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精密電解加工在航空發(fā)動機整體結構件制造
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作者:佚名
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發(fā)布時間: 2018-01-18
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經過多年發(fā)展，精密電解加工技術已趨于成熟和完善，要使其在國內航空發(fā)動機整體結構件制造中得到更多的實際應用：一是取決于各類航空發(fā)動機的產量規(guī)模；二是應用單位能深入認識精密電解加工的特點和優(yōu)勢，培養(yǎng)更多通曉工藝的專業(yè)人員，縮短將工藝應用到具體結構件加工的工藝準備和定型加工生產周期，使精密電解加工技術成為航空發(fā)動機制造不可或缺的一部分。
困擾航空發(fā)動機整體復雜結構件加工制造的問題主要表現(xiàn)在兩個方面：一是整體復雜結構件從毛坯件加工成形的材料去除量普遍偏大，加之多采用難切削材料，如大型風扇、壓氣機前段一二級整體葉盤、各類風扇和壓氣機機匣等；二是某些結構件設計（如復雜的曲面形狀、超薄的結構、狹小的空間等）帶來的加工困難、精度和表面粗糙度難以保證等問題，如各種超薄彎扭的葉片、燃燒室薄壁殼體、擴壓器異形通道結構、壓氣機末段四五級高溫合金整體葉盤等。
實踐表明，不可能采用或局限于一種加工方法解決各種整體復雜結構件加工制造面臨的所有問題，而應根據結構件的具體情況選擇合適的加工方法，甚至是多種方法的組合才能形成最經濟合理的工藝路線。精密電解加工技術不失為一種重要工藝方法 [1]。
電解加工是一項歷史悠久的傳統(tǒng)特種加工技術，工藝優(yōu)勢表現(xiàn)在加工效率高、無應力。近年來，電解加工取得了較大進步和發(fā)展，采用高頻窄脈沖電流、陰極振動和電解液全自動精密過濾等多項先進技術，使得電解加工工藝過程的穩(wěn)定性、可靠性和加工精度大幅提升，奠定并拓展了工藝技術的應用空間，也必將在航空發(fā)動機整體復雜結構件加工制造中發(fā)揮舉足輕重的作用。
本文介紹航空發(fā)動機中典型的整體結構件葉片、機匣殼體和整體葉盤的精密電解加工應用情況，說明其必要性、合理性、需要解決的問題及今后的應用前景。
葉片電解加工
雖然整體葉盤有逐步取替代部分葉片的趨勢，但目前及今后相當一段時期內，葉片仍是航空發(fā)動機中采用的種類最多、批量最大的零件。
從電解加工技術出現(xiàn)到 20 世紀 80 年代末，葉片電解加工被國內外普遍采用，此后由于數控銑削和葉片精鑄、精鍛技術的快速發(fā)展，更重要的是葉片電解加工本身存在的加工精度不高，葉片型面還要后續(xù)的整形拋光以及設備技術落后、電解液過濾與產物處理繁瑣等問題一直沒有很好地得到解決，使得葉片電解加工發(fā)展出現(xiàn)停滯，在國內表現(xiàn)得更為明顯，除了在一些老型號的發(fā)動機葉片量產中仍然采用并發(fā)揮主要作用外，新機型研制中沒有采用。如今，隨著電解加工技術水平的大幅提高，葉片電解加工在發(fā)動機量產中具有不可替代的高效低成本優(yōu)勢及其良好的表面質量，使得該項工藝得到了業(yè)界（特別是國外）的高度重視和發(fā)展。
葉片精密電解加工采用雙加工
電極，在一道工序內同時完成對葉片的葉盆、葉背、進排氣邊緣、根部 R和緣板的加工，如圖 1 所示。在高品質電解加工液作用下，通過振動進給的電極與高頻加工脈沖的準確匹配實現(xiàn)材料的精確蝕除，達到高形狀復制精度和低表面粗糙度。 -
- 圖1 精密電解加工的葉片（國外）
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- 對于中小型特別是超薄（葉片最小厚度小于1mm）且葉型彎扭極不規(guī)則的葉片，精密電解加工不僅有極高的加工效率，還能解決其他加工方法難以加工、不能獲得理想的形狀精度和表面質量的問題，因而是此類葉片加工的最佳工藝方法。 國外已將先進的精密電解加工工藝應用于實際的葉片生產中，如圖2 所示。
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（a）葉片加工設備
機匣殼體電解加工
（b）葉片加工過程
圖2 電解加工葉片生產設備（國外）
圖3 精密電解加工高溫合金葉片
機匣殼體加工最大的特點是材料去除量大，這是最能發(fā)揮電解加工高生產效率的地方，也是其重要的應用領域。 國外航空發(fā)動機制造商一直采用電解進行機匣的批量加工生產，建有各種機匣量產的電解加工生產線并具有成熟的加工工藝，國內個別機型采用了電解加工進行機匣量產，如圖4 所示。
- 大中型機匣電解加工的主要目的是高效去除材料，一般采用大加工面積的電極，需要大型的加工設備，如圖5 所示。大容量的加工電源和大流量的電解液系統(tǒng)，一次性投資大，同時需要針對具體的機匣結構加工要求設計數套不同的加工電極和工裝，工藝準備和實施相對復雜。因此，只有當各類機匣的年產量達到一定的規(guī)模和數量時，建立機匣電解加工生產線才最為經濟合理，在保證生產周期的同時大幅降低成本。
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- 圖5 大型機匣電解加工設備
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- 對一些中小型的薄壁機匣殼體，由于加工過程中存在變形及刀具干涉問題，導致數控銑削等其他工藝方法很難或無法實現(xiàn)加工，精密電解加工不僅能在殼體外壁上準確加工出各種形狀的凸臺和凹槽，也能在殼體內壁上進行加工，如圖6 所示，加工后的薄壁零件不變形，工藝優(yōu)勢明顯。
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- 圖6 薄壁殼體內外壁電解加工
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- 整體葉盤電解加工
- 整體葉盤無疑是目前和今后航空發(fā)動機中最重要的整體復雜結構件，是航空制造領域關注和研究的重點對象，整體葉盤要在盤體上加工出幾十個周向密集分布的葉片，并要保證所有葉片型面、進排氣邊緣、根部R 和葉間流道的尺寸、形狀、位置精度和表面質量合格，其復雜的結構設計、高要求的加工精度和表面質量給制造帶來極大的困難[2]。
- 目前，數控銑削和電解加工是整體葉盤葉型的主要加工方法。從理論上說，兩種方法都可用于從風扇到壓氣機級的所有類型的整體葉盤葉型加工，但從精密電解加工技術的特點和優(yōu)勢看，其最適合加工的是葉片面積相對較小、厚度薄、密集分布且葉間通道較窄的整體葉盤（如高溫合金壓氣機四至六級整體葉盤）。
- 整體葉盤葉型精密電解加工采用兩道工序，首先是葉型初成形加工，如圖7 所示。采用套料電解的方式，在葉盤坯體上預先開槽并加工出大致的葉片形狀，初成形電解加工主要追求的是加工效率和速度，并為下一道葉型精密電解終成形加工預留1~2mm 的加工余量，加工精度要求不高（允許0.3~0.5mm 誤差）。
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圖7 葉盤葉型套料電解加工初成形
- 然后是葉型精密終成形加工，如圖8 所示。采用振動電解的方式，通過兩個成形電極（葉盆和葉背），對已初成形的葉型進行雙面精密振動電解成形加工，并通過多軸聯(lián)動同時加工出葉片根部R 及葉間流道[3]，終成形電解加工以保證葉片最終尺寸和型面輪廓精度要求為目標。
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- 圖8 葉盤葉型精密振動電解加工終成形
- 德國MTU 公司已在高溫合金整體葉盤制造中采用了精密電解加工[4]，國內北京航空制造工程研究所也進行了高溫合金整體葉盤葉型的精密電解加工，加工結果一致性好，已進行了超轉考核試驗，滿足設計要求。
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