錢浩，劉嘉，汪浩，朱荻

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最為關(guān)鍵和重要的零部件之一，其制造質(zhì)量將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型面扭曲、葉身超薄、通常采用難加工材料、加工精度要求苛刻，其精確加工一直是制造領(lǐng)域的一大難題。電解加工基于電化學(xué)陽極溶解原理去除金屬，具有加工效率高、工具無損耗、表面質(zhì)量好、加工與工件材料力學(xué)性能無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的主要技術(shù)之一。葉片電解加工技術(shù)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，例如KLOCKE F等人建立了葉片電解加工電場(chǎng)、流場(chǎng)、氣泡、溫度等因素的多物理場(chǎng)耦合模型，通過仿真預(yù)測(cè)葉片成型，并基于此修正陰極[1]； ZAYTSEV A N研究了鈦合金的電化學(xué)溶解特性，對(duì)比了不同電解液條件下鈦合金葉片試件的表面質(zhì)量[2]； PACZKOWSKI T通過理論計(jì)算分析了葉片電解加工過程中間隙內(nèi)靜壓、混合流量、溫度、空隙率的分布對(duì)曲面成型的影響[3]；FUJISAWA T基于流場(chǎng)、溫度、氣泡的多物理場(chǎng)模型對(duì)葉片電解加工區(qū)域進(jìn)行仿真分析，得出焦耳熱和氣泡在加工過程中的分布規(guī)律[4]；ZHU D等針對(duì)葉片電解加工中前后緣區(qū)域電場(chǎng)、流場(chǎng)為開口場(chǎng)的問題，提出一種交叉陰極結(jié)構(gòu)，使電場(chǎng)、流場(chǎng)近似封閉[5]；李志勇等采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)葉片電解加工輪廓進(jìn)行預(yù)測(cè)[6]；桓恒等研究了葉片電解加工中分型點(diǎn)位置對(duì)前后緣形狀的影響[7]。

在電解加工過程中，電解液起到傳遞電流、排出電解產(chǎn)物、帶走電解加工中產(chǎn)生的焦耳熱等作用，其流動(dòng)狀態(tài)將直接影響電解加工穩(wěn)定性和精度質(zhì)量。為了提升葉片電解加工中電解液流場(chǎng)的穩(wěn)定性，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多研究，例如KAMIJO T等模擬了葉片電解過程中的三維流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)葉片根部周圍存在再循環(huán)區(qū)域，電解加工需要對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化[8]；SAWICKI J等在曲面電解加工過程中，通過調(diào)整加工間隙以及流量的大小來優(yōu)化加工區(qū)流場(chǎng)[9]；徐正揚(yáng)等針對(duì)單緣板葉片提出主動(dòng)控制的雙向進(jìn)液流動(dòng)方式[10]；劉嘉等針對(duì)整體葉盤提出一種三維復(fù)合電解液流場(chǎng)模式[11]；ZHU D等在加工葉盤時(shí)采用一種輔助進(jìn)液方式[12]等。上述電解液流場(chǎng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案均基于單緣板葉片進(jìn)行，即葉片僅在葉根區(qū)域有緣板，葉尖為開放結(jié)構(gòu)，針對(duì)葉尖和葉根均具有緣板結(jié)構(gòu)的雙緣板葉片流場(chǎng)研究較為缺乏。目前該類葉片仍然采用電解液從葉片前緣(或后緣)流向后緣(或前緣)的傳統(tǒng)側(cè)流式電解液流場(chǎng)方式，在加工中經(jīng)常性地會(huì)發(fā)生加工短路，燒蝕工件和工具，亟需提升流場(chǎng)穩(wěn)定性。

本文針對(duì)長葉身、雙緣板葉片電解加工中傳統(tǒng)側(cè)流式電解液流場(chǎng)開展有限元仿真，仿真結(jié)果表明大量電解液從葉片兩側(cè)緣板區(qū)域的間隙處流失，嚴(yán)重影響了葉身加工區(qū)電解液流速，導(dǎo)致加工產(chǎn)物無法及時(shí)排出間隙，造成短路等加工意外。針對(duì)上述流場(chǎng)問題，本文提出了基于液體密封的雙緣板葉片電解加工流場(chǎng)新方式，在葉尖、葉根緣板區(qū)域的間隙中設(shè)置電解液輔助進(jìn)液口，通過多向輔助供液構(gòu)建液體密封，解決電解液從葉片兩側(cè)緣板區(qū)域流失問題。對(duì)提出電解液流場(chǎng)方式開展了有限元仿真，仿真結(jié)果表明加工區(qū)電解液流場(chǎng)穩(wěn)定性顯著提升。開展了提出流場(chǎng)的電解加工工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證流場(chǎng)仿真的有效性。

1 雙緣板葉片傳統(tǒng)的電解流場(chǎng)方式

在長葉身、雙緣板葉片電解加工中，通常采用傳統(tǒng)側(cè)流式電解液流場(chǎng)方式，即電解液從葉片的前緣(或后緣)方向流入，電解液被葉片毛坯分成兩股液流分別流經(jīng)葉片葉盆、葉背型面，最后從葉片后緣(或前緣)交匯流出。其電解液流場(chǎng)方式如圖1所示。在對(duì)長葉身、雙緣板葉片進(jìn)行電解加工試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，采用上述傳統(tǒng)的側(cè)流式流場(chǎng)時(shí)，加工電流經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)，加工短路也時(shí)有發(fā)生。陰陽兩極接觸瞬間產(chǎn)生的高熱導(dǎo)致工件與工具陰極燒蝕，迫使加工中斷。在葉片葉盆出液口區(qū)域發(fā)生短路的試件如圖2所示，其加工電流隨時(shí)間變化曲線見圖3。

圖1 側(cè)流式流場(chǎng)

圖2 發(fā)生短路的試件

圖3 加工過程電流變化

電解加工中發(fā)生短路等加工意外，通常是由于電解液流場(chǎng)帶出加工產(chǎn)物的能力不足，產(chǎn)物在加工間隙中逐漸堆積無法排出，隨著工具陰極的不斷進(jìn)給，工具陰極和工件陽極接觸造成短路。因此短路意外的主要誘因是電解液流場(chǎng)存在缺陷。為了解決上述問題，提升長葉身、雙緣板葉片電解加工穩(wěn)定性，開展了雙緣板葉片電解加工傳統(tǒng)側(cè)流式電解液流場(chǎng)有限元仿真，通過仿真分析揭示電解液流場(chǎng)缺陷產(chǎn)生的原因。

本文選擇的加工對(duì)象為典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片，葉身型面長度約100mm，葉尖和葉根處均具有緣板結(jié)構(gòu)。在該葉片電解加工中，由工裝夾具、工具陰極、被加工工件圍成的封閉區(qū)域?yàn)殡娊庖毫鞯?，其電解液流道結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。以實(shí)際加工過程中電解液流道的結(jié)構(gòu)為流場(chǎng)幾何模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4(b)所示，其中A、B為進(jìn)液口，C為出液口，其余為壁面。根據(jù)實(shí)際加工參數(shù)，將進(jìn)液口A、B設(shè)定為壓力入口，其值為0.8MPa，出液口C設(shè)定為壓力出口，其值為0.1MPa，其余面均設(shè)定為固定壁面。溫度根據(jù)實(shí)際加工情況取30℃，由于加工中電解液為20%的NaNO3溶液，在30℃時(shí)其黏度與水相近，因此流體的動(dòng)力學(xué)黏度可取值為0.800 7×10-3Pa·s。

圖4 側(cè)流式流場(chǎng)幾何模型

電解加工中，為了使電解液能及時(shí)帶出電解產(chǎn)物、焦耳熱，其流態(tài)必須處于高流速的湍流狀態(tài)，其流場(chǎng)屬于高雷諾數(shù)湍流模型。一般情況下標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型即可很好地進(jìn)行高雷諾數(shù)湍流數(shù)值模擬，但由于在壁面附近，湍流發(fā)展不充分，流動(dòng)可能處于層流狀態(tài)，此時(shí)在雷諾數(shù)低的地方使用k-ε模型進(jìn)行計(jì)算就會(huì)引起較大的誤差。因此，為了更加精確地模擬整個(gè)流道內(nèi)的流場(chǎng)情況，本文選用RNGk-ε湍流模型，該模型既考慮了高雷諾數(shù)區(qū)域的湍流輸運(yùn)，又可以很好地處理壁面附近區(qū)域的低速流動(dòng)，其湍動(dòng)能與耗散率方程如下：

1) 湍動(dòng)能方程：

(1)

2) 耗散率方程：

(2)

其中:

(3)

(4)

采用CFD流場(chǎng)分析軟件fluent對(duì)傳統(tǒng)側(cè)流式流場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，得到葉片葉盆、葉背側(cè)電解液流速矢量圖如圖5所示。

圖5 流場(chǎng)流速分布1

由流速矢量圖可以看出，葉盆、葉背加工區(qū)中電解液流場(chǎng)較為雜亂，尤其是葉盆區(qū)域，在葉身上靠近出液口區(qū)域有明顯的流場(chǎng)突變區(qū)，該區(qū)域電解液流線雜亂，液體流速變化劇烈，并有明顯的低流速區(qū)。在葉身型面上存在低流速區(qū)，該區(qū)域的陽極產(chǎn)物就可能不能及時(shí)排出間隙，容易誘發(fā)加工短路。同時(shí)，由于流場(chǎng)流線雜亂，流場(chǎng)穩(wěn)定性差，加工中陽極產(chǎn)物、氣泡、焦耳熱在加工間隙中的分布也不斷變化，導(dǎo)致加工區(qū)電導(dǎo)率分布波動(dòng)，影響電解加工精度。有限元仿真結(jié)果表現(xiàn)的流場(chǎng)缺陷與實(shí)際加工中發(fā)生短路的情況基本一致，該電解液流場(chǎng)狀態(tài)不利于葉片電解加工穩(wěn)定性和加工精度提升，迫切需要改進(jìn)和優(yōu)化。

取圖5中的流道截面，得到其流速分布(圖6)。分析葉盆、葉背加工區(qū)周邊流道中的液體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在葉片緣板區(qū)域和工具陰極側(cè)面的間隙中電解液流速很快，大量電解液從非加工區(qū)的側(cè)面流失，導(dǎo)致電解液分流，嚴(yán)重影響了加工區(qū)電解液流速，降低電解液帶走電解產(chǎn)物的能力，從而誘發(fā)加工短路。此外，對(duì)比葉盆和葉背兩個(gè)區(qū)域電解液流失的情況可以發(fā)現(xiàn)，葉盆區(qū)域電解液流失的情況比葉背一側(cè)嚴(yán)重，這導(dǎo)致了葉盆、葉背加工區(qū)中電解液流速差異，使葉盆、葉背加工區(qū)流場(chǎng)狀態(tài)不一，嚴(yán)重影響葉盆、葉背電解加工成型精度。因此必須對(duì)該流場(chǎng)采取相應(yīng)改善措施，提高流場(chǎng)穩(wěn)定性，以保證葉片正常的電解加工。

圖6 截面流速分布1

2 多向輔助進(jìn)液式流場(chǎng)設(shè)計(jì)

由上述電解液流場(chǎng)仿真分析可知，長葉身、雙緣板葉片電解加工中流場(chǎng)缺陷主要是由于電解液從兩側(cè)緣板和工具陰極側(cè)面的縫隙中流失所致。為了消除流場(chǎng)缺陷，提升加工區(qū)電解液流場(chǎng)穩(wěn)定性，本文提出了基于液體密封的多向輔助電解液流場(chǎng)方式，該電解液流場(chǎng)方式的示意圖如圖7所示。為了防止電解液從緣板和工具陰極側(cè)面的縫隙流失，在工具陰極側(cè)面靠近緣板區(qū)域設(shè)置了4個(gè)電解液輔助供液進(jìn)液口，葉尖緣板兩側(cè)、葉根緣板兩側(cè)各一個(gè)。通過輔助供液進(jìn)液口，改變緣板和工具陰極側(cè)面縫隙中電解液壓力分布，對(duì)流失電解液進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)液并在間隙內(nèi)形成液體“密封”，從而大幅提升葉盆、葉背主電解液流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

圖7 多向輔助進(jìn)液式流場(chǎng)模型

為了驗(yàn)證提出流場(chǎng)的合理性，采用有限元分析方法對(duì)提出流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。仿真中仍然采用RNGk-ε湍流模型，其溫度及流體黏度等相關(guān)參數(shù)均與普通側(cè)流式流場(chǎng)相同。依據(jù)提出流場(chǎng)構(gòu)建的流道模型網(wǎng)格劃分如圖7(b)所示，其中A、B為進(jìn)液口，C為出液口，D、E、F、G為輔助電解液在流場(chǎng)模型中的入口，其余為固定壁面。將A、B設(shè)為壓力入口，其值為0.8MPa，C設(shè)為壓力出口，大小為0.1MPa，D、E、F、G均設(shè)為壓力入口，其值為0.4MPa。

使用fluent仿真得到的葉盆、葉背側(cè)流速分布見圖8。從圖中可以看出，整個(gè)流場(chǎng)流速和壓力分布都比較均勻，消除了雜亂流場(chǎng)，且整個(gè)加工區(qū)流速較高，這有利于保證電解產(chǎn)物的及時(shí)排除，從而提高加工穩(wěn)定性和加工精度。

圖8 流場(chǎng)流速分布2

為了驗(yàn)證輔助進(jìn)液流場(chǎng)的可行性，開展長葉身、雙緣板葉片的電解加工實(shí)驗(yàn)。同樣，取圖8中的截面，得到該截面流速分布云圖(圖9)，從圖中可以清楚地看出，緣板兩側(cè)的電解液分流被大大抑制，從而使得加工區(qū)流速較高，且葉盆葉背兩側(cè)流速一致性非常好，都穩(wěn)定在25m/s左右，有利于提高葉片型面整體的加工精度。

圖9 截面流速分布2

3 葉片電解加工實(shí)驗(yàn)

電解加工實(shí)驗(yàn)在本課題組自行研制的葉片電解加工機(jī)床上進(jìn)行，陰極材料為不銹鋼，輔助進(jìn)液通道設(shè)計(jì)在陰極桿兩側(cè)。該實(shí)驗(yàn)毛坯如圖10所示，材料為TiAl4822。工裝夾具如圖11所示。

圖10 葉片毛坯

圖11 實(shí)際工裝夾具

實(shí)驗(yàn)采用的加工參數(shù)與前文流場(chǎng)仿真邊界條件保持一致。加工過程中未出現(xiàn)加工意外，輔助進(jìn)液流場(chǎng)方式下加工電流如圖12。從圖中可以看出，傳統(tǒng)側(cè)流式流場(chǎng)下，加工至20min時(shí)電流急劇上升，工件和陰極發(fā)生短路，而輔助供液式流場(chǎng)下，電流穩(wěn)定增長并在最后5min達(dá)到平衡，電解加工進(jìn)入平衡態(tài)。

圖12 加工電流

加工完成后的工件如圖13，在葉盆葉背表面共取6條采樣線Ⅰ-Ⅵ，使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其進(jìn)行精度測(cè)量，每條采樣線分別取50個(gè)點(diǎn)，得到葉盆、葉背誤差分布如圖14。從圖中可以看出，輔助供液式流場(chǎng)對(duì)雙緣板鈦鋁葉片葉盆、葉背的加工具有較高的精度。

圖13 加工完的工件

圖14 工件誤差分布

4 結(jié)語

1) 長葉身雙緣板葉片電解加工中，葉片表面易發(fā)生短路等加工意外，針對(duì)流道結(jié)構(gòu)開展電解液流場(chǎng)仿真分析，結(jié)果表明工件緣板兩側(cè)漏液導(dǎo)致加工區(qū)域流速分布不均是誘發(fā)加工意外的主要原因。

2) 提出了多向輔助供液的流場(chǎng)方式，通過對(duì)緣板兩側(cè)進(jìn)行輔助供液，在電解液流失區(qū)域構(gòu)建液體密封，對(duì)提出流場(chǎng)方式開展仿真分析，結(jié)果表明提出的流場(chǎng)方式抑制了電解液流失，顯著提升了加工區(qū)電解液流場(chǎng)穩(wěn)定性。

3) 為了驗(yàn)證提出流場(chǎng)方式可行性，開展了長葉身雙緣板葉片的電解加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明多向輔助供液式流場(chǎng)顯著提升了加工穩(wěn)定性，試驗(yàn)件具有較好的加工精度。