采用3D刀具路径的电解加工技术用于整体封闭式轴盘通道加工

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Electrochemical machining with 3D toolpath for integral shrouded blisk channels

　　苏莱·李|董 Zhu|左航|张庆红|王若龙 中国南京航空航天大学 摘要：整体式遮罩式盘状件是航空发动机中的关键部件，其结构为封闭形式，给传统加工方法带来了挑战。电化学加工具有无刀具磨损且效率高的优点，非常适合用于加工这类零件。由于整体式遮罩式盘状件的叶片呈扭曲状态，电极进给轨迹会直接影响加工精度。采用直线轨迹加工的叶片会出现较大的余量差异。为改善余量均匀性，本文提出了一种法线中心线轨迹设计方法，从而得到曲线轨迹。为实现该轨迹的加工，本文还提出了一种采用三维刀路的可旋转进给模式，即工件沿x轴方向进给的同时绕c轴旋转，阴极则沿y轴方向进给。在这种模式下，阴极两侧的进给速度不同，靠近凸面的位置的进给速度小于凹面位置，因此两部分的材料去除量也有所不同。随后，本文提出了结合溶解机制的轨迹优化方法，得到了修正后的轨迹。接着建立了电场仿真模型，以评估盘状件通道的演变情况。对于直线轨迹，凹面和凸面的余量差异分别为2.35毫米和3.58毫米；而采用修正后的曲线轨迹后，这些数值分别降至2.28毫米和2.12毫米，凸面的余量差异减少了41%。之后，使用可旋转进给模式进行了电化学加工实验，结果显示凹面和凸面的余量差异分别为2.20毫米和2.11毫米，仿真结果与实验结果高度一致。因此，对于整体式遮罩式盘状件的电化学加工而言，曲线轨迹比直线轨迹更为有效。

引言：整体式遮罩式盘状件与整体式盘状件类似，都具有重量轻、传热效率高以及结构强度高的特点[1]–[5]，是航空发动机中的重要组件。与整体式盘状件不同的是，整体式遮罩式盘状件的叶片直接与轮毂和遮罩相连，这有助于减少气动损失并提升效率。此外，由于没有中心部分，整体式遮罩式盘状件的重量也更轻[6]–[8]。然而，由于其结构为封闭形式，加工难度较大，因此已有大量研究致力于探索适合这类零件的加工技术[9]。刘等人提出了一种切线跟踪方法，用于优化整体式遮罩式盘状件五轴电火花加工的进给路径[6]；习等人开发了一种扩展单位弧长增量插值方法，用于多轴电火花加工中通用NURBS曲线的加工[10]；范等人评估了五轴铣削加工整体式遮罩式盘状件的可行性[11]，而景等人则研究了整体式遮罩式盘状件通道精密铣削的刀路规划方法[12]；马格拉莫娃等人提出了一种利用等静压技术将粉末冶金盘状件与单独铸造的遮罩式盘状件结合在一起制造双金属涡轮盘状件的方法[13]；梁等人则提出了一种结合电子束熔炼与电火花加工的技术，用于生产遮罩式盘状件[14]；普拉巴等人则研究了利用3D打印技术制造离心压缩机用三维遮罩式盘状件的方法[15]。总体而言，尽管已有多种加工整体式遮罩式盘状件的方法被研究出来，但铣削和电火花加工仍然是最常用的方式。电化学加工具有无刀具磨损、表面质量高，且能够加工各种强度和硬度的材料等优点[16]–[21]。为了进一步降低加工成本，本文研究了电化学加工在整体式遮罩式盘状件加工中的应用。

由于整体式遮罩式盘状件的叶片呈扭曲状态，加工轨迹对加工质量有着重要影响。目前已有不少学者对整体式盘状件的电化学加工进行了研究。雷等人提出了一种结合旋转进给与位移进给策略的方法，该方法提高了加工叶片的余量均匀性[22]；本文则通过建立参数模型，并以最小化最大余量差异为目标来优化进给轨迹；张等人提出了一种采用螺旋进给方式的刀具轨迹，该方法降低了凹面和凸面的余量差异[23]；本文则通过建立数学模型，描述了阴极的进给位置与旋转角度之间的关系，从而确定了不同进给深度下的最优旋转角度；段等人提出了一种多刀具轨迹控制策略，该方法降低了凹面和凸面的最大余量差异[24]；本文则通过调节进给速度来控制两侧的间隙分布，进而提升了余量分布的均匀性；王等人提出了一种在电化学加工盘状件通道时，让阴极和工件都进行缓慢旋转的方法，以此提高余量分布的均匀性[25]；本文建立了余量差异与阴极及工件旋转角度之间关系的数学模型，从而确定了不同进给深度下的最优旋转角度和轨迹，同时还提出了一种可变进给速度模式，以进一步减小余量[26]。目前已有三种用于加工整体式盘状件的电化学加工方法：电化学钻削、螺旋进给以及管状电极加工。其中，电化学钻削和螺旋进给主要是通过阴极的径向旋转进给来实现加工，而管状电极加工则主要依靠阴极的轴向进给，这些方法本质上都是基于阴极的复合旋转运动。然而，对于结构封闭且通道高度扭曲的整体式遮罩式盘状件来说，上述方法均不适用，因此需要探索新的轨迹和加工策略。

在复杂轨迹设计方面，也有大量研究开展。对于壳体之类的轴对称零件，王等人开发了一种反向旋转电化学加工的成型过程仿真方法，这是一种该领域的独特方案[27]；此外，沃尔金等人研究了不同的工具-电极运动轨迹（直线、旋转、振荡）对电化学微加工的影响，为复杂微结构的高精度数控加工提供了理论基础[28]；苏弗拉斯等人提出了一种基于仿真的工艺规划方法，该方法利用数字模型和优化算法来提高机器人加工的精度[29]；帕帕查拉兰波洛斯等人分析了MPRTO中的实时路径优化问题，提出了用于轨迹跟踪的经验性及约束性控制策略[30]；斯塔夫罗普洛斯等人则将加工过程的数字孪生技术引入其中，用以优化便携式机器人加工单元的结构设计，从而限制动态变形，提升加工精度[31]；段等人提出了一种受限复合出流模式，旨在提升多刀具电化学加工盘状件通道时的流场均匀性及加工稳定性[32]；比卡斯等人则总结了镍基超合金铣削过程中面临的挑战，并提出了通过仿真、监测、切削工具以及非传统策略来提升加工效率的建议[33]。不过，目前尚未有研究针对整体式遮罩式盘状件的电化学加工轨迹展开研究。

电化学钻孔与整体式遮罩式盘状件的电化学加工有相似之处，因为两者都涉及封闭结构。大多数电化学钻孔操作都是针对直孔进行的[34]–[36]，但这种简单的直线轨迹并不适用于整体式遮罩式盘状件的加工。采用传统直线轨迹加工整体式遮罩式盘状件时，其加工余量的分布并不均匀。为解决这一问题，本文提出了一种用于整体式遮罩式盘状件电化学加工的曲线轨迹设计方法。为实现曲线轨迹加工，本文引入了一种采用三维刀路的可旋转进给模式。在该加工过程中，工件绕c轴旋转的同时沿x轴方向进给，阴极则同时沿y轴方向进给。由于这种运动方式，阴极两侧的速率不同，从而导致工件凸面和凹面之间的材料去除量存在差异。基于这一原理，结合电化学加工的溶解特性，对曲线轨迹进行了进一步修正。随后，通过电场仿真比较了直线轨迹与曲线轨迹的加工效果。最后，通过实验验证了仿真结果是否与实验结果一致。

曲线轨迹的描述：整体式盘状件的电化学加工通常包括两个阶段：粗加工和精加工。在粗加工阶段，工件从原始毛坯加工成叶片毛坯及通道结构[37]；在精加工阶段，则通过带形状的阴极进入通道，从而加工出尺寸精确的叶片。但如果粗加工后的叶片余量不均匀，那么精加工就有可能因为初始误差而无法达到所需的精度。所谓初始误差，具体表现为……

曲线轨迹的设计与修正方法：本文提出了一种法线中心线轨迹设计方法，该方法使得设计轨迹上的各点与叶片的凹面和凸面保持大致相等的法线距离。通过可旋转进给模式，可以实现整体式遮罩式盘状件的曲线轨迹加工。随后，结合电化学加工的溶解机制，得到了修正后的曲线轨迹。

电场仿真：为验证上述曲线轨迹的有效性，本文分别利用直线轨迹和修正后的曲线轨迹，对整体式遮罩式盘状件气流通道的溶解过程进行了仿真，从而得到了工件的形状演变情况以及盘状件的余量分布情况。

实验流程：本文采用了可旋转进给模式进行了电化学加工实验。加工系统的示意图如图15(a)所示，该系统包括工具阴极、工件、机床、循环系统以及电源。工具阴极由阴极棒和阴极体组成，阴极棒由金属材料制成，主要用于导电，并为电解质流入阴极加工区域提供空心内腔；阴极体则由某种材料制成……

结论：基于整体式遮罩式盘状件的结构特点，本文开发了一种法线中心线轨迹设计方法。此外，为实现曲线通道的加工，本文提出了可旋转进给模式。随后，结合电化学加工的溶解机制，对曲线轨迹进行了修正。接着，分别对直线轨迹和修正后的曲线轨迹进行了仿真。最后，通过实验验证了仿真的有效性。得出的结论如下……

作者贡献说明：张庆红：数据整理；左航：验证、数据整理；董 Zhu：写作——审稿与编辑、指导、资金申请；苏莱·李：写作——初稿撰写、方法研究、实验分析、数据整理、概念构思；王若龙：数据整理。

资助情况：本研究得到了中国国家自然科学基金[项目编号52275435]以及中国国家自然科学基金创新研究群体项目[项目编号51921003]的支持。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。