（机械制造及其自动化专业论文）闭式整体叶轮数控电解加工工艺试验研究.pdf

r ， -，j c 【j f i l ll li ifi 1 iii l rljij 1 。y 18 0 5 1 7 5 n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt e c h n o l o g i c a le x p e r i m e n t s o fn u m e r i c a lc o n t r o l l e de l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g o fc l o s e di n t e g r a li m p e l l e r a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y w a n gj u n a d v i s e db y p r o f e s s o rx uj i a w e n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：王晖 日期：2 o l0 5 ， 1 ) 通过三元流闭式整体叶轮的三维造型，对其叶间气流通道进行分析，提出了多阴极组合 数控电解加丁方案，并根据此方案设计出阴极及其运动轨迹。 2 ) 在电解加上仿真工具上，进行了加工过程仿真，检验阴极型面及其运动轨迹是否符合设 计需求，加工过程是否产生干涉。通过电解加工过程仿真，对阴极及其运动轨迹进行修正，减 少了试验反复次数，缩短了工艺准备时间。 3 ) 通过一系列j ：艺试验优选加工工艺参数，并对阴极型面进行优化处理，使其符合实际加 工应用。针对工艺试验中出现的问题，提出在叶轮毛坯上加上工艺预孔，改善了流场。最终完 成了三元流闭式整体叶轮的数控电解预加工。 关键词：闭式整体叶轮，数控电解加j = ，阴极设计，加工仿真，工艺试验 闭式整体叶轮数控电解加工工艺试验研究 a b s t r a c t n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e de l e c t r i c a lm a c h i n i n gi s an e wm a n u f a c t u r i n gm e t h o dw h i c hc o m b i n e n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e de l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gf n c e c m ) t on u m e r i c a l l yc o n t r o l l e de l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g ( n c e d m ) t h i sm e t h o dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a c h i n i n go fc l o s e d i n t e g r a li m p e l l e rb e c a u s ei th a sn o to n l yt h eh i g hp r o d u c t i v i t yo fn c - e c m ，b u ta l s oh a st h eh i 曲 p r e c i s i o na n dh i g hs t a b i l i z a t i o no fn c e d m i ti su s e dm o r ea n dm o r ei nt h em a c h i n i n go fi m p e l l e r s w h i c hh a v ec o m p l e xp r o f i l ea n dc l o s e ds t r u c t u r e n c e c mi sak e ys t e pt oi n c r e a s et h ep r o f e s s e f f i c i e n c ya n dl o w e rt h ec o s to ft h em a n u f a c t u r i n g t a k i n ga3 d f l o wc l o s e di n t e g r a li m p e l l e ra st h e s t u d yo b j e c t ，t h ee x p e r i m e n t so fn c e c mw e r em a d ei nt h i st h e s i s t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e n d o n e ： 1 ) t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ft h e3 d f l o wc l o s e di m p e l l e rh a sb e e nd o n e b a s e do nt h e m o d e l i n g ，t h ea n a l y s i so ft h ec h a n n e lh a sb e e nd o n e ，a n dt os i m p l i f yt h ed e s i g no ft h ec a t h o d ea n di t s m o v e m e n t s ，t h ew a yo fm a n u f a c t u r i n gb ym u l t ic a t h o d e sw a si n t r o d u c e d t h e s ec a t h o d e sa n dt h e i r m o v e m e n t sh a v eb e e nd e s i g n e d 2 、o nt h eb a s i so ft h em a c h i n i n gm o t i o ns i m u l a t i o nw h i c hw a sa c h i e v e dv i as e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fu qt h ep r o c e s s i n gs i m u l a t i o nh a sb e e nd o n e ，t h ep r o f i l ea n dt h em o v e m e n t so ft h e c a t h o d e sw e r ec h e c k e d ，a n da l s oi tw a sc h e c k e dt h a ti ft h e r ew a sa n yi n t e r f e r e n c ei nt h en c e c m p r o c e s s a n da l o n gw i t ht h es i m u l a t i o n ，t h ec a t h o d ea n di t sm o v e m e n t sw e r em o d i f i e d ，a n dt h et i m e s o ft h ee x p e r i m e n t sw e r el e s s e n e d ，t h et i m eo ft h ep r e p a r i n gw a ss h o r t e n e da l s o 3 ) t h ea p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r es e l e c t e db ys e v e r a le x p e r i m e n t s ，a n dt h ep r o f i l e o ft h ec a t h o d ew e r em o d i f i e do p t i m a l l yt of i tt h em a n u f a c t u r i n gp r a c t i c a l l y i no r d e rt os o l v et h e d i f f i c u l tp r o b l e m si nt h ee x p e r i m e n t s ，t h em e t h o do fd r i l l i n gs o m ef a b r i c a t i o nh o l e sb e f o r en c e c m w a sp r o p o s e da n di ti m p r o v e dt h es t a b i l i t yo ft h ef l o w i n gf i e l dw e l l a n df i n a l l yt h en c - e c mo f 3 d f l o wc l o s e di n t e g r a li m p e l l e rw a sf i n i s h e d k e y w o r d s ：c l o s e di n t e g r a li m p e l l e r ；n c - e c m ；c a t h o d ed e s i g n ；m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ；t e c h n o l o g i c a l e x p e r i m e n t s i l 一 彦 南京航空航大人学硕七学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 整体叶轮的应用与发展1 1 2 整体叶轮的加工技术2 1 3 整体叶轮的结构特点及分类5 1 4 闭式整体叶轮应用一鼓风机叶轮5 1 5 数控电解加上的特点及应用6 1 5 1 电解加工的发展及其特点6 1 5 2 数控电解加t 应用8 1 6 课题的目的意义和内容安排9 1 6 1 课题的目的及意义9 1 6 2 课题的内容安排9 第二章闭式整体叶轮数控电解加i ：方案1 l 2 1 电解加j i ：基本原理1 1 2 2 加上对象分析1 3 2 2 1u g 三维造型软件特点1 3 2 2 2 实体造型1 4 2 2 3 叶问流道特点与加上难点分析1 6 2 3 工艺方案设计1 7 2 3 1 方案设计1 7 2 3 2 叶间流道加工区域划分1 9 2 3 3 数控电解工序关键技术2 0 2 4 本章小结2 1 第三章阴极与工装夹具设计2 3 3 1 阴极设计2 3 3 1 1 阴极设计概述与基本要求2 3 3 1 2 阴极型面设计2 4 3 1 3 阴极结构优化2 7 3 1 4 阴极流场设计2 9 3 1 5 阴极材料3 0 i i i 闭式整体叶轮数控电解加：l ：i ：艺试验研究 3 2 阴极运动轨迹验证3 l 3 2 1 仿真平台3 2 3 2 2 闭式整体叶轮数控电解加j l 轨迹仿真3 3 3 3 电解加一l 夹具设计3 5 3 4 本章小结3 7 j 第四章闭式整体叶轮电解加h 试验3 8 4 1 加1 = 系统3 8 4 1 1 加，r ：机床3 8 4 1 2 数控系统3 8 4 1 3 加t 电源3 9 4 1 4 电解液系统3 9 4 2 工艺试验4 0 4 2 1 工艺参数选择4 0 4 2 2 安装与调试4 l 4 2 3 加i ：试验与结果分析4 2 4 3 工艺改进方案4 6 4 3 1 预加工工艺孔4 6 4 3 2 阴极修正设计4 7 4 4 加丁闭式整体叶轮4 8 4 5 本章小结4 9 第五章总结与展望5 0 5 1 论文总结5 0 5 2 工作展望5 0 参考文献5 2 至5 【谢5 6 在学期间取得的成果及发表的论文。5 7 i v 南京航空航天人学硕十学位论文 图、表索引 一、图索引 图1 1f 1 1 9 发动机剖面图【9 】 图1 2 数控铣削加j ：整体叶轮 图1 3 精密铸造整体叶轮 图1 4 精密锻造整体叶轮 图1 5 整体叶轮 图1 6 电解加上系统简图3 8 l 图2 1 电解过程示意图 图2 2 电解加t 成形过程示意图 图2 3 电流线的近似计算。 图2 4 平衡状态下的电解速度与加上间隙 图2 5 叶片中面 图2 6 叶片三维造型。 图2 7 叶轮造型 图2 8 叶间气流通道实体造型 图2 9 闭式整体叶轮数控电解加工工作流程图 图2 1 0 叶间气流通道分割示意图 图2 1 1 根据不同区域划分方案设计的阴极 图2 1 2 气流通道加工区域划分 图3 1 图2 1 2 中一号加工区域的实体造型层切分解 图3 2 一个切层内的电解加工极间间隙示意图 图3 3 各层阴极边界曲线u g 造型一 图3 4 一号加： 区域撤出叶间通道后的实体模型 图3 5 内部电解液通道设计 图3 6 完成后续处理的阴极造型 图3 7 阴极叶盆加j = 型面分析示意图 图3 8 电解液流动的两种方式 图3 9 运动仿真中发生干涉示意图 图3 1 0 轨迹仿真界面 闭式整体叶轮数控电解加：l ：工艺试验研究 图3 1 1 三元流闭式叶轮数控电解加工装夹示意图一3 5 图3 1 2 五轴联动电解加- i = 机床和分度盘示意图3 6 图3 1 3 一号阴极进给角度示意图3 6 图4 1 五轴联动电解加工机床3 8 图4 2 数控系统。3 9 图4 3 装夹简图。4 1 图4 4 阴极的三个基准面一4 2 图4 5 阴极对刀示意图4 2 图4 6 加间隙。4 3 图4 7 加工电流变化曲线图一4 3 图4 8 一号阴极倾斜角口的变化。4 4 图4 9 以表4 2 的进给速度加工的电流变化曲线图4 5 图4 1 0 以表4 3 的进给速度加工的电流变化曲线图4 5 图4 1 1 电解液压力变化图4 6 图4 1 2 有无工艺孔的电解液流动对比4 7 图4 1 3 阴极修正4 8 图4 1 4 三元流闭式叶轮加工参数变动图4 8 图4 1 5 近成形阴极电解加丁后的三元流闭式叶轮4 9 二、表索引 表4 1 加上参数表4 3 表4 2 阴极进给速度分段表一4 4 表4 3 阴极进给速度分段表二4 5 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 符号索引 物理意义 电流效率 元素的质量电化学当量 电流 法拉第常数 化合价 加工电流密度 体积电化学当量 工件在0 处的电解速度 法向平衡间隙 电解加工电压 电解液压力 电导率 加工时间 工件阳极法向与阴极进给方向的夹角 阴极进给速度 阴、阳极之间的电压 阴、阳极极化电位值总和 阴极叶背法向与进给方向夹角 阴极叶盆法向与进给方向夹角 体积加工速度 深度加工速度 单位 g a s 彳 c m o l v i i 脒批一删矿胁胁s。 一矿矿。 。批批 砷一删矿胁脚s。 一矿矿。 。砷种 枵 穆 七 ， f 珂 ， 缈 啪 “ u 尸 k ， 口 v u 翘 郎 南京航空航天人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 整体叶轮的应用与发展 整体叶轮是指将传统叶轮结构的叶片和轮盘设计成整体结构，其在航空、航天发动机中的 大量应用可人幅减少零件的数量、减轻发动机的重量，显著提高发动机的推重比和可靠性。整 体叶轮的应用使得发动机省去了大量用于联接的零件和结构，在减轻重量的同时避免了这些联 接件损坏造成的发动机故障，减少了各种零件联接处的空气泄漏，改善压气机的气动稳定性， 提高了发动机效率，从而使整台发动机推重比显著提甜1 卅。 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，欧、美等国开展了高推重比发动机的预研1 = 作，相继制定了 一系列旨在提高发动机的推重比、可靠性和降低制造成本的发动机技术发展计划。如美国的先 进战术战斗机计划、综合高性能涡轮发动机技术计划等【4 】，而这些计划不约而同的提出了发动 机结构设计的整体化发展方向。其中空军先进战术战斗机计划中将整体叶轮技术列为一项重要 的核心技术，而在综合高性能涡轮发动机技术计划中更是提出美国战斗机将在2 0 2 0 年之前全部 采用整体叶轮设计【1 1 。 因为这些计划的推动，整体叶轮越来越多地应用于新研制的航空发动机中。如f 4 1 4 发动 机中采用了5 级整体叶轮，比常规盘叶联接结构的零件减少了4 8 4 件，重量减轻了2 0 4 1 k g ，推 重比由其原型f 4 0 4 发动机的7 4 提高到9 【5 1 ；英国r r 公司在发动机中采用整体叶轮结构后， 与传统的盘叶分离结构相比，重量最多可减轻5 0 t 6 】；f 1 1 9 发动机中把6 9 个分离件组成的过 渡进气道扇形段铸造成一个整体，使发动机减重6 8 k g 7 1 ；在火箭发动机中，带冠整体叶轮的采 用，大大减少了传统盘叶分离式叶轮结构中的逸流损失，涡轮效率由传统结构的5 0 提高到 7 0 1 s 。 f ! 藩站扭 图1 1f 1 1 9 发动机剖面图9 1 以美国f 1 1 9 和欧洲e j 2 0 0 为代表的推重比1 0 的第四代发动机中叶轮、转子、钛合金中间 机匣、耐热合金后机匣等都开始采用整体结构9 1 。e j 2 0 0 是最早应用整体叶轮的大型发动机2 1 ， 而f 1 1 9 则是目前唯一种在风扇与压气机中全部采用整体叶轮的发动机9 1 。由于整体叶轮和新 1 管菇瓴 r 。釉歹谶 要躺 闭式整体叶轮数控电解加j ：i ：艺试验研究 型材料的大量应用，第四代发动机与第三代发动机相比零件数目减少了4 0 - 6 0 ，零件寿 加了1 5 0 ，推重比增加了2 0 t l o 】。 1 2 整体叶轮的加工技术 整体叶轮因为叶型复杂，精度要求高，刀具加工可达性差，叶片薄受力后变形大；又 多用于条件恶劣的高温、高压、高转速等使用环境，叶轮材料多为耐高温、具有高比强度 比刚度的难加工材料，所以整体叶轮的加上制造很难，其应用与推广受到了制造水平的限 因此，随着整体叶轮越来越多的应用，如何优质、高效、低成本的加工出整体叶轮已经成 际上航空、航天发动机先进制造技术领域研究的重点。 整体叶轮从加工方式上可分为整体式和焊接式两类。焊接式整体叶轮把复杂、困难的 加工改变成单个叶片的叶型加工。但增加了焊接j ：序，焊接的精度和焊接质量与整体叶轮 能和工件可靠性密切相关，因此对焊接丁艺要求很高。然而从本质上讲，焊接加工整体n t 不属于整体加工，而是将两种或多种分体制造的零件组合焊接成一个整体构件。因而下文 类方法加工整体叶轮就不做介绍。 国内外已经采用的加工整体叶轮的方法主要有数控铣削、精密铸造、精密锻造、数控 加工、数控电火花加工以及数控组合电加工。 l 、数控铣削 数控铣削加工是应用最广泛的整体叶轮制造方法【1 1 - 12 1 ，通常需要在5 轴联动数控机床 行。美国g e 公司和p & w 公司、英国r r 公司等在研制整体叶轮时，均采用了五坐标数 削加t 技术。 图1 2 数控铣削加t 整体叶轮 数控铣削方法在实际应用时还有若干关键技术问题。其一，由于刀具磨损造成加 误差， 虽可采用编程补偿，但其磨损规律有待针对不同材料进行试验研究；其二，随着新型高温、高 强度等难切削材料的使用日益增多，刀具切削性能却相对落后，使得整体叶轮的数控铣削加工 受到很大程度的制约；其三，对于叶间间隙狭窄，弯扭度较大的叶轮而言，直柄刀具很难完成 2 南京航空航大大学硕十学位论文 加工。因此数控铣削通常用于不锈钢、铝合金d t 轮等具有开放r r t 片( 无叶冠) 而且叶间通道较 大的整体叶轮加工。 2 、精密铸、锻造 1 ) 精密铸造技术。由于精密铸造一l ：艺的新发展，特别是金属材料定向凝同和热等静压理论 的深入研究，使得铸造合金组织和性能大大改善，解决了叶片疲劳断裂的裂纹沿垂直于叶片主 应力方向的品粒边界发生、熔模铸造内部存在疏松缺陷等问题，使叶片的抗疲劳性、应力断裂 寿命大为提高2 6 ，8 1 。同时，铸造t 艺也有利于大量成批生产，满足现代工业对各种叶片的大量 需要。 图1 3 精密铸造整体叶轮 2 ) 精密锻造技术。目前精密锻造技术的发展使锻压工艺彻底突破了毛坯生产的范畴，可以 加工出接近成品的零件【1 3 】。因此，现在整体叶盘人多采用精密锻造作为制坯手段，既能节省贵 重金属材料，减少难切削材料的机械加l ：量，又可提高整体叶盘的疲劳强度和使用寿命。整体 叶盘精密锻造的精度和质量主要依靠计算机对锻造过程进行控制。美国g e 公司己用等温锻造 技术制造出了压气机整体叶盘转子，材料利用率提高4 倍【2 6 ，8 1 。我国哈尔滨工业大学对叶轮的 半固态挤压锻造过程进行了数值模拟，获得了叶轮成形的主要参数变化规律【l3 1 ，并利用等温锻 模技术加工出钛合金及铝合金整体叶轮【1 9 1 。 ( a ) 钛合金整体叶轮【1 6 】( b ) 铝合金整体叶轮 图1 4 精密锻造整体叶轮 3 闭式整体叶轮数控电解加：l ：j ：艺试验研究 精密铸造、锻造的优点在于能节省贵重金属材料、减少难切削材料的机械加j = 量、生产效 率高，但由于叶轮刚有的几何复杂性，使其很难用于叶轮的最终精密加工，同时钛合金、高温 高强度合金等高性能金属材料的锻造也是一个困难，仅少数工业发达国家掌握该项技术，国内 的相关研究虽然取得了较大进展，但是还没能完全掌握，只用做精密制坯手段而非最终加工方 法来应用。 3 、数控电解加：【 电解加工的优点很显著，比如：加丁速度快、无宏观切削力、无工具损耗、可加工难切肖4 材料等。国外采用该项技术加工整体叶盘，在新型航空发动机及航天火箭发动机的研制中发挥 了重要作用【2 0 ，2 1 1 。美国g e 公司就利用五轴数控电解加工技术，用于加工f 4 1 4 发动机的整体叶 盘。加工时间可比五坐标数控铣削减少5 0 8 5 。我国的电解加工技术发展较早，目前已经达 到国际先进水平。由南京航空航天大学特种加工研究所自主开发的五轴联动数控电解加工机床， 在加j ：整体叶盘以及一些整体叶轮的复杂型腔上也已经得到成功应用【2 2 吨4 1 。但由于影响电解加 工成形规律的因素较多，所以在提高加1 ：精度和稳定性方面还有待深入研究。 4 、数控电火花加工 电火花自1 9 4 6 年问世以来，经过6 0 余年的发展，已成为一种弥补传统加工方法不足的重 要手段。特别是近年来，多轴数控系统与电火花加工技术的结合使得电火花加工技术成为一种 高水平的特种精密加工工艺。由于电火花加t 是蚀除而非切削材料，被加i ：材料的机械性能对 加丁没有影响，故电火花加j = 广泛j j 于难加一r 材料的加工。美、英、俄等国利用数控电火花加 t 整体叶轮，我国也逐步掌握这项技术【2 o 】。但是由于在加工过程中电极损耗会影响成型精 度，需经常更换电极，导致加丁成本高，加工速度变慢，同时加t 表面的再铸层对零件疲劳强 度会产生非常不利的影响，这又限制了此加工方法的大量使用。 5 、数控组合电加工 数控组合电加工技术是针对电火花加工的缺点提出的，利用电解加工的优点一高速度和工 具无损耗，弥补电火花加工的不足。即先利用数控电解加工预加工出型腔、通道，均匀留出一 定的精加工余量，然后利用数控电火花加工来完成最后的精加工。这样既可以大幅度提高加工 效率，降低加t 成本，又可以达到很高的加工精度。另外，电解加工出的预通道还可以改善电 火花加i ：时的产物排出条件、提高加工效率、减少电极损耗。俄罗斯就采用机械仿形电火花与 电解加上的组合 ：艺用丁制造带冠整体叶轮；南京航空航天大学特种加- t 实验室采用组合电加 工技术成功完成了径向扩压器的制造。组合电加工在工艺上的突出特点使其在整体叶轮，尤其 是闭式整体叶轮的制造上有着独特的技术优势和，“阔的应用前景 3 1 - 3 4 】。 4 南京航空航天人学硕十学位论文 1 3 整体叶轮的结构特点及分类 为了方便研究，按照主要加工部位的几何特点，把整体叶轮分为开式整体叶轮和闭式整体 叶轮： 1 ) 开式整体叶轮。图1 5 ( a ) 所示即开式整体叶轮，开式整体叶轮仅由轮毂和径向叶片组 成，叶片槽道两个侧面都是敞开的，此种结构气体流动损失大、效率较低。这类整体叶轮的结 构特点是：其主要加1 ：部位在儿何结构上至少有一个方向的加工面是敞开的或者有较人的加工 空间。对于这类整体叶轮，采用一把直柄刀具，选取适当的刀位，理论上刀具可以到达加i 丁结 构上的任意一点，即其刀具加工可达性较好。 2 ) 闭式整体叶轮。图1 5 ( b ) 所示是典型的闭式整体叶轮，其上叶间流道几何形状多为深 窄、弯扭较大的异形型腔或孔洞。对丁这类整体叶轮，采用直柄刀具无论选用怎样的刀位都很 难达到加上结构上的所有点，刀具加上可达性很差，很难、甚至无法用常规切削加工方法进行 加工，只有采用精密铸造或用成形= 具电极进行电解或电火花加工。这类整体叶轮加= 难度大， 而且多为薄壁构件，刚度差，加工过程中易变形，但由于气体被密闭于叶轮流道内流动，流动 损失较小，所以能显著提高发动机效率，在先进航空航天发动机和地面重要机械产品中得到越 来越多的廊用。 ( a ) 开式整体叶轮 图1 5 整体叶轮 1 4 闭式整体叶轮应用一鼓风机叶轮 ( b ) 闭式整体叶轮 如前所述，闭式整体叶轮由于显著提高发动机效率而得到越来越多的应用，不仅仅在航空 航天技术领域，而且在一些地面大型- t 业设备上也有广泛的应用前景，例如装备在大型离心式 鼓风机、压缩机上的高速叶轮。随着现代工业的迅速发展，在化工、冶金、矿藏开采等多种工 业领域中对大型鼓风机的需求量日益增加。压缩机的应用范围则更加广泛，在矿藏开采、冶金、 土木工程、石油化工、制冷工业中，压缩机都是必不可少的关键设备之一。此外，医疗、纺织、 食品、农业、交通等部门对压缩机的需求也是与日俱增。叶轮是离心式鼓风机的核心部件，叶 5 闭式整体叶轮数控电解加t t 艺试验研究 轮流道内气体流动的好坏直接决定着整机的上作性能和效率，采用三元流理论进行叶轮流道设 计，可使其叶片表面气体的速度和压力分布最佳，将叶轮中流动损失减小剑最低程度，是离心 式鼓风机节能增效的主要技术措施之一，也是离心式鼓风机叶轮设计技术发展的必然趋判3 5 , 3 6 。 二元流叶轮与一般叶轮相同，从结构上也可分为开式和闭式两种。开式叶轮叶片流道的一 侧被轮盘封闭，另一侧敞开没有轮盖，便于加工，但是在压缩机工作过程中，叶轮侧面与机壳 之间的间隙人，逸流损失较大。闭式叶轮由轮盘、轮盖和叶片所组成，叶轮机械强度高，叶片 流道间逸流损失较小，因此效率比开式叶轮高，此外，叶轮和机壳侧面间隙也没有开式叶轮要 求那么严格，可以适当放宽，使安装检修时拆装方便。 采用三元流闭式叶轮可以显著提高离心式鼓风机的性能和效率。但由丁：三元流闭式叶轮叶 间气流通道是一个弯扭程度较大、四周封闭的狭窄型腔，且叶片犁面复杂、壁薄易变形，只能 分别从进气口和排气口进行加工，故在加工上存在相当的难度，尤其是采用高温、高强度合金 等难加i ：材料的叶轮，更是如此。因此，三元流闭式叶轮的加工一直是各国离心式鼓风机制造 领域的难点和关键技术之一。为了解决这一当今世界制造技术领域内的制造难题，在课题组前 期成功应用组合电加上解决闭式整体扩压器加工难题的基础上【3 4 ，3 7 1 ，研究利用数控电解j 3 n 3 3 和 数控电火花加工相结合的组合电加工技术，进行三元流闭式整体叶轮的加工。本文对三元流闭 式整体叶轮组合电加工中数控电解加工工序进行了研究。 1 5 数控电解加工的特点及应用 1 5 1 电解加工的发展及其特点 电解：j u t 又称电化学加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g - - e c m ) ，是利用金属在电解液中发 生电化学阳极溶解的原理对工件进行加工的。这一原理由法拉第在1 8 4 3 年发现，起初只是用于 电镀和电解抛光；在1 9 2 9 年左右，曾有人设想将金属阳极溶解的原理用于零件加工，但限于当 时的条件而未能实现；直到1 9 5 6 年，美国芝加哥工业博览会上展出第一台电解加工机床，电解 加j 打开了走向工业应用的大门。随着电解加工技术在工业领域的成功应用，电解加工以其独 特的优势在2 0 世纪6 0 年代得到了蓬勃的发展，尤其是在电解加工航空发动机叶片型面及锻模 型面的研究及应用领域得到迅速发展，在短短几年中它已成为航空发动机叶片生产的主要工艺。 在这之后，为提高电解加工精度，国内外又相继开展了混气电解加工研究、非线性电解液研究、 脉冲电流电解加上研究等，取得了一系列的科研成果【3 8 】。2 0 世纪8 0 年代以后，随着计算机技 术和计算数学等相关学科的发展及对电解加工认识的发展，国内外开始借助于计算机强大的数 据处理能力对电解加工过程进行研究，其目的在于寻求一种相对简便的方法进行工具阴极的设 计，减少电解：0 n t _ 1 u 阴极设计和反复试验修正的工作量，缩短生产准备时间f 3 9 卅。 电解加：【对于难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、高表面质量、经济的工 6 南京航空航天大学硕十学位论文 艺方法，只要加工对象选择得当，发挥出电解加i ：优势，就能收到良好效果。现在国内外已广 泛用于叶片、机匣、深细小孔、膛线、花键、模具等的加+ 。近三十年来在民用上业如拖拉机、 汽车、煤机等的锻模加工及去除毛刺中也得到了广泛地应用。 电解加j 二设备是一个完整的配套系统，由机床、电源、电解液循环过滤系统以及控制系统 四大部分组成【4 7 1 。工件阳极与工具阴极分别和直流电源( 一般为1 0 - - 2 4 v ) 连接，工具阴极以 一定速度沿一定方向进给，两者之间保持很小的加，l 间隙( 一般在0 1 l m m ) ，电解液从加工 间隙中不断高速( 6 - - 3 0 r e s ) 流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的 热量，并去极化，工件阳极加工表面的金属按照t 具阴极形状逐渐被高速溶解，直至达到符合 要求的加工形状和尺寸为l ：。 图1 6 电解加一i ：系统简图p 8 】 电解加工以其自身特殊优点，逐步在：l ：业生产领域获得广泛的应用【4 1 ： 1 、加工范围广。可以加工各种难切削金属材料，包括淬火钢、不锈钢、高温耐热合金、硬 质合金，不受材料强度、硬度和韧性的限制；可以加t 各种复杂的型腔、型面、深小孔，既可 以采用成形阴极、单向送进运动复制式成形= ； j n _ e ，也可采用简单阴极或近成形阴极，进行数控 展成型面加工。 2 、加工效率高。加工效率随t j 【 ：l - 电流密度和总加t 面积的增大而增大，一般能达到数百立 方毫米每分，甚至高达1 0 0 0 0 m m 3 m i n ，约为通常电火花成形加工的5 1 0 倍，对于难切削金属 材料、复杂的型腔、型面、深小孔加工，比一般机械切b f j t j i l 工效率搞出5 1 0 倍。 3 、加工表面质量好。由丁材料去除是以离子状态电化学溶解，属冷态加工过程，因此加工 表面不会产生冷作硬化层、热再铸层以及由此而产生的残余应力和微裂纹等表面缺陷。当电解 液成分和工艺参数选择得当，加工表面粗糙度可以达到r 。= ( 0 8 1 2 5 ) 弘m 。 4 、工具无损耗。作为阴极的工具，在电解加t 过程中，始终与作为阿j 极的j 件保持一定的 7 1 5 2 数控电解加工应用 成形阴极拷贝式电解加工速度快、生产率高，通常以单方向的直线进给运动就可加一i ：复杂 的型腔、型面，但由于成形阴极形状复杂、力n 1 - 面积大，致使加上间隙中电场、流场和温度场 复杂，使得拷贝式电解加工的复制精度不太高，而且加1 二不同形状的零件就需要设计不同的阴 极，阴极的设计、制造往往需要反复试验、修正，制造周期长。 为解决上述拷贝式电解加工在应用中的不足，结合数控技术的发展，国内外在2 0 世纪8 0 年代中期相继开始进行数控电解加工技术研究。这一研究可以认为是对上世纪6 0 年代电解车 1 4 8 , 4 9 】、电解铣5 2 1 等技术的进一步发展，目的是为了结合数控技术和电解加工技术的优点，使 电解加工获得像数控铣、数控车那样对不同加工对象的快速响应能力。 波兰华沙工业大学的k o z a k 教授于1 9 8 6 年最早进行电解铣削的试验，以棒状旋转阴极作 类似于圆柱状侧铣刀的成形运动来加：【表面【5 0 1 。数控展成电解加 ：就是以简单形状的工具阴 极，按照计算机控制指令，进行必要的展成运动，以电解“切削”方式加工型腔、型面，类似 于数控铣，只是将铣刀换成电解加一 的工具阴极。 相比于传统的拷贝式电解加工，它避免了复杂的成形阴极的设计和制造，投产周期短，适 8 南京航空航天人学硕十学位论文 用加上范围广，有很大的加l ：柔性，可用于小批量、多品种、甚至单件试制的生产中。此外， 在数控展成电解加工的过程中，阴极上参与加上的区域与传统拷贝式加t 相比大为减小，从而 使得电解中产生的气体及热鼙的影响显著卜降，因而有利于提高加t 精度和表面质量。 南京航空航天大学特种加i ：教研室长期致力丁数控展成电解加工的研究，在电解加工设备 研制、成形规律研究、阴极没计、加i ：软件开发、加工工艺试验参数选择等各个方面，都取得 了显著成果，获得良好的经济和社会效益。对于整体叶轮的数控电解加工也进行了很多新的探 索和试验，积累了足够的经验，为本文研究打下了坚实的基础。 1 6 课题的目的意义和内容安排 1 6 1 课题的目的及意义 闭式整体叶轮的加丁一般采用精密铸造、数控铣削和数控电加工。精密铸造工艺虽然可以 大大提高材料的利用率，有利于人量成批生产，但是铸造技术难度大，成品率低，且只能适用 于可铸合金，对于高转速、高负荷的叶轮仍难以采用。目前数控铣削是整体叶轮加工中应用最 广泛的加上途径，但它对于材料为钛合金、镍基高温合金的闭式整体构件加工仍然比较困难， 甚至无法加工。数控电加丁方法中，数控电火花加上速度很慢，并且电极损耗影响成型精度， 故需要经常更换电极或采取其它措施，这就使得加工成本提高；而数控电解加t 在加j i ：精度和 加t 稳定性方面有很人不足。 数控组合电加工将精密电火花加+ ：和高效电解加上有机结合在一起，使得该方法既有数控 电火花加工的高精度又有数控电解加l = 的高效率，从而使得该方法成为闭式整体叶轮加t 的优 选方法之一。南航机电学院特种加j 二教研室长期致力于数控电加工研究，并与一些单位、科研 院所合作，已成功加工出了如带冠整体叶轮、扩压器等闭式、半闭式整体构件，积累了人量的 组合电加工经验。 本文研究的内容是组合电加丁中的数控电解预加工，该工序作为数控电火花加工的准备工 序，起着去除大部分材料的作用，是提高组合电加工综合加工效率、降低生产成本的关键下序。 本课题来源丁- 国防科技工业技术基础项目：数控电解工艺技术的推广应用研究和委托技术攻 关项目鼓风机闭式整体叶轮试制加t 。以难加工材料、形状复杂的鼓风机叶轮为研究对象， 旨在研究此类闭式整体叶轮数控电解加上的阴极设计、夹具设计和工艺参数优化，去除叶间气 流通道的大部分材料，并均匀留下一定余量以待后续精密电火花加工。 1 6 2 课题的内容安排 基于实验室在整体叶轮电解加工的研究成果上，课题着重对数控电解加工闭式整体叶轮的