整体叶盘电解加工电解液进液角度优化研究_侯镇浩.pdf

96航空制造技术2023年第66卷第7期研究论文RESEARCH整体叶盘电解加工电解液进液角度优化研究*侯镇浩1，王京涛1，朱 栋1，王福平2，陈文亮2（1.南京航空航天大学，南京 210016；2.中国航发动力股份有限公司，西安 710021）摘要 整体叶盘电解加工中，流场对加工稳定性起着重要作用，电解液进液角度对流场均匀性具有重要影响。针对由叶尖至叶根流动模式，设计了 5 种电解液进液角度流动模型（12、22、32、42 以及 52），并开展电解加工流场仿真研究。结果表明，电解液进液角度为 32 时，平均流速为 19.01 m/s，流速均方差为 6.33，满足整体叶盘电解加工对流场的要求。在电解液进液角度为 32 的流场形式下，开展整体叶盘电解加工试验，加工过程稳定，试件表面无流纹，加工精度为 0.12 mm，表面粗糙度为 Ra0.353 m，验证了流场的合理性。关键词：电解加工；流场仿真；整体叶盘；加工精度；表面质量Optimization of Electrolyte Solution Inlet Angle for Electrochemical Machining of BliskHOU Zhenhao1,WANG Jingtao1,ZHU Dong1,WANG Fuping2,CHEN Wenliang2(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.AECC Aviation Power Co.,Ltd.,Xi an 710021,China)ABSTRACT In the electrochemical machining(ECM)of the blisk,the flow field plays an important role in the machining stability,and the inlet angle of electrolyte solution has an important influence on the uniformity of the flow field.For the flow pattern from blade tip to blade root,five inlet angle flow models(12,22,32,42 and 52)were designed,and the flow field simulation of electrochemical machining was carried out.The results show that the average flow rate is 19.01 m/s and the mean square deviation of flow rate is 6.33 when the inlet angle of electrolyte is 32,which meets the requirements of flow field for electrochemical machining of the blisk.Under the flow field form with inlet angle of electrolyte solution of 32,the electrochemical machining experiment of the blisk was carried out.The machining process was stable,the surface of the workpiece was free of flow texture,the machining accuracy was 0.12 mm,and the surface roughness was Ra 0.353 m,which verified the rationality of the flow field.Keywords:Electrochemical machining;Flow field;Blisk;Machining accuracy;Surface qualityDOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.07.096*基金项目：国家自然科学基金（91860135）；国家科技重大专项（2017 VII 0004 0097）；国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金（COMAC SFGS 2019 4168）。引文格式：侯镇浩,王京涛,朱栋,等.整体叶盘电解加工电解液进液角度优化研究J.航空制造技术,2023,66(7):96100,117.HOU Zhenhao,WANG Jingtao,ZHU Dong,et al.Optimization of electrolyte solution inlet angle for electrochemical machining of bliskJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(7):96100,117.整体叶盘作为航空发动机的核心部件之一，其叶片结构具有厚度薄、型面复杂、扭曲程度大等特点，其制造材料多采用钛合金、高温合金等难加工材料，导致其机械切削性能较差1。电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理实现工件成形的非传统加工方式，具有阴极无损耗、加工工件表面质量好、生产效率高等优点2。因此电解加工成为国内外整体叶盘等难加工材料以及复杂形状工件主流制造方法。如美国 GE 公司采用电解加工制造的 GE37/YF120、F414 等发动机整体叶盘，实现了整体叶盘叶型及流道部分的粗/精加工3。972023年第66卷第7期航空制造技术RESEARCH研究论文在众多电解加工影响因素中，流场设计的合理性，直接影响着电解加工的加工精度与稳定性，因此流场设计一直是电解加工的重点研究方向。针对电解加工流场模式，相关学者分别提出了 W 型流场4、型流场5以及三维复合流场模式6。除了各种流场模式外，国内外专家学者还在其他各方面对流场进行优化。Wang等7提出了工具阴极从进排气边切向进入，改善进排气边处流场稳定性。Sawicki 等8提出通过调整加工间隙以及流量大小优化加工区流场。Klocke 等9通过研究电解加工中流场、电场等多个物理场关系，建立了多场耦合模型。目前，针对整体叶盘电解加工的流场形式主要有 W型流场和三维复合流场，前者为电解液从整体叶盘叶根两侧流入，至叶尖汇合流出；后者则是由进（排）气边进入，排（进）气边流出的侧流式流场为基础，从工具阴极背部辅以电解液。但是这两种流场方式所涉及的工装夹具相对复杂，安装较为繁琐。相比较而言，电解液从叶尖至叶根的流动模式，工装夹具设计较为简洁，但电解液进液角度对流场均匀性和电解加工的稳定性影响较大。因此，本文对叶尖至叶根电解液流动模式下的电解液进液角度进行优化研究，提高流场均匀性，通过整体叶盘电解加工的试验对流场优化设计的合理性进行验证。1 整体叶盘电解加工方式本文采用双边进给方式对整体叶盘进行加工，即阴极工具从两侧同时进给，完成叶盆、叶背型面加工。电解加工传统流场有侧流、反冲流动和正冲流动 3 种。对于整体叶盘电解加工，常用侧流方式进行加工，主要分为排气边至进气边、进气边至排气边、叶根至叶尖和叶尖至叶根 4 种形式，如图 1 所示。排（进）气边至进（排）气边流动模式未加工到位的进排气边一定程度上会阻碍流体流动，导致两侧电解液分布不均匀，产生加工缺陷。叶根至叶尖流动模式需要工装夹具与储液槽之间形成密封腔体，对于整体叶盘这类尺寸较大的零件，实施整体密封难度大。叶尖至叶根流动模式夹具设计制造简单，容易构成密封腔体，故本文选择由叶尖至叶根的流动模式。根据电解液从叶尖至叶根的流动模式设计相关的工装夹具，如图 2 所示，电解液进液倾斜角度定义为进液口中轴线与积叠轴所形成的夹角，记为。可以看出若电解液进液角度过大，电解液会冲击工具阴极，压力损失较大，电解液流速分布不均匀；若电解液进液角度过小，电解液会正冲叶片叶尖，影响加工区域流速分布。由此可见电解液进液角度对整体叶盘的加工影响很大，本文将针对不同电解液进液角度开展流场仿真模拟，以加工区域内流速分布均匀性为指标，获得最优的电解液进液角度。2 流场仿真通过流场仿真对流场均匀性进行预测，从而指导电解液进液角度的优化研究。通过对电解液进液角度的改变开展相应的仿真，采用 RNG k 模型进行求解，寻找叶尖至叶根流动模式下最佳的电解液进液角度。2.1 流场模型流场可以分为 6 个部分，包括进液口、加工区流域、导流段、蓄液腔、进液道以及出液口，如图 3 所示。导流段与蓄液腔平缓连接，保证电解液在导流段内分布均匀并对电解液进行提速；蓄液腔保证电解液能够充满导流图 1 侧流方式Fig.1 Side flow mode（a）排气边至进气边进气边排气边叶根叶尖（b）进气边至排气边叶根进气边排气边叶尖进气边排气边叶根叶尖（c）叶尖至叶根（d）叶根至叶尖叶根进气边排气边叶尖图 2 工装夹具示意图Fig.2 Schematic diagram of tooling fixture叶盆阴极蓄液腔工件叶背阴极进液道中轴线进液道积叠轴98航空制造技术2023年第66卷第7期研究论文RESEARCH段。考虑到电解液进液角度过大或过小都会对流场产生严重影响，所以选择电解液进液角度 10 60 进行分析。本文根据实际加工条件分别建立电解液进液角度为 12、22、32、42 以及 52 加工终止位置时流场（图4）用于仿真分析。2.2 数学模型电解加工过程中，加工区域的环境复杂多变，为了对流场仿真进行简化，做出以下假设：电解液是连续、不可压缩的黏性流体，各向同性，参数关系与坐标系无关。电解液的流动严格遵守质量守恒和能量守恒定律1011。（1）质量守恒定律。tSiim+=()ux（1）式中，为密度；t 为时间；ui为速度张量；xi为坐标张量；Sm为从分散的二级相中加入连续相的质量。（2）动量守恒定律。+=-+()()uu uxxxiijjiijjiitpgF （2）式中，xi、xj为坐标张量；ui、uj为速度张量；p 为静压；gi为重力体积力；Fi为其他体积力；ij为应力张量；i，j=1，2，3。电解液流动状态有两种形式：层流和湍流（或紊流）。电解加工过程中，电解液需要及时带走加工区域中电解产物以及加工所产生的热量，所以电解液需要具有一定的流速。选择高流速，可以消除电极附近的浓差极化，保障流场的均匀稳定。综合考虑使得电解液处于紊流状态。根据雷诺系数可以确定紊流状态所对应电解液流速为uvD12300（3）式中，u1为进液口电解液流速；v 为运动黏度系数，本文取 v=106 m2/s；D 为水力直径。电解加工过程中会产生大量的热，沿流程方向电解液会被逐渐加热，会引起电导率变化，降低加工的精度，所以需要增大流速。对应温升的流速应满足uacTL2=210 1 （4）式中，a 为电流密度，A/cm2；L 为流程长度，mm；T 为温升，K；1为电解液密度，g/cm3；0为电导率，1/（mm）；c1为电解液比热容，J/（kg K）。综合式（3）和（4）分析，确定电解液的流速为uu u=max,12（5）2.3 边界条件利用 Ansys 软件进行仿真求解，除了根据上述守恒定律外，还需指定边界条件。（1）入口边界条件。该条件为指定入口处流动变量的值，一般包括速度入口、压力入口和质量流量入口。本文将入口边界条件设定为压力入口，入口压力为 1 MPa。（2）出口边界条件。该条件为指定出口处流动变量的值。本文选用叶尖至叶根流动流场，为发散式流场，故出口压力为 0。2.4 仿真结果分析如图 3 所示，在距离叶尖 6 mm 处选取截面 A，获得不同角度流场截面 A 速度分布云图，如图 5 所示，并在截面 A 中任取 6000 个点，计算不同电解液进液