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精密電解加工在航空發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)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(jīng)過多年發(fā)展，精密電解加工技術(shù)已趨于成熟和完善，要使其在國內(nèi)航空發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)件制造中得到更多的實際應(yīng)用：一是取決于各類航空發(fā)動機的產(chǎn)量規(guī)模；二是應(yīng)用單位能深入認(rèn)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(yīng)用到具體結(jié)構(gòu)件加工的工藝準(zhǔn)備和定型加工生產(chǎn)周期，使精密電解加工技術(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工制造的問題主要表現(xiàn)在兩個方面：一是整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fēng)扇、壓氣機前段一二級整體葉盤、各類風(fēng)扇和壓氣機機匣等；二是某些結(jié)構(gòu)件設(shè)計（如復(fù)雜的曲面形狀、超薄的結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、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(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工制造面臨的所有問題，而應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jīng)濟合理的工藝路線。精密電解加工技術(shù)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(shù)，工藝優(yōu)勢表現(xiàn)在加工效率高、無應(yīng)力。近年來，電解加工取得了較大進(jìn)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(jìn)技術(shù)，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(shù)的應(yīng)用空間，也必將在航空發(fā)動機整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件葉片、機匣殼體和整體葉盤的精密電解加工應(yīng)用情況，說明其必要性、合理性、需要解決的問題及今后的應(yīng)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(dāng)一段時期內(nèi)，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(shù)出現(xiàn)到 20 世紀(jì) 80 年代末，葉片電解加工被國內(nèi)外普遍采用，此后由于數(shù)控銑削和葉片精鑄、精鍛技術(shù)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(shè)備技術(shù)落后、電解液過濾與產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(shù)水平的大幅提高，葉片電解加工在發(fā)動機量產(chǎn)中具有不可替代的高效低成本優(yōu)勢及其良好的表面質(zhì)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(nèi)同時完成對葉片的葉盆、葉背、進(jìn)排氣邊緣、根部 R和緣板的加工，如圖 1 所示。在高品質(zhì)電解加工液作用下，通過振動進(jìn)給的電極與高頻加工脈沖的準(zhǔn)確匹配實現(xiàn)材料的精確蝕除，達(dá)到高形狀復(fù)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?。ㄈ~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(zhì)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(jìn)的精密電解加工工藝應(yīng)用于實際的葉片生產(chǎn)中，如圖2 所示。
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（a）葉片加工設(shè)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(chǎn)設(shè)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(chǎn)效率的地方，也是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。 國外航空發(fā)動機制造商一直采用電解進(jìn)行機匣的批量加工生產(chǎn)，建有各種機匣量產(chǎn)的電解加工生產(chǎn)線并具有成熟的加工工藝，國內(nèi)個別機型采用了電解加工進(jìn)行機匣量產(chǎn)，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(shè)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(jié)構(gòu)加工要求設(shè)計數(shù)套不同的加工電極和工裝，工藝準(zhǔn)備和實施相對復(fù)雜。因此，只有當(dāng)各類機匣的年產(chǎn)量達(dá)到一定的規(guī)模和數(shù)量時，建立機匣電解加工生產(chǎn)線才最為經(jīng)濟合理，在保證生產(chǎn)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(shè)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(dǎo)致數(shù)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(zhǔn)確加工出各種形狀的凸臺和凹槽，也能在殼體內(nèi)壁上進(jìn)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(nèi)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件，是航空制造領(lǐng)域關(guān)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(jìn)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(zhì)量合格，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、高要求的加工精度和表面質(zhì)量給制造帶來極大的困難[2]。
- 目前，數(shù)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(fēng)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(shù)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(yù)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(yù)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(jìn)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(biāo)。
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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(nèi)北京航空制造工程研究所也進(jìn)行了高溫合金整體葉盤葉型的精密電解加工，加工結(jié)果一致性好，已進(jìn)行了超轉(zhuǎn)考核試驗，滿足設(shè)計要求。
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