闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工装置及方法

本发明属于电解加工，尤其涉及一种闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工装置及方法。

背景技术：

1、采用高温合金、钛合金材质的闭式构件是高性能涡轮喷气发动机、运载火箭发动机涡轮泵的核心零件之一。闭式构件通常包括轮毂、叶冠和叶片三部分，得益于带有叶冠的整体式设计，闭式构件能够大幅减少气体在叶尖和叶冠间的逸流损失，提高气动效率，同时由于轮毂、叶片、叶冠设计成一种整体框架结构，减少了各部分之间的连接，使其结构更加紧凑，在减轻零件质量的同时增强了叶轮强度和刚性，使得零件工作可靠性和使用寿命都显著提高。

2、闭式构件从毛坯到最终理想形状，需要成形的型面包括叶盆面、叶背面、轮毂面和叶冠面等四部分，由于叶冠的存在，叶栅通道仅在进、排气边开放，同时叶片弯扭，导致其开敞性大大降低，因此在传统切削加工时刀具运动受到限制，极易与待加工型面发生干涉，加工可达性差，而且上述材料切削加工性能较差，所以加工难度较高。目前闭式构件主要加工方法有数控铣削、电火花加工、电弧放电加工和电解加工等。数控铣削具有自动化程度高、准备周期短以及加工精度高等优越性，但刀具损耗大、加工效率低、加工薄壁零件易变形，对于弯扭复合的叶片其加工可达性较差。电火花加工具有材料适应范围广、加工精度高、加工过程无宏观切削力，可实现低表面粗糙度加工等特点，特别适合难加工材料、薄壁整体构件的加工，但工具电极存在损耗，影响电极的重复加工精度，电火花加工产生的重铸层和微裂纹等会影响加工工件的表面质量。电弧放电加工效率高、成本低，但是电极损耗较大，材料易烧蚀，使加工表面产生较厚的热影响层。

3、电解加工是一种基于电化学阳极溶解原理将阳极工件按照一定的形状和尺寸加工成形的工艺方法，具有材料去除率高、加工表面质量好、工具阴极无损耗、加工范围广等特点，可用于加工任何导电材料，加工时不受材料的硬度、强度、韧性等力学性能限制，常用于加工诸如镍基高温合金、钛合金、金属间化合物等各种难切削金属，特别适合零部件的大批量生产以及各种具有复杂三维型面零件的加工，已被广泛应用于航空航天、兵器等行业，成为国内外航空发动机中难加工材料复杂形状工件的主流制造方法之一。

4、针对开式整体叶盘，传统电解加工方法一般分为两道工序：叶栅通道预加工和叶片型面精加工。首先通过叶栅通道预加工工序，蚀除相邻叶片之间的大部分材料，形成一条通道，并在叶片毛坯上预留了一定的加工余量。在叶片型面精加工工序，成型阴极运动至叶栅通道内，通过成型阴极的进给将上一工序预留的余量去除，形成最终的叶片轮廓，完成叶片型面的精加工。若采用传统电解加工方法加工闭式构件，除叶栅通道预加工工序外，在叶片型面精加工工序，需要分别设计轮毂面加工阴极、叶冠面加工阴极、叶盆面加工阴极和叶背面加工阴极及其相应的夹具，同时加上阴极的修正试验，工序繁琐，极大降低了加工效率，每一工序更换阴极及夹具引起的重复定位误差会使加工精度大打折扣，因此采用传统的整体叶盘分步电解加工方法难以满足批量生产的要求，亟需探索新的低成本、高效率、高精度的电解加工工艺方法。

5、在专利“一种适于加工闭式复杂曲面的非圆刀具铣削加工装置”（申请号201710739181.3申请人北京航空航天大学枣庄北航机床创新研究院有限公司发明人陈志同杨涧石全芳张云宁涛李珊珊佀传瑞田野）中，采用非圆刀具铣削加工装置，用于闭式叶轮、叶环、机匣流道的加工，可提高曲面的加工效率和加工质量，适合对半封闭空间的曲面进行加工。与之相比，本专利采用电解加工，无工具电极损耗，可加工难加工材料，同时可对开敞性差的复杂弯扭曲面进行加工。

6、在专利“闭式整体叶盘五坐标插铣加工方法”（申请号200910219433.5申请人西北工业大学发明人姚倡锋任军学张定华史耀耀田荣鑫梁永收黄新春）中，对加工的闭式整体叶盘的通道进行加工区域划分，分别得到进气边加工区域和排气边加工区域的插铣刀位轨迹，对闭式整体叶盘进行插铣加工。与之相比，本专利采用电解加工，加工效率高，加工周期短，适合敞开性不足的弯扭复合叶片复杂曲面的加工。

7、在专利“整体闭式叶环的叶型电火花成型加工方法及其夹具和电极”（申请号201811059341.0申请人西安西航集团莱特航空制造技术有限公司发明人石红敏李长青宋晓庆彭明友张永刚时俊强冯咏郑小松）中，提出了一种用于整体闭式叶环的叶型电火花成型加工方法及其夹具和电极，依靠电极型面保证叶片和气流通道型面，该方法不受叶形型面复杂程度的限制；通过使用成型电极，并配合电极夹具便可在电火花成型机上实现多轴联动电火花成型加工。与之相比，本专利采用原位连续全型面电解加工，无需更换夹具和重新定位，工序简单，重复加工精度高。

8、在专利“闭式整体叶盘电火花加工预孔抽液排屑方法”（申请号201810899563.7申请人上海交通大学深圳研究院上海交通大学发明人康小明赵万生徐海华）中，在闭式整体叶盘毛坯上加工出用于抽液的预孔，后采用多轴联动电火花加工叶栅通道，可有效排除放电蚀除产物，提高加工效率。与之相比，本专利采用电解加工无需对工件进行预处理，在一个加工工序内可实现闭式构件的粗精一体化加工。

9、在专利“用于高速放电加工的叠片式内冲液成型电极”（申请号201210026722.5申请人上海交通大学发明人赵万生顾琳向小莉）中，提出一种用于高速放电加工的叠片式内冲液成型电极，包括电极叠片组及电极接头，其中电极叠片组由多个电极片叠加并紧固而成，形成成型电极进行放电加工，电极片表面设有多个通槽，通过叠加电极片从而在成型电极间构建出多个通孔，用于内冲液，实现叶栅通道的预加工。与之相比，本专利采用一体化阴极分区通电方式，阴极通/断电与进给方向相匹配，可实现定域溶解，加工精度高，且无阴极损耗，可进行原位连续全型面精加工，加工效率高，内部中空的阴极结构，可以实现内冲液，提高流场的均匀性和加工稳定性。

10、在专利“一种整体叶盘电解加工方法”(申请号201811128151.x申请人中国航空制造技术研究院发明人黄明涛张明岐程小元傅军英)中，采用的加工工具的加工头包括叶盆型面和叶背型面，完成开式叶盘叶栅通道与叶片型面精加工。与之相比，本专利采用一体化阴极，可以实现内冲液，流场均匀性较好，各型面加工阴极的通电状态和阴极进给方向相匹配，使闭式构件的全型面最终均是法向溶解，提高了加工精度。

11、在专利“双面组合双阴极及分段控电整体叶盘电解加工方法”(申请号202210306217.x申请人南京航空航天大学发明人徐正扬沈振宇刘嘉朱栋)中，采用双面组合的双工具阴极同时进给，进行开式整体叶盘的叶栅通道与叶片叶盆型面和叶背型面分步电解加工。与之相比，本专利采用一体化阴极，阴极刚性好，可以实现具有复杂扭曲型面闭式叶盘的全型面电解加工，阴极内部中空，可以实现内冲液，保证流场均匀性和加工稳定性。

12、在专利“闭式叶环旋入式叶栅通道电解加工装置及方法”（申请号202310111384.3申请人南京航空航天大学发明人朱栋杨拓左航朱荻）中，提出一种闭式叶环旋入式叶栅通道电解加工装置及方法，加工时阴极保持固定，工件沿叶片轴向弧形轨迹旋转进给，靠阴极端面进行电解加工，将叶栅通道逐渐加工成形。阴极头上设置有群缝式结构，以保证电解液充分供给到加工区。与之相比，本专利采用一体化阴极，一次装夹便可完成整个周期的粗精一体化加工，提高了加工效率，同时各阴极独立引电，离散了加工区域电场，各型面加工阴极均为法向进给，实现工件表面法向与定域溶解，提高加工精度的同时避免杂散腐蚀，有效改善加工表面质量。

13、在专利“提高带叶冠涡轮盘电火花加工效率的组合电极加工方法”（申请号201410195975.4申请人首都航天机械公司中国运载火箭技术研究院发明人陈济轮钟晓红张昆马宁孙秀京张万刚沈岩朱平萍）中，提出一种提高带叶冠涡轮盘电火花加工效率的组合电极加工方法，包括粗加工、半精加工和精加工工序，使用多个组合电极进行粗加工，增加了放电面积，使加工过程的整体效率提升约30％，然后更换半精加工和精加工的电极进行加工，缩短了电极更换时间，提高机床利用率。与之相比，本专利采用一体化阴极，阴极结构简单，降低了阴极成本，简化了生产工序，无需多次装夹定位，可有效提高加工精度。

14、在专利“一种用于闭式整体叶盘粗加工的多通道并行加工电极”（申请号202011389263.8申请人哈尔滨工业大学发明人迟关心贾雨超王振龙崔丽娟王玉魁）中，采用电极基座和电极头组成的多通道并行加工电极产生电弧脉冲放电对闭式构件进行粗加工，然后采用电火花加工等工艺进行精加工。与之相比，本专利采用一套夹具和一体化阴极即可实现原位连续全型面加工，提高了加工效率。

15、在专利“高精度闭式叶盘成型方法”（申请号201210588218.4申请人中国人民解放军总参谋部第六十研究所发明人吴高强石小红丁磊庄震宇崔巍）中，将闭式整体叶盘拆分成上下两部分，分别下料制作加工，最后焊接为一个整体，然后精加工成成品。与之相比，本专利在一个毛坯上实现整体构件的全型面加工，避免引入其他连接方式中产生的缺陷，可提高工件的稳定性和寿命。

16、在专利“闭式构件电解加工装置及方法”（申请号202211135473.3申请人南京航空航天大学发明人朱栋侯镇浩任明珠朱荻）中，提出了一种闭式构件电解加工装置及方法，该装置将阴极和夹具设计为一个整体，对闭式构件叶片型面进行精加工，一体式夹具可使夹具和阴极共同运动，不但可以实现闭式构件内外流道与叶片型面共同加工，同时使加工区形成封闭流场，提高流场的均匀性和稳定性。与之相比，本专利采用一体化阴极，可以实现叶栅通道和叶片型面的全型面原位连续电解加工，避免了分步电解，减少了工序，提高了加工效率。

17、在闭式构件的电解加工成型过程中，从毛坯到加工成理想的型面，目前大多数研究都需要分为两个加工工序，即采用叶栅通道预加工和叶片型面精加工两道独立的工序，在一个周期内完成闭式构件毛坯粗精一体化电解加工的研究较少，这就导致针对不同的加工工序需单独设计加工阴极以及夹具，在不同电解加工机床上拆卸装夹夹具进行单独加工，导致加工效率过低，加工周期过长，加工精度降低。因此为了简化阴极设计，提高加工效率，缩短加工周期，减少装夹定位误差，保证加工精度，减少杂散腐蚀，提高加工表面质量，发明人提供了一种闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工的方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是在于简化阴极设计步骤，提高加工效率，缩短加工周期，减少装夹定位误差，保证加工精度，提出了一种闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工方法。

2、技术方案：一种闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工工具，其特征在于：包括五面一体化阴极、工装夹具；所述五面一体化阴极包括具有中空结构的绝缘固定支撑，它的端部安装端面加工阴极，端面加工阴极上开有出液口；绝缘固定支撑四个侧面分别安装叶盆面加工阴极、叶背面加工阴极、轮毂面加工阴极、叶冠面加工阴极；上述端面加工阴极、叶盆面加工阴极、叶背面加工阴极、轮毂面加工阴极、叶冠面加工阴极单独引电、互不导通；所述工装夹具包括阴极杆，阴极杆为中空结构，内部为进液通道，五面一体化阴极上端固定于阴极杆，阴极杆上部固定于第一运动轴并与进液管道连接；所述工装夹具从下而上还依次包括支撑盘、绝缘垫盘、封液腔、柔性密封罩；上述绝缘垫盘紧贴支撑盘上端面，上面设置有若干反流槽，反流槽的位置与叶栅通道的位置一一对应，用于容纳加工结束后伸出的部分端面阴极，闭式构件毛坯下端面与绝缘垫盘上端面贴合；上述封液腔紧贴闭式构件毛坯上端面，用于容纳五面一体化阴极确保其上下移动时不发生干涉；上述位于封液腔上部。

3、所述闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工装置，其特征在于：还包括驱动装置；所述驱动装置包括第一运动轴、第二运动轴、第一旋转轴；上述第一运动轴固定于第二运动轴并随其运动，第一运动轴的运动方向垂直于第二运动轴的运动方向；上述第一旋转主轴上端面连接并贴合支撑盘，可带动闭式构件毛坯做旋转运动，其轴心与第一运动轴的运动方向平行。

4、所述的闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工方法，其特征在于：

5、步骤一：安装支撑盘、绝缘垫盘、闭式构件毛坯，将一体化阴极固定于阴极杆，安装一体化阴极、封液腔、柔性密封罩，通过百分表对夹具、闭式构件毛坯、一体化阴极进行测量定位，安装导线，完成对刀。打开电解液循环系统、排气系统，打开电解加工电源；

6、步骤二：驱动五面一体化阴极至叶栅通道加工的最佳进给位置，分区通电换向进给匹配系统自动使端面加工阴极通电，然后驱动第一运动轴使五面一体化阴极沿着闭式构件的轴向向下进给，同时驱动第一旋转轴使闭式构件毛坯绕其轴线旋转，完成叶栅通道粗加工；

7、步骤三：在同工位下，分区通电换向进给匹配系统自动切换至叶盆面加工阴极或叶背面加工阴极通电，驱动五面一体化阴极至叶盆或叶背待加工型面的最佳进给位置，保持五面一体化阴极固定不动，驱动第一旋转轴带动闭式构件毛坯向对应的阴极型面旋转，完成叶盆型面或叶背型面的电解精加工；

8、步骤四：在同工位下，分区通电换向进给匹配系统自动切换至另一侧的叶背面加工阴极或叶盆面加工阴极引电，驱动五面一体化阴极至叶背或叶盆待加工型面的最佳进给位置，保持五面一体化阴极固定不动，驱动第一旋转轴带动闭式构件毛坯向对应的阴极型面旋转，完成叶背型面或叶盆型面的电解精加工；

9、步骤五：在同工位下，分区通电换向进给匹配系统自动切换至轮毂面加工阴极或叶冠面加工阴极引电，驱动五面一体化阴极至轮毂型面或叶冠型面的最佳进给位置，保持闭式构件毛坯固定不动，驱动第二运动轴使五面一体化阴极向待加工面做法向进给运动，完成轮毂型面或叶冠型面的电解精加工；

10、步骤六：在同工位下，分区通电换向进给匹配系统自动切换至叶冠面加工阴极或轮毂面加工阴极引电，驱动五面一体化阴极至叶冠型面或轮毂型面的最佳进给位置，保持闭式构件毛坯固定不动，驱动第二运动轴使五面一体化阴极向待加工面做法向进给运动，完成叶冠型面或轮毂型面的电解精加工；

11、步骤七：当一个通道的叶片全型面加工完成后，分区通电换向进给匹配系统自动使端面加工阴极、叶盆面加工阴极、叶背面加工阴极、轮毂面加工阴极、叶冠面加工阴极全部断电，驱动五面一体化阴极按照设定的回退程序复位至初始加工位置，驱动闭式构件毛坯旋转360/n deg，其中n为闭式构件的叶片数量，重复上述步骤二到步骤七，最终完成闭式构件毛坯所有叶片的加工；

12、步骤八：关闭电解液循环系统、排气系统，关闭电解加工电源和机床。

13、有益效果：与现有技术相比，本发明存在如下显著特点：

14、（1）提供了一种一体化阴极结构。五面一体化阴极由端面加工阴极、叶盆面加工阴极、叶背面加工阴极、轮毂面加工阴极和叶冠面加工阴极五部分组成，各部分之间相互绝缘，并通过绝缘支撑块连接固定为一个整体，实现“形”整体、“电”分离，简化了阴极设计。

15、（2）提供了一种闭式构件全型面粗精一体化加工方法。五面一体化阴极各阴极独立引电，通过分区通电换向进给匹配系统在同一工位下实现了对不同型面加工阴极的分段控电和不同进给方向的匹配，使型面阴极在法向进给时通电加工相应的型面，其余时间断电，离散了电场，实现定域电解，使各加工型面均可以实现法向溶解，完成全型面粗精一体化加工。

16、（3）一体化阴极原位连续全型面电解加工效率高，成本低，加工周期短。原位连续全型面电解加工避免了传统电解加工粗精分离式阴极，无需设计两套夹具两套阴极，减少阴极设计修整时间，简化了闭式构件叶栅通道全型面加工流程；简化了阴极结构，阴极结构便于加工，单个阴极损坏后可单独替换；可以针对叶片型面单独设计加工阴极并进行组装，在降低生产成本的同时有效的提高了加工效率。

17、（4）一体化阴极分区通电原位连续全型面电解加工保证了叶片加工余量，提高了加工精度和表面质量。分区通电加工方法离散了电场，实现定域溶解，有效减少非加工区的杂散腐蚀，保证了叶片加工余量的均匀性，同时提高了表面质量；原位连续电解加工仅需一次装夹便可实现所有通道的加工，避免重复装夹定位过程产生的误差，提高了闭式构件电解加工的精度。

18、（5）一体化阴极原位连续全型面电解加工方法适用范围广，加工灵活性高，对于其他叶盘类零件等，均可针对性的设计各加工阴极型面。

19、所述的闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工工具，其特征在于：上述五面一体化阴极的各型面加工阴极均通过燕尾槽结构与绝缘固定支撑相咬合，在不破坏阴极型面的情况下即可固定阴极，同时燕尾槽结构起到加强筋的作用，有效增加了薄壁阴极的刚度。

20、所述的闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工工具，其特征在于：反流槽的尺寸大于端面加工阴极的尺寸，深度小于端面加工阴极的厚度，反流槽可用于容纳一体化阴极伸出的部分，防止撞刀的同时可密封电解液，在叶栅通道加工穿透的瞬间有效保证电解液压力的稳定性。

21、所述的闭式构件一体化阴极原位连续全型面电解加工工具，其特征在于：上述柔性密封罩由下而上依次由底板、柔性密封板、盖板组成；底板紧贴封液腔上端面，底板和盖板上设置有大于阴极杆的矩形孔，同时盖板下部有深度大于柔性密封板厚度的凹槽，凹槽用于容纳柔性密封板在内部滑动，阴极杆依次穿过底板、柔性密封板和盖板，压紧盖板，柔性密封罩既可满足与阴极同步运动，实现柔性密封的功能，同时结构简单，便于拆卸。