整體葉盤電解加工工藝研究

王德新,徐 斌

(沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng)110043)

我國(guó)新研制的大功率新型發(fā)動(dòng)機(jī)中,整體葉盤是重要結(jié)構(gòu)件,它能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工精度要求高,制造難度大。目前,國(guó)內(nèi)大多采用數(shù)控銑削方式進(jìn)行加工,該方法加工效率低,生產(chǎn)周期長(zhǎng),成本高;國(guó)外有些企業(yè)已采用電解加工方法制造整體葉盤,這是一種高效、低成本的加工方法,其效率較數(shù)控銑削加工可提高3～5倍以上。

電解加工的原理是利用金屬在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解而去除材料,并將零件加工成形,是電化學(xué)加工方法之一。電解加工是非接觸加工,加工過(guò)程中電解液高速流動(dòng),加工時(shí)工件接電源正極,工具接電源負(fù)極,隨著電極不斷進(jìn)給,工件被加工面發(fā)生陽(yáng)極溶解,使陰極的形狀“復(fù)制”到工件上,這種“拷貝”式的加工方式,其加工效率隨加工電流密度和總加工面積的增大而提高,一般能達(dá)到每分鐘數(shù)百立方毫米,有時(shí)甚至高達(dá)10 000 mm3/min。對(duì)于難加工材料的復(fù)雜曲面的加工,電解加工比一般機(jī)械切削加工效率更高,并具有表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、無(wú)工具損耗、無(wú)切削應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。基于上述優(yōu)點(diǎn),研究整體葉盤電解加工工藝,突破技術(shù)關(guān)鍵,掌握工藝技術(shù),尋找一種高效低成本的加工方法,能為新機(jī)研制提供技術(shù)保障。

1 零件工藝分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體葉盤,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工精度要求高。整體葉盤的外徑約700 mm,葉片高度30 mm,葉片共有7個(gè)測(cè)量截面,葉片葉身型面對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的位置度要求為0.20 mm,所有葉片葉身表面的線輪廓度為0.06 mm,表面粗糙度 Ra 0.4 μm,允許各截面因變形而扭轉(zhuǎn)在±10′范圍內(nèi)。葉盤葉型見(jiàn)圖1。

對(duì)葉片型面和葉身與輪盤轉(zhuǎn)接半徑進(jìn)行拋光,不允許有劃傷、切痕和壓傷,葉片全長(zhǎng)上進(jìn),排氣邊緣2 mm內(nèi)不允許有橫向加工痕跡。

圖1 葉型示意圖

用三坐標(biāo)檢查規(guī)定截面的葉片型面,規(guī)定截面的同時(shí),葉型沿葉展方向平滑轉(zhuǎn)接,轉(zhuǎn)接處按工藝標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行驗(yàn)收。

整體葉盤在圓周上由80余個(gè)葉片組成。在葉尖葉根處為非直線形狀,毛坯狀態(tài)為固溶處理,硬度低于277 HB。毛坯為模鍛。

1.2 零件工藝分析

整體葉盤是在壓氣機(jī)中作高速旋轉(zhuǎn)的部件,工作時(shí)處于高壓、高溫狀態(tài),葉片承受負(fù)荷高,所以要求零件具有高的強(qiáng)度,高的耐熱性能,能夠在惡劣的工作環(huán)境中保持正常工作。根據(jù)零件的使用要求,設(shè)計(jì)上選用了鎳基高溫合金GH4169材料,該材料在600℃工作溫度下可保持較高的機(jī)械性能,能在高溫高壓下正常工作,但其機(jī)械加工性能差,屬于難加工材料。

為保證整體葉盤的加工精度,工藝方案的安排上采用了工序分散的原則。對(duì)于電解加工的葉型,采用粗電解加工和精電解加工二道工序完成,粗加工工序主要完成葉型的開(kāi)槽,去除大部分余量;精加工工序完成葉型的精加工,達(dá)到工藝設(shè)計(jì)圖紙的要求。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 零件材料性能

整體葉盤零件選用的鎳基高溫合金GH4169材料屬于高鉻鎳含量的高溫合金,其中,Cr的含量為17%～21%,Ni的含量為50%～55%,并具有強(qiáng)度高、塑性好、韌性大、切削性能差、刀具磨損嚴(yán)重等特點(diǎn)。電解加工中,工件的材質(zhì)、熱處理狀態(tài)直接影響加工精度和表面質(zhì)量。GH4169材料采用了固溶熱處理方式,材料經(jīng)熱處理后的硬度為277 HB,材料的最終熱處理狀態(tài)為“固溶+時(shí)效”狀態(tài),硬度約為331～450 HB。而對(duì)于GH4169材料的電加工工藝參數(shù)及相關(guān)表面質(zhì)量的研究較少,還需通過(guò)試驗(yàn)掌握該材料的電加工特性。

2.2 電解工藝試驗(yàn)

2.2.1 工藝方案確定

整體葉盤有80余個(gè)葉片,位置度要求為0.2 mm,輪廓度要求為0.06 mm。對(duì)于電解加工而言,僅單一葉片達(dá)到0.06 mm也是很難的,要求80多個(gè)葉片都達(dá)到0.06 mm則更難。為了保證整體葉盤電解加工的精度,利用整體葉盤電解加工設(shè)備開(kāi)展工藝試驗(yàn),首先進(jìn)行整體葉盤的粗開(kāi)槽加工,即在葉盤上先開(kāi)槽去除大部分的余量,并達(dá)到精電解加工前的要求。在粗加工的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行精電解加工,使葉片型面達(dá)到工藝要求。

為了完成葉型的粗、精電解加工,保證葉型與零件的位置精度,在電解加工前需先加工出工藝基準(zhǔn),以保證葉型設(shè)計(jì)要求的位置精度。電解加工整體葉盤需對(duì)每個(gè)葉片進(jìn)行電解加工,加工時(shí)間較長(zhǎng),葉盤長(zhǎng)時(shí)間浸泡在電解液中,有些非電解表面出現(xiàn)雜散腐蝕現(xiàn)象,就要做好非加工表面的保護(hù)。保護(hù)方法通常有二種,一是采用余量保護(hù)法,即在非加工表面增加余量,待電解加工后再將余量去除;二是采用防護(hù)層保護(hù),常用的有銅皮保護(hù)、膠帶保護(hù)或涂層保護(hù)。本工藝試驗(yàn)采用余量保護(hù)法。經(jīng)過(guò)對(duì)零件的工藝分析,便可初步確定零件的加工方案。

2.2.2 擬定工藝路線

整體葉盤是一種新的結(jié)構(gòu)件,通過(guò)數(shù)控加工葉盤的經(jīng)驗(yàn),工藝路線宜采用分散的原則,葉盤的加工主要有兩方面的內(nèi)容,即葉型加工和輪盤加工。在加工路線開(kāi)始時(shí)圍繞葉型加工,加工工藝基準(zhǔn)面,然后開(kāi)始進(jìn)行電解粗加工葉型即開(kāi)流道,電解粗開(kāi)槽后進(jìn)行葉型的精加工。葉型精加工后要進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè),在葉型達(dá)到工藝要求后,對(duì)輪盤進(jìn)行精加工。此外,整體葉盤是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)重件,對(duì)零件的相應(yīng)檢測(cè)、腐蝕、測(cè)頻的工作都要在工藝過(guò)程中穿插進(jìn)行,這樣就形成了整體葉盤的工藝路線。

整個(gè)工藝路線主要分為3個(gè)階段進(jìn)行,即粗加工階段、半精加工階段和精加工階段,最終完成整體葉盤的加工。工序是較分散的,生產(chǎn)周期也較長(zhǎng),這有利于零件的加工精度,可使零件材料的內(nèi)應(yīng)力得到充分的釋放,起到自然時(shí)效的作用。

2.2.3 工裝的設(shè)計(jì)制造

電解加工是非接觸的電化學(xué)加工,加工過(guò)程無(wú)應(yīng)力,工件變形小,適合加工剛性差的零件。在加工過(guò)程中,理論上電極是不損耗的,一套電極可加工成千上萬(wàn)個(gè)零件,尤其在大批量生產(chǎn)中的加工成本低。工裝電極的結(jié)構(gòu)對(duì)零件加工質(zhì)量和加工效率有很大影響,為了保證零件的加工精度,研制了夾具、電極及加工過(guò)程中用于檢測(cè)的檢具。

夾具的作用在于保證工件和陰極之間的相對(duì)位置。電解加工用的夾具除了起定位和夾緊作用外,還要具有導(dǎo)電、絕緣、防腐蝕等功能。在工藝試驗(yàn)初期設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用工藝試塊夾具見(jiàn)圖2。該夾具主要用于零件的裝夾定位,其定位基面與零件的定位基面相同,這樣就可制造一套夾具,既可裝夾試塊,又可裝夾工件,一舉兩得。

圖2 工藝試驗(yàn)件用夾具

電極即工具陰極,其形狀和尺寸直接影響加工尺寸精度和質(zhì)量,其功能在于成形、導(dǎo)流和導(dǎo)電。陰極采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料制造。

該工藝試驗(yàn)是由開(kāi)槽和葉型精加工2個(gè)工序組成,所用的電極也不同,開(kāi)槽的電極為管狀電極(圖3),其內(nèi)腔為空心,可通過(guò)電解液實(shí)現(xiàn)開(kāi)槽加工。

圖3 電解開(kāi)槽電極

葉型精加工的電極是由2個(gè)薄片電極制成(圖4),一個(gè)電極是用來(lái)加工葉背的,另一個(gè)電極是用來(lái)加工葉盆的。電極先采用精密數(shù)控銑削成形,通過(guò)試加工后再由人工進(jìn)行微量修整而成。

圖4 葉型精加工電極

2.2.4 工藝試驗(yàn)

為了降低試驗(yàn)費(fèi)用,在初期工藝試驗(yàn)階段,采用了A3鋼材料作為工藝試驗(yàn)塊,摸索工藝參數(shù)。工藝試驗(yàn)在開(kāi)槽設(shè)備(圖5)和葉型精加工設(shè)備(圖6)上進(jìn)行。

電解開(kāi)槽設(shè)備具有工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)和主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等功能,管狀電極安裝在主軸下端的電極座上,并通過(guò)電極內(nèi)腔供液實(shí)現(xiàn)加工。電極在向下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中,工作臺(tái)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn),使電極在工件表面加工出螺旋形槽,即葉片間的流道。工藝試驗(yàn)采用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的NaCl電解液進(jìn)行加工,工藝參數(shù)為:電壓18 V,電流150 A,電極進(jìn)給速度0.6 mm/min,電解液溫度30℃,開(kāi)1個(gè)槽的加工時(shí)間為50 min。工藝試驗(yàn)開(kāi)始階段,加工過(guò)程不夠穩(wěn)定,通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù),目前工藝過(guò)程穩(wěn)定,加工質(zhì)量良好。圖7是電解粗開(kāi)槽的試塊。

葉型精加工工藝試驗(yàn)是在電解粗開(kāi)槽后進(jìn)行的。葉型精加工設(shè)備具有7個(gè)運(yùn)動(dòng)軸,即工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸和在機(jī)床左右兩側(cè)的主軸頭,該主軸可在X、Y、Z 3個(gè)方向運(yùn)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)七軸聯(lián)動(dòng)控制。加工葉盆和葉背的2個(gè)電極分別安裝在2個(gè)主軸頭的電極安裝座上,加工前,通過(guò)X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)將電極置于葉片型面的流道中間處。當(dāng)2個(gè)電極處于一個(gè)葉型的兩側(cè)后,將電解液密封裝置裝在葉盤上,使電解液與葉盆、葉背間形成流場(chǎng),實(shí)現(xiàn)電解加工時(shí),2個(gè)電極作軸向進(jìn)給,將葉片型面加工至工藝尺寸。試驗(yàn)件選用的工藝參數(shù)為電壓15 V,電流500 A,電解液為NaNO3,溫度為30℃,電源為直流穩(wěn)壓電源,其特點(diǎn)是加工效率高,工件的一致性好。工藝試驗(yàn)的結(jié)果為加工1片葉片的時(shí)間約20 min,工序輔助時(shí)間較長(zhǎng),密封裝置需改進(jìn),改進(jìn)后會(huì)縮短加工周期,提高加工效率。葉型精加工示意圖見(jiàn)圖8。

2.2.5 工藝參數(shù)的確定

圖 8 葉型精加工

影響電解加工精度的因素較多,尤其是工藝參數(shù)對(duì)加工精度的影響不容忽視。工藝參數(shù)主要包括:加工電壓,加工電流,電解液的種類、濃度、壓力、流量、溫度等。通過(guò)多次工藝試驗(yàn),獲得了優(yōu)選的工藝參數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)展順利,二臺(tái)機(jī)床運(yùn)行正常,能滿足工藝試驗(yàn)的要求,并加工出了符合工藝圖紙要求的零件。通過(guò)合理選擇工藝參數(shù),保證了工件的加工精度。具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電解加工工藝參數(shù)

在采用NaNO3電解液加工GH4169材料時(shí),表面粗糙度Ra值隨著電流密度的提高而減小,點(diǎn)蝕和晶間腐蝕也會(huì)隨著電流密度的增大而減小。大多數(shù)情況下,表面質(zhì)量隨著電流密度的增加而得到改善。但無(wú)限制地增加電流密度,會(huì)使電解加工的平衡被破壞,導(dǎo)致結(jié)疤、短路等現(xiàn)象出現(xiàn)。加工電壓的提高會(huì)使加工間隙增大,導(dǎo)致加工誤差增大,因此,在確保所需電流密度相應(yīng)的正常加工條件下,加工電壓值盡量選取下限值,以得到正常加工的最小間隙,保證零件的加工精度。

電解液流場(chǎng)的參數(shù)是指流量、壓力和溫度。電解液的流量測(cè)量較復(fù)雜,一般在實(shí)際加工中,通過(guò)調(diào)整電解液的壓力來(lái)達(dá)到要求的流量和速度。常用的電解液壓力在0.4～0.6 MPa范圍內(nèi)。對(duì)于加工高溫合金材料,電解液溫度一般選擇25～35℃為宜。

在整體葉盤工藝試驗(yàn)中,葉型精加工的效果好壞與電解開(kāi)槽的關(guān)系很大,粗開(kāi)槽加工留給精加工的葉型余量均勻,就易得到高的加工精度。目前,粗開(kāi)槽的加工效果還不夠理想,造成整體葉盤電解加工尚不能達(dá)到無(wú)余量精密電解。整體葉盤電解開(kāi)槽加工采用了管狀電極,零件的成形精度除了電極的形狀和尺寸外,與工藝參數(shù)的選擇和進(jìn)給速度等有很大關(guān)系,加工的規(guī)律性需通過(guò)工藝試驗(yàn)摸索。同時(shí),NaCl電解液加工成形精度低,如改為NaNO3,雖會(huì)提高零件的加工精度,但加工速度會(huì)降低。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)整體葉盤電解加工工藝試驗(yàn)研究,證明整體葉盤電解加工是一種高效低成本的加工方法,試驗(yàn)采用的工藝方案合理可行,能對(duì)整體葉盤實(shí)現(xiàn)電解加工。

(2)試驗(yàn)研制的工裝及電極結(jié)構(gòu)合理,簡(jiǎn)單實(shí)用,易于制造,可滿足工藝試驗(yàn)的要求,工藝參數(shù)合理,可用于生產(chǎn)。

(3)整體葉盤電解加工工藝可分為粗開(kāi)槽和型面精加工,試驗(yàn)突破了整體葉盤電解加工的關(guān)鍵技術(shù),掌握了加工工藝規(guī)律,對(duì)深入研究整體葉盤電解加工具有借鑒和指導(dǎo)意義。

(4)整體葉盤電解加工的難度很大,尚需做大量的工藝試驗(yàn)及技術(shù)摸索,欲達(dá)到無(wú)余量精密電解加工,還需投入大量的工藝試驗(yàn)工作。

[1] 徐家文.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[2] 王建業(yè).電解加工原理及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.

[3] 徐家文.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.