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IJEM

01

作者

劉琳、徐正揚、郝育恒、滕云龍

02

機構(gòu)

南京航空航天大學(xué)

03

Citation

Liu L, Xu Z Y, Hao Y H, Teng Y L. 2025. Electrochemical cutting with flexible electrode of controlled online deformation. Int. J. Extrem. Manuf.7015104.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8734

撰稿 | 文章作者

1. 文章導(dǎo)讀

電解加工憑借其無工具損耗、加工效率高，加工表面無重鑄層與微裂紋等優(yōu)點已成為航空發(fā)動機關(guān)鍵部件的主流加工技術(shù)之一。而隨著航空發(fā)動機性能的不斷提高，航空發(fā)動機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。例如，整體葉盤的葉柵通道變得更加狹窄，葉片型面變得更加扭曲，同時閉式整體葉盤的應(yīng)用也在不斷增加。加工零件的復(fù)雜性決定了工具陰極的設(shè)計與制造難度，這從一定程度上限制了電解加工的進一步應(yīng)用。

為了更好的滿足整體葉盤狹窄扭曲通道的加工需求，近期，南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院的徐正揚教授、劉琳博士生、郝育恒碩士和滕云龍博士生在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《Electrochemical cutting with flexible electrode of controlled online deformation》的研究論文，提出了一種柔性電極動態(tài)變形電解加工的新方法。加工原理如圖1所示。與傳統(tǒng)電解加工采用的工具陰極不同，該方法采用彈性良好的金屬管根據(jù)加工零件的形狀制成柔性電極。加工時，柔性電極以一定速度沿切割方向向工件進給，并且在載荷的作用下產(chǎn)生可控的動態(tài)變形。同時，高速流動的電解液經(jīng)由柔性電極噴入加工間隙，陽極工件在電化學(xué)反應(yīng)過程中逐漸溶解，從而實現(xiàn)復(fù)雜型面的加工。作者團隊首次揭示了柔性電極在線變形電解加工的加工原理，深入分析了柔性電極在線變形過程與型面加工過程，建立了相應(yīng)的理論模型，并針對加工型面完成預(yù)測計算。通過開展變形測量及原位觀測實驗，驗證了柔性電極在線變形的可行性及其理論模型的有效性。最后，采用該方法進行了鎳基高溫合金材料結(jié)構(gòu)的加工，使用不同規(guī)格的柔性電極，均完成了型面加工，驗證了該方法的可行性及通用性。

關(guān)鍵詞

電解加工；動態(tài)變形；柔性電極

亮 點

• 提出了柔性電極動態(tài)變形電解加工新方法；

• 建立了任意圓弧和曲線狀柔性電極動態(tài)變形和型面預(yù)測的理論模型；

• 驗證了該方法的可行性，并成功應(yīng)用于GH4169復(fù)雜型面的加工中；

• 為實現(xiàn)航空發(fā)動機整體葉盤等復(fù)雜部件的加工提供了新的思路和方法。

圖1柔性電極動態(tài)變形電解加工原理: (a) 柔性電極的預(yù)成型; (b) 動態(tài)變形的理論模型; (c) 加工過程。

2. 研究背景

電解加工是一種基于電化學(xué)陽極溶解原理的材料去除過程。由于其具備無工具損耗、不受金屬材料力學(xué)性能限制、加工效率高、無重鑄層、無微裂紋和殘余應(yīng)力等突出優(yōu)勢，被廣泛用于加工航空發(fā)動機關(guān)鍵部件，如整體葉盤、葉片、機匣等。針對整體葉盤的電解加工，通常分為兩步工序，即葉柵通道的電解預(yù)加工和葉片型面的電解精加工。其中葉柵通道電解預(yù)加工是保證加工精度及加工質(zhì)量的基礎(chǔ)。它是根據(jù)準備好的毛坯，通過電解加工方法加工出葉柵通道，同時留有一定的余量，便于后續(xù)的精加工。隨著航空發(fā)動機性能的不斷提高，航空發(fā)動機部件的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。例如，整體葉盤的型面變得更加復(fù)雜，葉柵通道變得更加狹窄。此外，閉式整體葉盤的應(yīng)用也在逐漸增加，由于其帶有葉冠，工具陰極無法從葉尖向葉根進給，空間位置更為受限。這導(dǎo)致通常使用的葉柵通道電解加工方法，無法滿足復(fù)雜構(gòu)件的加工需求。

通過上述的分析發(fā)現(xiàn)，雖然電解加工是整體葉盤有效的加工方法之一，但針對復(fù)雜型面整體葉盤，特別是葉柵通道狹窄，葉片型面扭曲的開式或閉式整體葉盤的制造，依然存在著挑戰(zhàn)。因此，本文創(chuàng)新性地提出了一種柔性電極動態(tài)變形電解加工方法，利用綜合性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單的柔性電極作為工具陰極，在加工過程中，通過對柔性電極施加載荷，產(chǎn)生可控的動態(tài)變形，實現(xiàn)復(fù)雜型面的加工。

3. 最新進展

最新進展主要分為三個部分：柔性電極動態(tài)變形電解加工理論模型的建立，柔性電極動態(tài)變形電解加工驗證實驗的開展和柔性電極的動態(tài)變形對表面完整性的影響。

柔性電極動態(tài)變形電解加工理論模型的建立

深入分析了柔性電極在線變形過程與型面加工過程，建立了相應(yīng)的理論模型。特別是對不同規(guī)格的柔性電極進行了討論，以闡明其變形機理，并針對加工型面完成預(yù)測計算。首先建立柔性電極動態(tài)變形的數(shù)學(xué)模型，載荷作為輸入，通過壓力傳感器測量作用在柔性電極上的載荷大小；其次利用平面彎曲微分方程，求解柔性電極的動態(tài)變形過程；然后進行加工型面的成型預(yù)測，柔性電極的動態(tài)變形作為輸入，利用法拉第定律與電解加工理論計算加工后的型面。最終建立起“力-電極-型面”的數(shù)學(xué)模型。

圖2柔性電極動態(tài)變形的理論模型示意圖:(a) 弧形電極的理論模型; (b) 曲線電極的理論模型。

圖3柔性電極動態(tài)變形電解加工成型過程的理論模型示意圖。

柔性電極動態(tài)變形電解加工驗證實驗的開展

在柔性電極動態(tài)變形電解加工中，柔性電極的在線變形是決定加工型面的關(guān)鍵。當電極變形量為0mm時，沿電極的切割方向各型面線的曲率半徑分別為36.67mm，36.59mm，36.65mm。各型面線的曲率半徑基本一致，型面線3的最高點處的Ymax為8.09mm，如圖4(a)所示。當電極變形量大于0mm時，沿電極的切割方向各型面線的曲率半徑逐漸減小，Ymax逐漸增大，這表明柔性電極的動態(tài)變形成功反拷到工件型面。例如，當電極變形量為6.0mm時，沿電極的切割方向各型面線的曲率半徑分別為33.34mm，27.51mm，24.75mm，型面線3的最高點處的Ymax為11.97mm，如圖4(e)所示。

此外，隨著電極的變形量逐漸增大，沿電極切割方向各型面線的曲率半徑的差值逐漸增大，這使得型面更加扭曲。例如，當電極變形量為1.5mm時，型面線1與型面線3的曲率半徑分別為36.71mm與33.75mm，二者相差2.96mm，如圖4(b)所示。當電極變形量為3.0mm時，型面線1與型面線3的曲率半徑分別為36.14mm與29.31mm，二者相差6.83mm，如圖4 (c)所示。當電極變形量為4.5mm時，型面線1與型面線3的曲率半徑分別為35.60mm與26.94mm，二者相差8.66mm，如圖4(d)所示。

圖4柔性電極不同變形量下的加工型面: (a) 電極變形量0.0mm; (b) 電極變形量1.5mm; (c) 電極變形量3.0mm; (d) 電極變形量4.5mm; (e)電極變形量6.0mm。

柔性電極的動態(tài)變形對表面完整性的影響

通過SEM等測試方法分析了柔性電極不同變形量下加工型面的表面形貌。當電極變形量為0mm與3mm時，無論是葉盆面還是葉背面，加工表面均較為平整，可以看到清晰的晶界，如圖5(a)-(d)所示。而當電極變形量為6mm時，葉盆及葉背表面存在許多隆起，碳和氧的含量也有所增加，如圖5(e)-(f)所示。此外，當電極變形量為0mm與3mm時，加工型面的表面粗糙度基本相同，在Ra 1.78μm -Ra 1.88μm之間。而當電極變形量為6mm時，葉背與葉盆的表面粗糙度分別為Ra 2.71μm與Ra 2.65μm。分析認為可能是由于在加工過程中柔性電極的變形量過大，變形速率過快影響了電解液的流動，使得部分電解產(chǎn)物吸附在加工表面。另一方面，可能是過大的變形參數(shù)導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定，電流存在波動，使得加工表面存在材料的不均勻溶解。上述因素可能是當變形參數(shù)過大時，加工表面變差的主要原因。因此，在柔性電極動態(tài)變形電解加工中，選擇合理的變形參數(shù)是獲得良好表面質(zhì)量的重要前提。

圖5不同變形參數(shù)下加工型面的SEM，EDS與表面粗糙度測量結(jié)果: (a) 變形量為0.0 mm時的葉背輪廓; (b) 變形量為0.0 mm時的葉盆輪廓; (c) 變形量為3.0 mm時的葉背輪廓; (d) 變形量為3.0 mm時的葉盆輪廓; (e) 變形量為6.0 mm時的葉背輪廓; (f) 變形量為6.0 mm時的葉盆輪廓。

4. 未來展望

柔性電極動態(tài)變形電解加工是利用簡單形狀的柔性電極完成復(fù)雜型面加工的新型電解加工工藝，為推動復(fù)雜型面的高效電解加工提供了有價值的參考。但作為一種新型工藝，仍有許多問題需要進一步突破，尤其是在面向航空發(fā)動機典型構(gòu)件的加工制造中，應(yīng)更深入地研究該工藝的溶解行為與成型規(guī)律，合理設(shè)計柔性電極結(jié)構(gòu)，優(yōu)化加工流場以提高加工穩(wěn)定性與制造精度。未來需要進一步建立柔性電極動態(tài)變形的過程控制和加工精度動態(tài)演變模型，充分挖掘和釋放新工藝方法的應(yīng)用潛力。

5. 作者簡介

徐正揚

南京航空航天大學(xué)

徐正揚，南京航空航天大學(xué)教授/博導(dǎo)，國家級領(lǐng)軍人才、某領(lǐng)域卓越青年科學(xué)基金獲得者。長期致力于特種加工技術(shù)與裝備方面的研究，成果應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、國家教學(xué)成果二等獎、國防科學(xué)技術(shù)進步一等獎、中國機械工程學(xué)會青年科技成就獎、江蘇省十大青年科技之星等，指導(dǎo)的博士生曾獲全國上銀“機械優(yōu)博論文”銀獎兩人次。

納米纖維基柔性透明電極的研究進展

銀納米線透明電極柔性雙功能電致變色超級電容器

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International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數(shù)據(jù)庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領(lǐng)軍期刊。

期刊網(wǎng)址：

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http://ijemnet.com/

期刊投稿：

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撰稿:作者 編輯：梁煜 范珂艷 審核：關(guān)利超

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