一种叶片型面精密电解成型电极及加工方法与流程

本发明涉及一种航空发动机压气机叶片型面加工技术，具体地说是一种叶片型面精密电解成型电极及加工方法。

背景技术：

电解加工的原理是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理而去除材料，将工件加工成型的一种非传统切削加工方法。电解加工时，工具(刀具)作为阴极、工件作为阳极连接到直流电源。在电解液中，工具阴极以一定的速度移向工件阳极，工具和工件之间发生电荷交换，阳极工件材料被溶解，并被高速流动的电解液带走，从而达到非常精确的加工要求。

采用电解方法进行发动机压气机叶片加工，在国外先进航空发动机上已广泛应用，如德国MTU公司如今超过90％的压气机叶片使用这一工艺加工。(“台风”引擎RB199的中压和高压压气机，EJ200发动机的高压压气机)。

目前，针对此类压气机叶片现行主导工艺采用冷轧板毛坯，叶身型面采用辊轧与手工抛光的加工方法。由于叶片型面变化曲率大、端弯、后掠，目前主导工艺辊轧加工达不到无余量，加工后叶片变形，造成型面超差，制造符合性差。在辊轧工艺无法实现进排气边缘精密加工的情况下，采用数控铣的方法加工叶身型面，可以实现叶身型面精密加工的目标，但成本和效率均不能满足批产要求。

技术实现要素：

针对现有技术中采用数控铣的方法加工叶身型面存在效率低、成本高、质量不稳定、不能满足批产要求等不足，本发明要解决的问题是提供一种效率高，成本低，减少大量的刀具消耗和数控设备占用时间的叶片型面精密电解成型电极及加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种叶片型面精密电解成型电极，包括叶背成型电极、叶盆成型电极以及定位装夹装置，其中定位装夹装置安装到机床的纵向Z轴的转接盘上，叶片工件装配在定位装夹装置上；叶背成型电极和叶盆成型电极分别与电解机床X1、X2轴的进给运动轴连接；叶背成型电极、叶盆成型电极合模，与定位装夹装置形成密封腔，叶片工件被封闭于密封腔中；密封腔通过电解液进液口和电解液出液口与外部电解液管路连通。

叶背成型电极具有叶背绝缘密封块和叶背工作阴极，该叶背绝缘密封块上设有凹槽，叶背工作阴极设于叶背绝缘密封块中部，并与叶背绝缘密封块形成凹槽；叶盆成型电极具有叶盆绝缘密封块和叶盆工作阴极，叶盆工作阴极设于叶盆绝缘密封块中部，在叶盆工作阴极和叶盆绝缘密封块之间具有凸台；定位装夹装置上设有绝缘密封压盖；凹槽、凸台以及绝缘密封压盖相对应并配合，在叶背工作阴极和叶盆工作阴极之间形成一个相对封闭的密封腔，将待加工的叶片封闭在内，构成密封稳流结构。

叶背工作阴极和叶盆工作阴极通过电缆与脉冲电源的正极连接，叶片工件通过电缆与脉冲电源的负极连接。

电解机床为具备多轴的高频窄脉冲精密电解机床，其具有可快速定位并分别与机床X1、X2两进给运动轴连接的第一、二HSK高精度液压夹头，叶背成型电极和叶盆成型电极分别连接在第一、二HSK高精度液压夹头上。

电解液进液口和电解液出液口分别设置在叶盆成型电极上、叶盆绝缘密封块的两侧，电解液进液口与外部高压电解液管路连接。

叶背成型电极前端设有阴极对刀销，叶盆成型电极前端的相应位置设有阴极对刀孔。

叶背成型电极上部设有叶片对刀销。

本发明一种叶片型面精密电解成型电极的加工方法，包括以下步骤：

在高频窄脉冲精密电解机床上安装叶背成型电极和叶盆成型电极，并确定背成型电极和叶盆成型电极的相对位置；

将叶片工件装配在定位装夹装置上，并安装到机床的纵向Z轴的转接盘上，并确定叶片与叶背成型电极的相对位置；

将叶片送入叶背成型电极和叶盆成型电极之间的空腔内；

操作进给轴运行，使空腔形成密封腔，将待加工的叶片封闭在内；

将电解液进液口接通高压的电解液，使密封腔内迅速充满流场分布均匀的电解液；

叶背工作阴极和叶盆工作阴极通过电缆与脉冲电源的正极连接，叶片工件通过电缆与脉冲电源的负极连接；在叶背工作阴极、叶盆工作阴极与叶片之间施加电压5～25V、脉冲50～1000Hz、电流几百到上万安培的脉冲电流；通电时间为5～10分钟。

完成一个叶片叶型的加工后，将叶背成型电极、叶盆成型电极向后退回至安全距离，将夹持叶片的Z轴抬高至安全距离，更换新的待加工叶片，循环上述步骤完成新的叶片型面的精密电解加工。

使空腔形成密封腔为：叶背成型电极中的叶背绝缘密封块与叶盆成型电极中的叶盆绝缘密封块和定位装夹装置中绝缘密封压盖相对应并配合，在叶背工作阴极和叶盆工作阴极之间形成一个相对封闭的密封腔，将待加工的叶片封闭在内，构成密封稳流结构。

确定背成型电极和叶盆成型电极的相对位置为：

在高频窄脉冲精密电解机床上，通过其第一、二HSK高精度液压夹头分别装夹叶背成型电极和叶盆成型电极；

通过HSK高精度液压夹头，快速定位并精确的与机床X1、X2两进给运动轴连接，通过电极对刀销确保叶背成型电极与叶盆成型电极的相对位置。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明解决了压气机叶片成型精度高的加工难题，提出一种新的精密电解加工的成型电极及其工艺方法，保证叶片型面的无余量加工，相对于数控铣加工方法，电解加工成本仅为数控铣成本的10％，效率却是其3倍以上。同时保证了叶片零件加工质量，适于大批量生产，具有巨大的潜在效益。

2.本发明通过一对成型电极结构的设计以及与叶片工件装夹定位装置的装配关系构成密封稳流结构，保证叶片工件与电极的相对进给运动，在加工过程中始终处于压力密封状态，保证流场的均匀性与稳定性，并通过选择加工参数以及加工程序编制，实现叶片型面精密电解加工，可以实现高效、低成本的批量生产。

3.本发明可应用于压气机叶片制造领域，适用于钛合金、高温合金等材料的叶片型面无余量加工，方法不同于传统的机械加工，应用电解加工压气机叶片成本低、效率高，可有效解决此类叶片加工精度高等技术难题，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为叶片成型电极与叶片装夹装置装配关系图；

图2为叶背成型电极结构示意图；

图3为叶盆成型电极结构示意图；

图4为叶片成型阴极及电解液流场方式示意图。

其中，1为叶片工件，2为定位装夹装置，3为叶背成型电极，4为叶盆成型电极，5为绝缘密封压盖，6为叶背工作阴极，7为叶片对刀销，8为叶背绝缘密封块(凹槽)，9为叶背电极底座，10为电极对刀销，11a为第一HSK高精度液压夹头，11b为第二HSK高精度液压夹头，12为电解液进液口，13为电解液出液口，14为叶盆工作阴极，15为叶盆绝缘密封块，16为叶盆电极底座，17为密封腔。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种用于压气机无安装板类静子叶片叶型精密电解无余量加工的成型电极及工艺方法，包括三维翼型曲面工作阴极、密封稳流结构、电解液进/出液口以及专用的HSK液压夹头等。工作阴极为叶片成型加工的核心工具，电极型面部分可以根据叶片零件的不同结构、通过间隙计算而设计成不同的形状，电解液流场采用行程最短原则，进/排气边进入，排/进气边流出，使加工过程更加稳定，实现高效、低成本加工。

本发明一种叶片型面精密电解加工的成型电极及工艺方法，实施的前提是采用电解或其他方法进行叶片粗加工的基础上，叶片型面余量基本控制在0.3～1.2mm之间，主要针对压气机叶片型面以及难加工的前后缘进行精加工，实施的条件是具备多轴的高频窄脉冲精密电解机床。

如图1～4所示，本发明一种叶片型面精密电解成型电极，包括叶背成型电极3、叶盆成型电极4以及定位装夹装置2，其中定位装夹装置2安装到机床的纵向Z轴的转接盘上，叶片工件1装配在定位装夹装置2上；叶背成型电极3和叶盆成型电极4分别与电解机床X1、X2轴的进给运动轴连接；叶背成型电极3、叶盆成型电极4合模，与定位装夹装置2形成密封腔，叶片工件1被封闭于密封腔中；密封腔通过电解液进液口12和电解液出液口13与外部电解液管路连通。

如图2所示，叶背成型电极3具有叶背绝缘密封块8和叶背工作阴极6，该叶背绝缘密封块8上设有凹槽，叶背工作阴极6设于叶背绝缘密封块8中部，并与叶背绝缘密封块8形成凹槽；叶背成型电极3上部设有叶片对刀销7，做为电极坐标的参考点。

如图3所示，叶盆成型电极4具有叶盆绝缘密封块15和叶盆工作阴极14，叶盆工作阴极14设于叶盆绝缘密封块15中部，在叶盆工作阴极14和叶盆绝缘密封块15之间具有凸台；，叶盆成型电极4前端的相应位置设有阴极对刀孔；定位装夹装置2上设有绝缘密封压盖5；凹槽、凸台以及绝缘密封压盖15相对应并配合，在叶背工作阴极6和叶盆工作阴极14之间形成一个相对封闭的密封腔17，将待加工的叶片1封闭在内，构成密封稳流结构。叶背工作阴极6和叶盆工作阴极14通过电缆与脉冲电源的正极连接，叶片工件1通过电缆与脉冲电源的负极连接。电解液进液口12和电解液出液口13分别设置在叶盆成型电极4上、叶盆绝缘密封块15的两侧，电解液进液口12与外部高压电解液管路连接。

如图4所示，为清楚表达内部密封结构，本图没有示出上部的绝缘密封压盖5。

本发明一种叶片型面精密电解成型电极的加工方法包括以下步骤：

在高频窄脉冲精密电解机床上安装叶背成型电极3和叶盆成型电极4，并确定背成型电极3和叶盆成型电极4的相对位置；

将叶片工件1装配在定位装夹装置2上，并安装到机床的纵向Z轴的转接盘上，并确定叶片与叶背成型电极3的相对位置；

将叶片1送入叶背成型电极3和叶盆成型电极4之间的空腔内；

操作进给轴运行，使空腔形成密封腔，将待加工的叶片1封闭在内；

将电解液进液口12接通高压的电解液，使密封腔17内迅速充满流场分布均匀的电解液；

叶背工作阴极6和叶盆工作阴极14通过电缆与脉冲电源的正极连接，叶片工件1通过电缆与脉冲电源的负极连接；在叶背工作阴极6、叶盆工作阴极14与叶片1之间施加电压5～25V、脉冲50～1000Hz、电流几百到上万安培的脉冲电流；通电时间为5～10分钟，电流的大小根据加工叶片加工面积的大小决定。

完成一个叶片叶型的加工后，将叶背成型电极3、叶盆成型电极4向后退回至安全距离，将夹持叶片1的Z轴抬高至安全距离，更换新的待加工叶片，循环上述步骤完成新的叶片型面的精密电解加工。

本实施例中，首先在高频窄脉冲精密电解机床上，通过其第一、二HSK高精度液压夹头11a、11b分别装夹叶背成型电极3和叶盆成型电极4；通过HSK高精度液压夹头11，快速定位并精确的与机床X1、X2两进给运动轴连接，通过电极对刀销10确保叶背成型电极3与叶盆成型电极4的相对位置。

将叶片工件1装配在定位装夹装置2上，并安装到机床的纵向Z轴的转接盘上，然后将叶片1与叶片对刀销7进行对刀，确定叶片工件1相对叶背成型电极3、叶盆成型电极4在Z向和Y向的相对位置。最后将叶片工件1送进到叶背成型电极3和叶盆成型电极4之间的空腔内，如图1所示，保证叶片1与叶背成型电极3和叶盆成型电极4的相对位置(初始间隙)。

叶背成型电极3中的叶背工作阴极6和叶盆成型电极4中的叶盆工作阴极14，分别实现对叶片1的叶盆、叶背型面的精加工，并且在工作阴极边缘上设计有对应叶片前后缘的圆角，保证了对叶片前后缘的精加工，如图4所示。

图2所示的叶背成型电极3中带有叶背绝缘密封块8，其具有凹槽部分，该凹槽部分与图3所示的叶盆成型电极4中的叶盆绝缘密封块15的凸台部分和定位装夹装置2中绝缘密封压盖5相对应并配合，在叶背工作阴极6和叶盆工作阴极14之间形成一个相对封闭的密封腔17(如图4)，将待加工的叶片1封闭在内，构成密封稳流结构。将电解液进液口12接通高压的电解液，密封腔17内就迅速充满了流场分布均匀的电解液。

叶背工作阴极6、叶盆工作阴极14与叶片1之间初始间隙根据经验定律计算得出并根据实际实验结果进行优化，精密电解加工时一般可达到10μm左右。