CN114160894A - 形状记忆合金柔性电极自主可控变形电加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，属于电加工技术领域。该方法根据零件模型确定工具电极加工初始位置与最终位置，电极由管状或棒状形状记忆合金制成，其形状为电极在加工最终位置时的零件型面线形状。在加工复杂型面零件时，对电极施加相应载荷使其产生变形，变形为电极在加工初始位置时的零件型面线形状，电极侧壁作为加工面沿工件表面进行扫掠式加工。在加工过程中，利用形状记忆合金的形状记忆效应，控制加工区域温度的变化，使得工具电极在进给的同时自主回复，电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线形状，实现柔性电极自主回复的动态变形，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面。

Description

形状记忆合金柔性电极自主可控变形电加工方法

技术领域

本发明涉及一种形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，属于电加工技术领域。

背景技术

航空发动机是最复杂的工业产品之一，被誉为“工业制造皇冠上的明珠”。作为飞机的心脏，其制造水平一定程度上反映了一个国家的科技水平和工业水平。随着飞机性能的不断提高，对于航空发动机的性能要求越来越高。整体叶盘的出现减少了零件的数量和重量，避免了榫头榫槽连接的溢流压力损失，提高了气动性能，使航空发动机的结构简化、可靠性增强、推重比增大。闭式整体叶盘在叶片边缘增加整圈叶冠之后，叶片的颤震可以得到有效抑制，叶盘的整体强度和刚度得到提高。在国外，以F119、F120、EJ200等为代表的第4代战斗用航空发动机已经普遍采用整体叶盘结构。英国的R·R公司的发动机采用整体叶盘结构后，其重量相比传统的叶片、轮盘分体结构减轻了50％；美国联合攻击机JSF的升力风扇采用整体叶盘结构后，减少30％的冷却空气，寿命增加100％，重量减轻25％-30％。

电加工是直接利用电能蚀除金属材料的加工方法，主要包括电解加工与电火花加工。在电加工中工具材料的硬度可低于加工零件的硬度，所以常用来加工高强度、高硬度、耐高温等难切削材料；同时加工过程中，电加工工具与加工工件始终保持加工间隙，加工时不存在切削力，因而适用于加工精密、薄壁易变形等型面复杂零件。由于电加工具有上述特点，因此在航空航天领域中得到了广泛的应用，成为了加工航空发动机零部件的主要加工工艺之一。

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，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，实现电极快速装夹、更换，减少辅助时间，提高机床利用率，更换无需二次找正。

在专利“一种闭式叶轮电火花加工装置及加工方法”(申请号201611208198.8申请人北京市电加工研究所，发明人李艳伏金娟杨立光郭妍于帆)中，提出多个预加工电极呈圆周排列，预加工电极的数目与待加工闭式叶轮的流道数目相同；且加工时每个预加工电极与待加工闭式叶轮的一个流道入口相对应，解决现有技术中闭式叶轮每个流道单独加工，加工效率低的问题。

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，发明人康小明赵万生徐海华)中，提出通过采用多轴联动电火花加工机床对带有预孔的闭式整体叶盘毛坯上的每个流道依次进行电火花加工，流道加工时从工具电极的对面一侧将加工产生的带有电蚀产物的工作液通过预孔抽出，从而实现放电加工区工作液的更新，提高了闭式整体叶盘电火花加工的效率。

在专利“一种整铸成联叶片电火花加工干涉气膜孔精确定位方法”(申请号202010994542.0申请人中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，发明人张文明桓恒刘丹张绍楠)中，解决了整体铸造双联叶片由于轮廓偏差、定位误差大和电火花工艺限制等问题影响的干涉气膜孔定位精度低的问题，成功完成某新机整铸整铸成联叶片干涉气膜孔电火花加工精确定位工作，完成验证批试制。

在专利“一种整体叶盘电解开槽加工环形电极及工艺方法”(申请号201210367002.5申请人沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，发明人朱海南杨涧石于冰李伟)中，通过套料电解加工的方式，实现整体叶盘宽弦、大扭角叶型通道开槽的高效加工。

在专利“多电极螺旋进给整体叶轮叶间流道电解加工方法”(申请号200910025834.7申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐庆徐正扬)中，通过工具阴极与工件阳极间的多维插补运动，利用简单形状的管状电极加工出叶栅通道。

在专利“一种非匀速双旋转变加工刃阴极整体叶盘电解加工方法”(申请号201910756930.2申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬王璟朱荻)中，设计阴极的加工刃为变宽度加工刃，驱动其按仿真轨迹单向变速旋转径向进给；驱动毛坯按仿真优化的参数协同阴极变向变速旋转，在毛坯上形成叶栅通道，提高加工余量分布均匀性。

在专利“一种变截面叶片的精密电解加工方法”(申请号201910818869.X申请人中国航发动力股份有限公司，发明人王福平陈文亮雷晓晶胡思嘉李元任景刚杨波黄楚荒)中，实现变截面叶片型面精密电解加工过程的稳定化，克服现有的整体叶盘叶型数控铣削加工周期长、加工效率低及生产成本高的不足。

在专利“双叶片套料电解加工装置及其加工方法”(申请号202010425084.9申请人南京航空航天大学，发明人朱栋张晓博林家豪)中，针对具有大小叶片的整体构件，设计两种特征的整体式工具阴极，将工具阴极沿轴向进给，实现双叶片的快速套型加工。

在专利“叶片尾缘不溶解扩压器的套料电解加工夹具及其方法”(申请号201910195765.8申请人南京航空航天大学，发明人朱栋林家豪胡兴炎岳晨何纬峰宋张扬陈恺祺李晗毛衍钦)中，解决了扩压器套料电解加工时夹具压力过大、电解液易泄露的难题，有利于提高流场稳定性，改善加工质量。

在专利“航空发动机薄壁机匣电解加工方法”(申请号201410547093.X申请人南京航空航天大学，发明人朱荻朱增伟王宏睿王登勇)中，工件阳极自转，工具阴极在周向运动的同时向阳极进给，整个加工过程中无需更换电极，薄壁回转体零件表面的凹凸结构通过阴极窗口的滚套电解作用一次性加工成型。

在专利“一种机床回转单元及机匣零件高精密旋印电解加工机床”(申请号201810339512.9申请人南京航空航天大学，发明人王登勇朱荻何斌朱增伟李天字方忠东)中，设计新型电解加工机床，传动精度提高，允许加工电流大，充分发挥电解加工高效加工的优势，扩大旋印电解加工的应用范围。

在专利“一种薄壁机匣表面浅型腔结构电解加工装置及其电解加工方法”(申请号202010849493.1申请人扬州大学，发明人葛永成陈旺旺朱永伟戴敏)中，阴极工具可根据加工型腔的不同，更换相应的阴极工具，满足不同结构形式的复杂浅型腔结构加工需求。

在电加工中，工具电极材料的选择十分重要，其中电解加工工具电极需要具有耐腐蚀好、导电性好等特点，电火花加工工具电极需要具有导电性好、损耗小、易成型等特点。同时电解加工与电火花加工属于拷贝式加工，工具电极的形状精度决定了加工工件的形状精度，对于叶片、叶盘等具有复杂型面的零件，整体叶盘叶片型面扭曲复杂，是不规则的空间几何型面；叶片超薄易变形，厚度一般只有几毫米；叶片的进排气边曲率较大，变化剧烈；叶片之间的叶栅通道狭长，通道通常有几十毫米深，而最窄处只有几毫米。在加工此类零件时，工具电极的设计往往较为困难，需要兼顾叶片整体的扭曲型面，工具电极的加工制造也增加了额外的时间成本。

形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可以恢复成初始形状的一类合金。由于其具有形状记忆效应与良好的弹性，形状记忆合金的相关产品也已经渗透到，航空航天、机械、电子、医疗等各个领域，并取得了良好的效果。

在专利“基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置”(申请号201711348615.3申请人北京航空航天大学，发明人潘强柳文东何田单颖春)中，采用记忆合金丝与弹性板配合变形改变工作状态，配合其它可调机构能够完成变循环发动机工作状态的转变，具有结构重量小、占用空间小、控制方便、运动可靠等优点。

在专利“一种变循环发动机中的鳞片式整体变形后涵道引射器”(申请号201910723502.X申请人北京航空航天大学，发明人胡殿印王荣桥胡书豪毛建兴刘茜)中，利用温控形状记忆合金的形状记忆效应特性，将预拉伸形状记忆合金丝连接在航空发动机叶尖间隙作动装置上，对其采用合适的电流加热使其产生回复力带动作动装置上移，快速调节叶尖间隙，实现航空发动机叶尖间隙的主动控制。

在专利“一种基于形状记忆合金的新型自动追光机构”(申请号201820840598.9申请人南京航空航天大学，发明人刘璐李晨阳黄字翔曹亚奇)中，通过两个追光机构的复合使用，实现360°追光，灵敏度高，提高了航天器收集太阳能的效率。

在专利“基于SMA和SSMA驱动的软体机器人设计方案”(申请号201410403563.5申请人北京航空航天大学，发明人史震云刘喆袁培江陈冬冬)中，提供了一种适用于复杂环境，未知领域的探测工作的，基于形状记忆合金(SMA)丝和超弹性记忆合金(SSMA)丝驱动、反馈，结合柔性机构模块和脚部刚体关节配合的软体机器人系统。

发明内容

发明目的：

本发明的目的在于提供一种能保证加工精度，简化电极设计，缩短零件加工周期，提高加工效率的电加工方法。

技术方案：

一种形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于包括以下过程：

采用管状或棒状形状记忆合金作为工具电极材料，工具电极形状根据加工零件三维模型进行预成型；

加工前，利用形状记忆合金所具有的良好的弹性及延展性，施加相应载荷使工具电极产生相应变形；

加工时，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调节加工区域的温度，使得工具电极在进给的同时自主回复，产生动态变形。

上述形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于：

所述电加工方法具体为电解加工方法，还包括以下过程：

根据零件模型确定工具电极加工初始位置与最终位置，工具电极形状为电极在加工最终位置时的零件型面线的形状；

在加工复杂型面零件时，对工具电极施加相应载荷使其产生变形，变形为电极在加工初始位置时的零件型面线的形状，工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电解加工；

在加工过程中，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调控电解液的温度，使得工具电极在进给的同时自主回复，产生动态变形；

在动态变形过程中，控制电解液温度的变化，使得电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线的数学模型，实现柔性电极自主回复的动态变形，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面。

上述形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于：由于工具电极在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，电解液流动形式设计为侧流式，流场为开放式或半封闭式流场，通过外加电解液供液装置，使得电解液沿工具电极的轴线方向流动。

上述形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于：

所述电加工方法具体为电火花加工方法，还包括以下过程：

根据零件模型确定工具电极加工初始位置与最终位置，工具电极形状为电极在加工最终位置时的零件型面线的形状；

在加工复杂型面零件时，对工具电极施加相应载荷使其产生变形，变形为电极在加工初始位置时的零件型面线的形状，工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电火花加工；

在加工过程中，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调节冷却液的温度，同时通过变形回复改变极间间隙的大小，控制火花放电的启停，进而调控加工区域的温度，使得工具电极在进给的同时自主回复，产生动态变形；

在动态变形过程中，控制冷却液温度的变化，使得电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线的形状，实现柔性电极自主回复的动态变形，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点。

(1)提供了一种形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，适合加工具有复杂型面的零件。采用形状记忆合金作为工具电极材料，利用其良好的弹性，便于施加载荷产生相应变形；利用其形状记忆效应，通过调控工作液温度，便于实现电极变形后的自主回复，合理利用电极自主回复的动态变形过程，可以使加工出的型面更贴合理想型面。

(2)工具电极柔性好，电极变形可回复，电极损耗小，降低了加工成本。工具电极材料采用形状记忆合金，在进行电解加工时，工具电极作为阴极，加工过程中电极无损耗，且利用形状记忆合金的形状记忆效应，电极变形可回复，工具电极可重复使用；在进行电火花加工时，工具电极为细长管状或棒状，相较于成型电极，电极损耗小。

(3)简化了工具电极设计，工具电极加工简单。本发明所设计的工具电极形状为细长形管状或棒状，与套料电解加工、径向进给电解加工以及成型电极电火花加工相比，工具电极设计简单，制作容易，更换方便。

(4)适用范围广。除加工变截面叶片、开式叶盘外，还可加工闭式整体叶盘等具有复杂型面的零件。根据加工工件型面的不同，工具电极可根据其型面曲率变化特点，进行预成型，从而进行加工。此外，柔性电极直径可以尽可能减小，从而保证狭窄通道的加工需求。

附图说明

图1为闭式整体叶盘电解加工示意图；

图2为加工初始位置工具电极变形示意图；

图3为形状记忆合金柔性电极自主可控变形的扫掠式电解加工示意图；

图4为形状记忆合金柔性电极自主可控变形示意图；

图中标号名称：1、加工工件，2、工具电极，2-A、预成型的工具电极，2-B、变形后的工具电极，3、电极夹持轴。

具体实施方式

下面结合附图以闭式整体叶盘的电解加工为例对本发明的具体实施过程做详细介绍。

如图1所示，以闭式整体叶盘的电解加工为例，实施本发明“形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法”的装置主要由加工工件1，工具电极2，电极夹持轴3组成，加工工件1接电源正极，工具电极2与电极夹持轴3连接，电极夹持轴3接电源负极。其中，工具电极2有两种形状，分别是预成型的工具电极2-A与变形后的工具电极2-B。

本发明工具电极2的制备。工具电极2是由具有形状记忆效应、受热后的大变形回复能力的形状记忆合金制成的棒状或管状电极。根据闭式整体叶盘标准模型确定工具电极2加工初始位置与最终位置，预成型的工具电极2-A的形状为工具电极2在加工最终位置时的零件型面线的形状，变形后的工具电极2-B的形状为工具电极2在加工初始位置时的零件型面线的形状，如图2所示，通过对预成型的工具电极2-A施加载荷产生相应变形制成的。

本发明的运动形式与电极自主回复的动态变形过程如图3、图4所示，工具电极2侧壁作为加工面沿加工工件1复杂型面表面进行扫掠式电解加工。由于工具电极2在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，本发明电解液流动形式设计为侧流式，流场为开放式或半封闭式流场，通过外加电解液供液装置，电解液沿工具电极2的轴线方向流动。

在加工过程中，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调节电解液温度，由T₁℃调节到T₂℃实现变形后的工具电极2-A的自主回复，在动态变形过程中，合理控制电解液温度的变化，使得电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线的形状，实现电极由加工初始位置时的零件型面线的形状自主回复为加工最终位置时的零件型面线的形状的动态变形，即由工具电极2-B回复为工具电极2-A，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面。

采用本发明实现复杂型面零件的电解加工需要以下十个步骤。

步骤一：加工工件1与工作平台进行安装，加工工件1连接电源正极；

步骤二：电极夹持轴3竖直安装在可以实现多轴联动的加工轴上，加工轴连接电源负极；

步骤三：通过加工轴的运动移动电极夹持轴3，使得电极夹持轴3的轴线与加工工件1上的某个通孔重合；

步骤四：将工具电极2与电极夹持轴3连接配合，连接端紧固固定；

步骤五：对前面安装的零部件的位置进行检测和校对；

步骤六：通过加工轴的移动，使工具电极2移动至加工叶栅通道叶盆的初始位置；

步骤七：加工轴在设定参数下进给，施加载荷，工具电极2产生相应弯曲，形状由工具电极2-A的形状变形为工具电极2-B的形状；

步骤八：通入电解液，接通电解加工电源，在设定参数下工具电极2开始进行扫掠式电解加工，在加工过程中，调节电解液温度，由T₁℃调节到T₂℃，实现工具电极2的自主变形；在自主回复的动态变形过程中，电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线的形状，实现电极由加工初始位置时的零件型面线的形状自主回复为加工最终位置时的零件型面线的形状的动态变形，即由工具电极2-B回复为工具电极2-A，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面；

步骤九：叶盆面加工结束，断开电解加工电源，停止电解液供液，更换加工叶背面的工具电极2，调整工具电极2与加工工件1的相对位置，重复步骤八，完成叶栅通道叶背面的加工；

步骤十：加工结束，断开电解加工电源，停止电解液供液，依序循环以上步骤，直至加工工件1的所有叶栅通道电解加工完成。

Claims (4)

1.一种形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于包括以下过程：

采用管状或棒状形状记忆合金作为工具电极材料，工具电极形状根据加工零件三维模型进行预成型；

加工前，利用形状记忆合金所具有的良好的弹性及延展性，施加相应载荷使工具电极产生相应变形；

加工时，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调节加工区域的温度，使得工具电极在进给的同时自主回复，产生动态变形。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于：

所述电加工方法具体为电解加工方法，还包括以下过程：

根据零件模型确定工具电极加工初始位置与最终位置，工具电极形状为电极在加工最终位置时的零件型面线的形状；

在加工复杂型面零件时，对工具电极施加相应载荷使其产生变形，变形为电极在加工初始位置时的零件型面线的形状，工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电解加工；

在加工过程中，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调控电解液的温度，使得工具电极在进给的同时自主回复，产生动态变形；

在动态变形过程中，控制电解液温度的变化，使得电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线的数学模型，实现柔性电极自主回复的动态变形，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面。

3.根据权利要求2所述的形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于：由于工具电极在加工过程中的形变与位移，为避免加工过程中出现缺液区等不利现象，电解液流动形式设计为侧流式，流场为开放式或半封闭式流场，通过外加电解液供液装置，使得电解液沿工具电极的轴线方向流动。

4.根据权利要求1所述的形状记忆合金柔性电极自主可控变形的电加工方法，其特征在于：

所述电加工方法具体为电火花加工方法，还包括以下过程：

根据零件模型确定工具电极加工初始位置与最终位置，工具电极形状为电极在加工最终位置时的零件型面线的形状；

在加工复杂型面零件时，对工具电极施加相应载荷使其产生变形，变形为电极在加工初始位置时的零件型面线的形状，工具电极侧壁作为加工面沿工件复杂型面表面进行扫掠式电火花加工；

在加工过程中，利用形状记忆合金的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，调节冷却液的温度，同时通过变形回复改变极间间隙的大小，控制火花放电的启停，进而调控加工区域的温度，使得工具电极在进给的同时自主回复，产生动态变形；

在动态变形过程中，控制冷却液温度的变化，使得电极在不同位置自主回复后的形状，近似于零件在相应位置的型面线的形状，实现柔性电极自主回复的动态变形，从而使得加工出的工件型面贴合标准型面。

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