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整体叶盘叶栅通道电解加工流场特性与试验验证研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在航空发动机的众多零部件中，整体叶盘占据着核心地位，其性能优劣直接关乎航空发动机的整体性能。整体叶盘将叶片与轮盘合为一体，不仅减少了零件数量和结构重量，还提高了航空发动机的推重比及可靠性，广泛应用于军用和民用航空发动机。然而，整体叶盘的叶栅通道狭窄扭曲，叶片型面复杂，且多采用高温合金、钛合金等难加工材料，传统铣削加工方式面临刀具损耗严重、加工周期长、成本高昂等难题。

电解加工作为一种基于电化学阳极溶解原理的非传统加工工艺，具有诸多显著优势。它不受材料切削性能限制，能轻松加工高温合金、钛合金等难加工材料；加工过程中工具无损耗，可避免因刀具磨损导致的加工误差；加工表面质量好，能有效减少表面粗糙度；生产效率高，可大幅缩短加工周期。基于这些优势，电解加工已成为整体叶盘的主要制造方法之一。

在电解加工过程中，流场是影响加工质量和效率的关键因素。电解液的流速、压力分布等对流场有直接影响，进而影响电解产物的排出、电解液的更新以及加工区域的温度分布。若流场不均匀，可能导致加工间隙内电解液的流速和压力不一致，使得电解产物无法及时排出，造成局部浓度过高，引发短路、火花等异常现象，影响加工精度和表面质量；同时，不均匀的流场还可能导致加工区域温度分布不均，引起热应力，影响工件的尺寸精度和表面完整性。而合理的流场设计能确保电解液均匀地流经加工区域，及时带走电解产物，维持稳定的加工环境，提高加工精度和效率，降低表面粗糙度，减少废品率。因此，对整体叶盘叶栅通道电解加工流场进行深入分析和优化，对于提升整体叶盘的加工质量和效率具有重要的现实意义，有助于推动航空发动机制造技术的发展，满足航空领域对高性能发动机的需求。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对整体叶盘叶栅通道电解加工流场开展了大量研究。在国外，德国MTU尝试61个阵列管电极同时电解加工航空发动机涡轮叶片上的气膜冷却孔，极大地提升了加工效率，也体现了多工具同步电解加工在流场控制和加工效率提升方面的潜力。德国Leistritz采用4个工具电极同时套料加工出4个等截面叶片，加工效率明显提高，表明多工具电解加工在特定结构叶片加工中的可行性，但也面临流场均匀性和加工精度控制的挑战。

在国内，徐庆等人设计了一种叶盘通道电解加工用的群孔管电极，阐述了出液孔在等距分布的情况下，孔径大小对流场均匀性的影响，通过建立流场数学模型并利用有限元法进行数值模拟，发现一定范围内较小的出液孔径有利于提高流场的均匀性。孙伦业等人针对叶盘通道径向电解加工进行了流场设计及试验，验证了流场设计的合理性以及工装夹具的可靠性，但对于复杂叶盘结构的流场适应性仍有待进一步研究。张矿磊等针对叶栅通道开展电解加工，对比分析电解液侧流式下的正向流动与反向流动加工间隙内流场状态，为流场设计提供了不同流动方式的参考，但尚未形成全面的流场优化策略。肖顺等人采用阴极斜向进给的加工方式设计了电解液流动方案，建立阴极在不同进给量下的三维流场模型，通过软件计算不同加工阶段下电解液流场的速度和压力，并进行电解加工工艺试验，验证了流场设计的合理性及工装夹具的可靠性，但对于不同斜向角度下的流场变化规律研究不够深入。

当前研究虽取得一定成果，但仍存在不足。在流场分析方面，对于复杂叶盘结构和多种加工参数耦合作用下的流场特性研究不够全面，缺乏系统的流场优化方法；在试验研究方面，试验条件与实际生产存在差异，导致试验结果的工程应用受限，且缺乏对加工过程中流场实时监测的有效手段。如何深入研究流场特性，实现流场的精准控制和优化，以及如何将试验研究成果更好地应用于实际生产，是亟待解决的问题。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括：首先，深入分析整体叶盘叶栅通道电解加工的流场特性，建立流场数学模型，探究电解液流速、压力分布等因素对加工质量和效率的影响规律。其次，通过数值模拟方法，利用专业软件对不同加工参数和流场结构下的流场进行仿真分析，得到流场的速度云图、压力云图等，为流场优化提供理论依据。再者，开展整体叶盘叶栅通道电解加工试验研究，搭建试验平台，设计试验方案，验证数值模拟结果的准确性，分析试验结果，优化加工参数和流场结构。最后，根据研究结果，提出整体叶盘叶栅通道电解加工流场的优化策略和方法，提高加工质量和效率。

本文采用数值模拟与试验研究相结合的方法。在数值模拟方面，运用COMSOLMultiphysics等专业软件，建立整体叶盘叶栅通道电解加工的流场模型，设定边界条件和初始条件，模拟电解液在加工间隙内的流动状态，分析流场特性。在试验研究方面，搭建电解加工试验平台，包括电解加工机床、电解液循环系统、电源系统等，准备试验材料和工具，按照设计的试验方案进行电解加工试验