航空發(fā)動(dòng)機(jī)整流器精密振動(dòng)電解加工技術(shù)研究*

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)增推減重是航空動(dòng)力不懈追求的目標(biāo)[1]。新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用大量復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)零件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量，省去了大量零組件裝配工序，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，但同時(shí)增加了復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的加工難度[2–3]。

整流器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子的重要部件，其制造精度直接影響壓氣機(jī)的工作性能和效率[4]。在新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，采用整體加工成形的整流器，結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似整體葉環(huán)，主要特點(diǎn)包括： （1）葉柵密集，流道空間狹窄，結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性差；（2）葉片形狀復(fù)雜，葉型彎扭、輕??；（3）材料一般為鎳基高溫合金、金屬間化合物等難加工材料。機(jī)械加工過(guò)程中刀具可達(dá)性差，接刀、顫振問(wèn)題嚴(yán)重，葉型無(wú)法實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，加工效率低，刀具費(fèi)用大，葉片表面質(zhì)量難以保證，采用單一的機(jī)械加工方法難以解決此類(lèi)零件的加工難題[2]。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(jì)合理的工藝路線[5]。

電解加工具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)工具損耗、與材料硬度無(wú)關(guān)、生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好、可加工三維復(fù)雜形狀等[6]。國(guó)內(nèi)外的研究與實(shí)踐表明，電解加工是鎳基高溫合金等難加工材料復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低成本、高效率加工的重要技術(shù)途徑[7–8]。但是電解加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電解產(chǎn)物、氣泡和焦耳熱，使電解液電導(dǎo)率在流動(dòng)方向上發(fā)生變化，致使材料溶解速度變得不均勻。某些情況下，電解液流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)空穴、死水區(qū)、分離流等，使加工過(guò)程穩(wěn)定性難以保證，甚至?xí)l(fā)生短路燒傷等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件報(bào)廢[9]。

電解加工的成型精度與加工間隙的大小有關(guān)。加工間隙越小、分布越均勻時(shí)，加工出的型面與陰極的型面的一致性越好，加工精度越高。精密振動(dòng)電解加工在脈沖電解加工基礎(chǔ)上引入了陰極振動(dòng)，采用了小間隙加工、大間隙沖刷的加工方式，提高了小間隙加工的傳質(zhì)水平，解決了直流或脈沖電解加工中出現(xiàn)的均化流場(chǎng)困難、溶解速度不均等問(wèn)題，使得加工復(fù)雜的三維型面時(shí)也能達(dá)到較小和穩(wěn)定的加工間隙，提高了加工精度，相比傳統(tǒng)電解加工能夠獲得更好的成形精度和表面質(zhì)量[10–11]。

采用精密振動(dòng)電解加工技術(shù)，利用葉盆/葉背電極雙面同步進(jìn)給加工方法，通過(guò)高頻脈沖與低頻振動(dòng)耦合、陰極型面數(shù)據(jù)批量?jī)?yōu)化處理、流場(chǎng)仿真物理模型建立與分析，結(jié)合正交試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了GH4169高溫合金壓氣機(jī)整流器的高效精密加工。工藝過(guò)程穩(wěn)定，加工精度和表面質(zhì)量滿足技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵工藝問(wèn)題分析

電解加工的核心問(wèn)題是如何達(dá)到均勻、穩(wěn)定的小間隙加工狀態(tài)，這是獲得高精度、高效率、高表面質(zhì)量的根本途徑，也是電解加工所追求的目標(biāo)[12]。具有葉柵密集、流道空間狹窄、結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性差特點(diǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整流器精密振動(dòng)電解加工的關(guān)鍵工藝問(wèn)題主要包括高頻脈沖電源脈沖電流的輸出與陰極振動(dòng)的精確匹配、陰極加工型面各點(diǎn)法向矢量確定與角度差異條件下的間隙偏離計(jì)算、狹窄流道空間內(nèi)加工陰極與整流器葉片間的均勻化流場(chǎng)設(shè)計(jì)。

1 高頻脈沖與低頻振動(dòng)耦合參數(shù)選取原則

精密振動(dòng)電解加工采用高頻脈沖與低頻振動(dòng)耦合的方式，如圖1所示，脈沖頻率與振動(dòng)頻率對(duì)加工精度也會(huì)產(chǎn)生影響。陰極振動(dòng)會(huì)在加工間隙內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)壓力波，有助于改善流場(chǎng)特性，減小電解液中的空穴，增強(qiáng)電解液的更新，降低濃差極化；脈沖頻率越高，脈沖電流的擾動(dòng)作用更強(qiáng)，有利于抑制加工界面的電化學(xué)極化，提高活性。因此，選擇合理的振動(dòng)頻率與脈沖參數(shù)有利于獲得較高的加工精度。

圖1 精密電解加工原理Fig.1 Principle of precision electrochemical machining

精密振動(dòng)電解加工中的脈沖參數(shù)包括陰極振動(dòng)到最低點(diǎn)附近時(shí)，脈沖電源開(kāi)通角度θon；陰極離開(kāi)最低位置附近時(shí)，脈沖電源關(guān)斷角度θoff；脈沖寬度ton、脈沖間歇toff、脈沖數(shù)量n、陰極振動(dòng)頻率f、單個(gè)振動(dòng)循環(huán)的加工時(shí)間t，滿足式（1）。單個(gè)振動(dòng)循環(huán)周期內(nèi)，上述參數(shù)設(shè)置應(yīng)滿足式（2），以保證每個(gè)脈沖均能完整輸出。

2 陰極加工型面優(yōu)化設(shè)計(jì)

電解加工的成形規(guī)律與平衡狀態(tài)下的加工間隙有關(guān)。在平衡狀態(tài)下，電極的進(jìn)給速度與工件的溶解速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，如圖2所示（其中Vθ為電極進(jìn)給速度，Vf為電極上各點(diǎn)的法向進(jìn)給速度）。根據(jù)電解加工的相關(guān)理論，工件上M點(diǎn)溶解速度與電極進(jìn)給速度相等，N點(diǎn)溶解速度等于電極進(jìn)給速度在N點(diǎn)法向上的分速度。M點(diǎn)處的法向間隙Δn與N點(diǎn)處的法向間隙Δb存在幾何關(guān)系：

其中，Δn為加工間隙；η為電流效率；ω為體積電化學(xué)當(dāng)量；κ為電導(dǎo)率；UR為間隙電解液中的電壓降；為陰極進(jìn)給速度；θ為陰極進(jìn)給速度與工件表面法線方向的夾角。

圖2 電解加工平衡狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of equilibrium state in electrochemical machining

式（3）為常見(jiàn)的陰極設(shè)計(jì)方法cosθ計(jì)算法的理論基礎(chǔ)。然而，電解加工中的材料蝕除受到電場(chǎng)、流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的影響，過(guò)程復(fù)雜。在實(shí)際加工中，Δn受到的擾動(dòng)較多，導(dǎo)致工件表面的成形精度存在一定的誤差。從式（3）可得出，Δn的擾動(dòng)在N點(diǎn)會(huì)被放大1/cosθ倍。因此，當(dāng)θ角度過(guò)大時(shí)，N點(diǎn)的加工精度顯著下降。通常認(rèn)為，當(dāng)θ> 60°時(shí)，法向間隙計(jì)算誤差過(guò)大，不能滿足實(shí)際加工的要求，需不斷迭代修正[13]。

對(duì)cosθ計(jì)算法提出了優(yōu)化改進(jìn)，采用分段計(jì)算方式，不同范圍的θ角度對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算方法，如圖3所示。并依此設(shè)計(jì)了陰極加工型面優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件（圖4），大幅提高了加工型面設(shè)計(jì)可靠性和效率，減少了迭代次數(shù)。

圖3 陰極計(jì)算方法Fig.3 Calculation method of cathode shape

圖4 陰極優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Fig.4 Calculation software of cathode shape

3 電解液流場(chǎng)均勻化設(shè)計(jì)

精密電解加工過(guò)程中，電解液流場(chǎng)狀態(tài)會(huì)隨著葉盆、葉背型面加工陰極的運(yùn)動(dòng)進(jìn)給而產(chǎn)生變化。而整體整流器的葉片厚度較小，在高速流場(chǎng)的沖刷下容易產(chǎn)生變形和顫振，造成加工間隙的波動(dòng)，降低加工精度，甚至導(dǎo)致短路。因此，電解液流場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需要全面考慮加工過(guò)程中流場(chǎng)狀態(tài)變化的問(wèn)題[14]。

葉型電解加工時(shí)，流場(chǎng)布局一般有徑向流動(dòng)和側(cè)向流動(dòng)兩種方式（圖5）。沿葉尖方向的徑向流動(dòng)方式目前在加工整體葉盤(pán)葉型中較多采用，這種流動(dòng)方式流程雖然相對(duì)較長(zhǎng)，但因沿流動(dòng)方向的葉型型面變化小，對(duì)電解液流動(dòng)的阻力較小，有利于加工過(guò)程中電解液的流動(dòng)，可獲得較為穩(wěn)定的加工流場(chǎng)，同時(shí)保證流場(chǎng)均勻性的工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而在葉柵密集、流道空間狹窄的整流器葉片加工中，電解液流場(chǎng)只能采用側(cè)向流動(dòng)方式。在電解液側(cè)向流動(dòng)時(shí)，進(jìn)液的一側(cè)由于電解液與前緣點(diǎn)撞擊，會(huì)產(chǎn)生激波振動(dòng)，局部的沖刷方向與流速分散，控制較困難；出液一側(cè)的邊緣處，電解液活性相對(duì)較差，導(dǎo)致沿程間隙發(fā)生變化，而在電解液離開(kāi)加工區(qū)域的瞬間，壓力場(chǎng)突變，會(huì)出現(xiàn)混氣、渦流等，對(duì)出液處的流場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，對(duì)電解加工過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，以期獲得理想的加工流場(chǎng)狀態(tài)。

圖5 葉片型面加工電解液流動(dòng)方式示意圖Fig.5 Schematic diagram of electrolyte flow mode in blade machining

采用加工陰極與進(jìn)液裝置、葉型等組合設(shè)計(jì)的方法，使葉盆、葉背加工陰極和進(jìn)水裝置在加工過(guò)程中形成一個(gè)相對(duì)封閉的腔，即加工過(guò)程中的電解液流道。建立了流場(chǎng)仿真物理模型，如圖6所示。

為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)仿真的計(jì)算過(guò)程，對(duì)流場(chǎng)物理模型做出以下假設(shè)：

（1）加工間隙中的電解液為不可壓縮的連續(xù)流體，電解液的黏度系數(shù)為常值。

（2）電解液的剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變遵循牛頓內(nèi)摩擦定律。

（3）加工過(guò)程無(wú)熱量產(chǎn)生，無(wú)熱量傳遞，電解液的溫度保持恒定。

（4）忽略陽(yáng)極上產(chǎn)生的氣泡和電解產(chǎn)物對(duì)流場(chǎng)的影響。

（5）忽略陰極振動(dòng)導(dǎo)致的加工間隙改變。

假設(shè)陰陽(yáng)極之間電解液的流場(chǎng)狀態(tài)為完全湍流，忽略分子黏性的影響。使用流場(chǎng)控制方程為連續(xù)性方程和Navier–Stokes方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k–ε湍流模型[15]進(jìn)行求解，不考慮重力的影響，標(biāo)準(zhǔn)k–ε模型為

其中，ε為耗散率；ρ為密度；k為湍流能；σk和σε為湍動(dòng)能k的湍流普朗特?cái)?shù)；μ為動(dòng)力黏度；Gk表示平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb表示由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；C1ε、C3ε、C2ε均為默認(rèn)值常數(shù)；湍流黏性系數(shù)

流場(chǎng)仿真參數(shù)如表1所示。

流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）流速分布圖中可以看出，加工間隙中的電解液流速無(wú)明顯波動(dòng)，流速分布均勻，葉盆與葉背加工間隙中的電解液流速基本相同。從圖7（b）電解液壓力分布圖中可看出，沿電解液入口往電解液出口方向，電解液壓力呈梯度下降分布，葉盆與葉背加工間隙中的電解壓力分布一致性較高。

圖6 流場(chǎng)仿真物理模型截面示意圖Fig.6 Schematic diagram of physical model cross section of flow field simulation

由以上仿真結(jié)果可得，采用上述陰極和電解液側(cè)向流動(dòng)方式，電解液入口壓力0.6MPa時(shí)，葉片兩側(cè)的電解液流場(chǎng)分布均勻性和一致性較好。加工過(guò)程中，電解液對(duì)葉片兩側(cè)的壓力能夠保持平衡，不會(huì)產(chǎn)生變形和顫振，保證了加工間隙狀態(tài)的穩(wěn)定，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量。

整流器精密振動(dòng)電解加工試驗(yàn)

1 試驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)象為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)整流器，材料為GH4169，葉柵高度約31mm，寬度約10mm。

試驗(yàn)在精密振動(dòng)電解試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。該設(shè)備采用高頻窄脈沖電源，具有完善的納秒級(jí)短路保護(hù)系統(tǒng)，可確保加工過(guò)程中設(shè)備、電極及工件的安全性。設(shè)備振動(dòng)頭頻率為50Hz，振幅為0.3mm，主軸動(dòng)態(tài)進(jìn)給精度0.01mm，能夠滿足整流器葉片高精度的加工要求。

2 電解液的選擇

針對(duì)鎳基高溫合金開(kāi)展電解液的選擇，需首先確定材料中所含元素的電極反應(yīng)順序。電解加工過(guò)程中電極反應(yīng)的順序與電極電位有關(guān)，在陽(yáng)極，電極電位最負(fù)的物質(zhì)最先失去電子而被陽(yáng)極溶解。GH4169的化學(xué)成分及其主要元素的陽(yáng)極反應(yīng)的電極電位[16]見(jiàn)表2和3，在含量較多的元素中，Cr元素的電極電位最負(fù)，最先發(fā)生電極反應(yīng)，隨后由于陽(yáng)極極化而使其陽(yáng)極電位正移，Nb、Ni、Mo、Fe等元素逐漸參加電極反應(yīng)而發(fā)生陽(yáng)極溶解。

表1 流場(chǎng)仿真參數(shù)Table 1 Flow field simulation parameter

圖7 流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.7 Result of flow field simulation

表2 GH4169的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 GH4169 chemical composition (mass fraction) %

一般情況下，電解液的選擇需兼顧葉片型面的加工精度、加工效率和表面質(zhì)量。隨著電解加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電解液的新要求也不斷提出，因此很難找到一種電解液能夠同時(shí)滿足所有的要求，需要根據(jù)加工要求以及被加工材料的特性，對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。

當(dāng)前生產(chǎn)中常用的電解液主要有NaCl、NaNO3、NaClO33種，在復(fù)合電解液中也以此3種的相互復(fù)合居多。NaNO3電解液能夠同時(shí)兼顧加工精度、加工效率、加工穩(wěn)定性和表面質(zhì)量等方面的問(wèn)題。

基于上述分析與先前相關(guān)研究，對(duì)各個(gè)加工參數(shù)的水平范圍進(jìn)行初選。試驗(yàn)采用10%～15%的NaNO3電解液，進(jìn)行整流器葉片的精密振動(dòng)電解加工工藝試驗(yàn)。利用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素和水平見(jiàn)表4。其他試驗(yàn)參數(shù)如下：陰極振幅0.3mm，脈沖占空比1∶2，電解液溫度23～25℃，電解液壓力0.6MPa。

結(jié)果與討論

采用粗糙度檢測(cè)儀和REVO五坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備[17]，分別對(duì)加工后整流器葉片試件表面粗糙度和型面精度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。采用參數(shù)組A3B1C3D2電解加工的葉片輪廓度和表面質(zhì)量最好。其他參數(shù)組合下電解加工葉片的表面質(zhì)量均有所差別。采用參數(shù)組A3B1C3D2進(jìn)行了整流器葉片的精密振動(dòng)電解加工。

利用掃描電子顯微鏡對(duì)加工后葉片表面進(jìn)行組織形貌觀察，精密振動(dòng)電解加工的葉片表面未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕及點(diǎn)蝕，如圖8所示。對(duì)加工表面和基體組織進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明精密振動(dòng)電解加工表面與基體的化學(xué)成分一致，未發(fā)現(xiàn)選擇性腐蝕現(xiàn)象，如圖9所示。

表3 GH4169合金中各元素的電極反應(yīng)及標(biāo)準(zhǔn)電極電位Table 3 Electrode reaction and standard electrode potential of different elements in GH4169

表4 因素和水平Table 4 Factors and levels

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal test

圖8 電解加工葉片的橫截面微觀組織SEM觀察Fig.8 SEM observation of cross section microstructure of electrochemical machining blade

圖9 電解加工葉片表面能譜分析Fig.9 Energy spectrum analysis of electrochemical machining surface

對(duì)24件試驗(yàn)件進(jìn)行了高周疲勞試驗(yàn)考核，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到1×107次循環(huán)的中值疲勞強(qiáng)度為518.57MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足5%誤差限度，95%置信度要求。

結(jié)論

（1）采用高頻脈沖與低頻振動(dòng)耦合的精密振動(dòng)電解加工技術(shù)，有利于獲得均勻、穩(wěn)定的小間隙加工狀態(tài)，得到較高的加工精度和好的表面質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金等難加工材料復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)低成本、高效率、高精度加工的重要技術(shù)途徑。

（2）采用多種計(jì)算方式相結(jié)合的方法，解決了陰極型面設(shè)計(jì)中θ角度過(guò)大，特別是大于60°時(shí)，導(dǎo)致型面設(shè)計(jì)誤差過(guò)大的問(wèn)題，并利用自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了陰極型面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的批處理，大幅縮短了陰極型面設(shè)計(jì)定型周期。

（3）建立了流場(chǎng)仿真物理模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k–ε湍流模型對(duì)加工區(qū)域的電解液流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得到了流速分布均勻，葉片兩側(cè)流場(chǎng)壓力分布基本一致的電解液流場(chǎng)，保證了電解加工過(guò)程的穩(wěn)定。

（4）在加工電壓15V、振動(dòng)頻率20Hz、開(kāi)通角度160°～190°、脈沖頻率3000Hz時(shí)的葉片型面輪廓度為– 0.023 ～ + 0.025mm，表面粗糙度值Ra為0.55μm。經(jīng)組織形貌觀察，葉片表面無(wú)晶間腐蝕和點(diǎn)蝕，未發(fā)現(xiàn)選擇性腐蝕現(xiàn)象。

（5）研制的GH4169高溫合金整流器通過(guò)了高周疲勞性能考核，成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，為精密振動(dòng)電解加工技術(shù)在難加工材料復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。