y轴、Z轴，A轴(9)与C轴(6)五轴运动，使电解精加工成形阴极(10)进入整体叶 盘叶间通道，到达预定的加工位置，再根据进给角度α_f控制成形阴极(10)的进给运动，所述 的成形阴极(10)的运动速度为0.1～0.2mm/min，加工制备得到精度高的整体叶盘叶片。

以上所述的整体叶盘叶片电解精加工成形的方法，所述的整体叶盘叶片精加工中成形阴 极(10)的进给运动采用两方向进给，通过X、Y轴进给运动，合成成形阴极(10)的进给角度α_f， 所述的进给角度α_f满足以下条件：

(Ⅰ)α_o＜α_f＜α_e;(Ⅱ)|θ_min-α_f|≤45°;（Ⅲ）min(|θ_min-α_f|)，其中α_o、α_e分别为叶片叶根圆 处的最大与最小切向夹角，θ_min为在整体叶盘径向截面内的最优进给角。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明 的保护范围。