定子叶片环脉冲动态电化学加工的机理

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Mechanism of pulsed dynamic electrochemical machining of stator vane rings

　　摘要
定子叶片环是现代航空发动机中的关键部件。然而，由于其封闭的结构和难以加工的材料，精密制造面临着重大挑战。脉冲动态电化学加工（PDECM）是一种适用于此类部件的有前景的制造技术。然而，传统等截面阴极（ESC）的过度变形会导致局部短路并降低加工精度。为了解决这个问题，基于刚体变形理论提出了一种新型变截面阴极（VSC）。此外，还将电化学场引入双向流固耦合（FSI）模型中，系统地研究了电解质流动、阴极振动和电化学反应在PDECM过程中对阴极变形的耦合效应。仿真结果表明，与ESC相比，VSC的最大变形减少了55%。变形向量周期性地从压缩变形（0.006毫米）变为拉伸变形（-0.039毫米）。电极间隙（IEG）中的气泡流动抵消了7.4%的局部压缩变形。最后，通过PDECM实验和阴极应变测量验证了所提出的方法。结果显示，VSC的最大应变减少到了53.547微米，相比ESC减少了69.7%。最大轮廓偏差和重复性误差分别减少了0.25毫米和0.06毫米，分别提高了19%和50%。表面粗糙度降低到了Ra 0.223微米。所提出的阴极设计显著提高了PDECM的稳定性和一致性。

引言
定子叶片环是航空发动机的关键部件。与传统榫接组件相比，使用定子叶片环可以减少发动机部件的数量和重量，增强叶片的刚性，并消除叶尖间隙损耗，从而提高发动机的效率和空气动力学性能[[1], [2], [3], [4]]。然而，定子叶片环的通道是扭曲且狭窄的，形成了封闭结构。此外，它通常由镍基合金和钛合金等难以加工的材料制成，这对传统制造技术提出了重大挑战[[5], [6], [7]]。因此，开发高效且成本效益高的定子叶片环制造方法仍然是一个主要挑战，并且引起了相当多的研究关注。电化学加工（ECM）是一种基于阳极溶解的非接触加工工艺，为此类应用提供了一个有前景的替代方案。ECM的特点是加工效率高、工具磨损小，并且不受工件材料机械性能的影响[[8], [9], [10], [11]]。尽管如此，专门针对定子叶片环的ECM研究仍然相对有限。因此，探索用于定子叶片环制造的ECM对于促进大规模生产至关重要。
目前，ECM已成为生产这些难以加工的整体部件的主要制造技术之一[[12], [13], [14], [15]]。为了提高ECM的精度，大量研究集中在阴极结构设计、流场优化和电极间隙（IEG）调节上[[16], [17], [18], [19], [20]]。在阴极结构设计方面，Tong等人提出了一种非等距弧形阴极，以补偿加工间隙并提高扭曲叶片的加工精度[[21]]。同时，Tao等人开发了一种微结构表面阴极，以实现孔和凹坑的跨尺度加工，从而提高孔特征的尺寸精度[[22]]。这些研究表明，合理的阴极设计可以有效优化局部电场和流场分布，从而提高加工精度。除了阴极设计外，流场优化在ECM中也起着关键作用，因为它显著影响加工精度[[23]]。电解质不仅作为电化学反应的介质，还帮助去除加工间隙内的反应副产物、热量和气泡[[24], [25], [26]]。为了解决叶片ECM中的稳定性问题，Guo等人提出了一种四方向电解质供应流场，提高了加工稳定性和表面质量[[27]]。Cao等人定期改变电解质流动方向，以提高凸形结构的对称性和成型精度[[28]]。这些研究从流场设计的角度提供了提高ECM精度的有效方法。此外，ECM精度还受到IEG动态变化的影响[[29], [30], [31], [32], [33]]。Paczkowski等人通过控制和监测工具振动下的IEG来优化工艺参数，从而提高了加工精度[[34]]。Rajurkar等人通过在线监测策略建立了脉冲电流信号方差与间隙尺寸之间的线性关系，从而保持小间隙以提高加工精度[[35]]。然而，对于具有明显扭曲特性的复杂部件（如定子叶片环），电化学粗加工后剩余的材料余量分布非常不均匀。传统优化方法的有限平整能力使得难以满足后续精加工过程的精度要求。这种限制主要源于传统ECM中IEG调节不足。因此，将脉冲电源与工具振动结合起来对于提高定子叶片环的加工精度尤为重要。

脉冲动态电化学加工（PDECM）是一种结合了工具振动和间歇式电源的混合ECM技术[[36], [37], [38]]。为了进一步提高ECM精度，研究人员开发了几种创新方法，如振动辅助、脉冲电压应用和双极脉冲技术。这些进步总共带来了ECM性能的显著提高[[39], [40], [41], [42], [43]]。实验研究证实，脉冲电流和工具振动的协同作用显著提高了ECM精度[[44], [45], [46], [47]]。Ghoshal等人研究了电压、幅度和频率对钨微工具制造的影响，实现了快速高效的工具制造[[48]]。Panda等人提出了一种采用阶梯脉冲波形的脉宽调制策略来控制电位转移，从而提高了电化学微加工的精度和表面质量[[49]]。Shen等人开发了一个多物理场耦合的数学模型来优化PDECM工艺参数，在减少阴极校正的同时提高了加工精度，从而提高了整体效率[[50]]。Wang等人基于微幅度振动和短脉宽的同步耦合，为小间隙条件下的叶片加工实现了精确加工[[51]]。Nakamura等人通过结合工具振动后施加单次电流脉冲和冲压冲洗，实现了高精度加工[[52]]。
以往关于PDECM的研究主要集中在匹配脉冲和振动参数以提高加工精度和表面质量上。然而，对PDECM过程中作用在阴极上的力条件关注较少。特别是，IEG内的压力和气泡分布以及工具振动期间电极上的振动参数的影响尚未得到系统研究。此外，工具的实际变形行为难以直接测量，减少阴极变形和提高PDECM加工精度的理论指导也不够充分。外部力量引起的过度变形会破坏流场稳定性并降低加工精度。因此，迫切需要对PDECM中的阴极变形进行系统研究。为了更好地突出本研究的差异和贡献，表1总结了以往PDECM研究和本工作的比较。

为了解决这一挑战，本研究专注于定子叶片环，旨在通过抑制PDECM过程中的工具变形来提高加工稳定性。主要研究内容如下：首先，理论上分析了电极的力条件和变形位置，并提出了一种变截面阴极（VSC）设计方法。所提出的方法补偿了工具的厚度损失，改善了流场压力分布，并减少了电极变形。随后，进行了定子叶片环的双向流固耦合（FSI）仿真，以研究电解质流动、阴极振动和电化学反应的耦合效应。将电化学场纳入FSI模型中，以确定电流密度分布和氢气生成行为，从而在多物理场耦合条件下更全面地分析阴极变形。最后，使用动态应变信号测试平台（DSSTP）和多轴加工中心对定子叶片环进行阴极应变测量和PDECM实验，以验证所提出的理论和仿真结果。VSC成功应用于定子叶片环的高精度加工，为航空航天及相关领域复杂部件的精密制造提供了一种可行的方法。

本文的结构如下：第2节介绍了定子叶片环PDECM的基本原理，并基于力分析建立了电极设计理论。第3节详细研究了IEG内的质量传递行为和电极的变形特性。第4节描述了进行的应变测量和加工实验，以验证VSC的有效性，并评估其在定子叶片环PDECM中的加工性能。第5节提出了本研究的结论。

VSC设计原理
本节介绍了定子叶片环PDECM的加工原理，并概述了整体研究框架。基于刚体变形理论和电化学成形机制，提出了一种VSC设计方法，并建立了相应的阴极模型。所提出的设计方法和阴极模型为后续的仿真分析和实验验证提供了理论基础。

PDECM中工具变形的数值模拟
本节基于机械分析和所提出的VSC设计方法，研究了PDECM过程中阴极的变形行为。建立了双向FSI模型，并进行了VSC优化仿真，以评估其变形特性。通过比较VSC和ESC的仿真结果，全面分析了应力分布、流动和质量传递行为以及变形机制，为实验分析提供了理论支持。

实验分析
本节通过实验验证了所提出的VSC设计的有效性。选择了一个典型的航空发动机定子叶片环作为加工对象，并设计和制造了ESC和VSC。然后进行了实时阴极应变测量，以比较两种阴极结构的变形特性。接着评估了加工稳定性、轮廓精度、重复性和表面质量，以验证数值预测并评估加工效果。

结论
本研究研究了定子叶片环的PDECM机制。提出了一种VSC设计方法，以克服传统ESC由于载荷分布不均匀而引起的变形。VSC补偿了由几何约束造成的厚度损失，促进了阴极上更均匀的载荷分布，从而提高了其结构刚性。此外，导流表面结构增强了电解质的流动稳定性和可访问性。

作者贡献声明
周新群：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。朱东：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。黄宏新：验证、数据管理。王若龙：验证。史浩：数据管理。

南京航空航天大学机械与电气工程学院，中国南京210016