李紅英，張明岐，程小元

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

薄壁機(jī)匣高效整體一次成形電解加工技術(shù)的研究

李紅英，張明岐，程小元

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

介紹了高效整體一次成形電解加工原理及工藝實(shí)施方法，并以航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁機(jī)匣為對象，進(jìn)行了試驗(yàn)和驗(yàn)證加工，取得了滿意的工藝效果，證明該方法在加工環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)件上淺深度的復(fù)雜形狀凸臺(tái)方面具有較大的工藝優(yōu)勢。

薄壁機(jī)匣；復(fù)雜形狀凸臺(tái)；電解加工；一次成形

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了減輕結(jié)構(gòu)重量、提高推重比功重比，采用了大量的整體薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，如燃燒室薄壁機(jī)匣、火焰筒等，材料一般為高溫合金、高溫鈦合金等。以燃燒室薄壁機(jī)匣為例，其環(huán)形面上布有眾多形狀各異的安裝凸臺(tái)、環(huán)形加強(qiáng)筋等，結(jié)構(gòu)輕薄，從毛坯加工成零件的材料去除比很高，一般可達(dá)60%～80%，零件壁厚最薄處約0.5 mm。此類零件采用機(jī)械加工非常困難，一是由于材料切削性能很差，加工效率極低；二是刀具損耗嚴(yán)重，加工成本高；三是加工應(yīng)力的累加導(dǎo)致零件變形嚴(yán)重，且變形難以控制。因此，在加工過程中需精確控制吃刀量，還須進(jìn)行多次熱處理來消除應(yīng)力，加工工序多，難以適應(yīng)批產(chǎn)甚至是小批試制需求。

電解加工工藝具有加工效率高、無電極（刀具）損耗、加工無應(yīng)力、不變形及表面完整性好等技術(shù)優(yōu)勢，可滿足既要高效去除大量材料、又要保證加工后的整體薄壁結(jié)構(gòu)零件不變形的加工要求，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)大型機(jī)匣上安裝凸臺(tái)、加強(qiáng)筋、型腔等結(jié)構(gòu)的加工中。此類大型機(jī)匣直徑均在800～1100 mm之間，凸臺(tái)高度在2~25 mm左右，通常采用的是成形電極電解加工方法：首先根據(jù)機(jī)匣上各種形狀的凸臺(tái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的成形電極和夾具，對凸臺(tái)進(jìn)行逐個(gè)加工；然后對凸臺(tái)以外剩下的待加工部分進(jìn)行分組分塊，設(shè)計(jì)對應(yīng)的弧面加工電極和夾具，依次進(jìn)行加工。

采用成形電極進(jìn)行環(huán)形機(jī)匣的電解加工仍存在以下不足：

（1）機(jī)匣凸臺(tái)的形狀多樣各異，需要眾多的成形加工電極和夾具進(jìn)行逐個(gè)加工，電極和夾具的設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，通用性差，且裝卸頻繁，準(zhǔn)備周期長。

（2）凸臺(tái)位置交錯(cuò)干涉，某些局部難以實(shí)現(xiàn)合理的分組、分塊加工。

（3）各部分之間加工后有明顯的接刀痕，往往需要預(yù)留小余量進(jìn)行后續(xù)加工，達(dá)不到最終的尺寸要求。

（4）為了提高加工效率，減少電極、夾具的更換及加工次數(shù)，設(shè)計(jì)電極時(shí)需盡可能擴(kuò)大每個(gè)電極的加工面積，因此需配置大容量加工電源和大流量輸液系統(tǒng)的大型電解加工設(shè)備。

本文針對凸臺(tái)、加強(qiáng)筋高度較?。ㄒ话阍?.5~

2.5 mm之間）的小型燃燒室薄壁機(jī)匣開展試驗(yàn)加工研究，采用與傳統(tǒng)成形電極電解加工不同的高效整體一次成形電解加工方法，獲得了滿意的工藝效果，并已成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁機(jī)匣的實(shí)際加工中。

1 高效整體一次成形電解加工方法

該加工方法首先采用計(jì)算機(jī)圖形繪制技術(shù)和絕緣保護(hù)涂層涂覆工藝，在環(huán)形結(jié)構(gòu)件的非加工表面上準(zhǔn)確涂覆絕緣涂層；其次，設(shè)計(jì)與環(huán)形面一致的通用弧面加工電極和夾具；第三，通過加工電極與環(huán)形結(jié)構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)形面待加工部位的掃描電解加工；第四，電解蝕刻到所需深度后結(jié)束加工，拆下工件，去除絕緣涂層，獲得最終的形狀凸臺(tái)及高度。此外，如有二次臺(tái)階凸臺(tái)，重復(fù)上述過程完成加工。

高效整體一次成形電解加工能否加工出形狀精度合格、壁厚均勻一致的環(huán)形結(jié)構(gòu)件，取決于加工流場的均勻一致性、絕緣保護(hù)涂層的牢固可靠性及加工深度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測等技術(shù)。

1.1 加工流場的均勻性控制

高效整體一次成形電解加工采用整體大面積的加工電極（＞100 cm2）進(jìn)行"掃描"式加工，流場的均勻沖刷是控制整體薄壁曲面零件加工去除均勻、獲得理想加工結(jié)果的關(guān)鍵。難點(diǎn)在于：① 加工面積大，不易實(shí)現(xiàn)加工范圍內(nèi)各處的流場均勻一致，而流場的不一致將導(dǎo)致各處金屬的溶解速度不同，從而使各處加工深度及形狀出現(xiàn)誤差（縱向溶解不均勻產(chǎn)生深度誤差，橫向溶解不均勻產(chǎn)生形狀誤差）；②加工過程中逐漸加工出的各種形狀凸臺(tái)及加強(qiáng)筋等也會(huì)干擾和影響加工流場的分布；③ 工具陰極和工件之間的相對快速運(yùn)動(dòng)雖有利于電解液沖刷，但也會(huì)對加工流場的均勻性產(chǎn)生影響。

為了實(shí)現(xiàn)整體一次成形電解加工流場的均勻性，必須通過反復(fù)的試驗(yàn)加工，選擇合理的加工工藝參數(shù)，并對電極和夾具的結(jié)構(gòu)、電解液進(jìn)出水方式進(jìn)行改進(jìn)，增加電解液局部阻尼、導(dǎo)向等措施。

1.2 環(huán)形件表面的絕緣保護(hù)涂層圖形制作

高效整體一次成形電解加工是采用"非加工表面保護(hù)、加工面露出金屬"的"選擇性"加工形式，因此制作堅(jiān)固均勻的絕緣保護(hù)涂層是決定該工藝加工質(zhì)量（包括凸臺(tái)形狀尺寸、去除深度、零件壁厚等）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。加工時(shí)，工件表面的絕緣涂層處于高溫高熱狀態(tài)，且需經(jīng)受電解液的高速?zèng)_刷，因此要保證涂層的堅(jiān)固牢靠，不會(huì)在加工過程中產(chǎn)生局部脫落而導(dǎo)致工件報(bào)廢。

首先，應(yīng)通過試驗(yàn)加工選擇一種既耐高溫、又能與加工材料基體牢固結(jié)合的絕緣涂層材料；其次，要考慮涂層圖形制作的可行性，采用的絕緣涂層材料應(yīng)能在環(huán)形表面上形成位置和形狀準(zhǔn)確的圖形，且涂層厚度要均勻一致；第三，還要考慮所選的絕緣涂層材料在加工后易快速去除干凈，不會(huì)殘留在工件上。綜合上述幾點(diǎn)，最終選擇了一種絕緣感光涂層材料，結(jié)合計(jì)算機(jī)光繪技術(shù)和旋轉(zhuǎn)曝光技術(shù)，在環(huán)形件表面形成了所要求的位置及形狀準(zhǔn)確的絕緣保護(hù)涂層圖形。

1.3 加工深度在線監(jiān)測

在電解加工過程中，如能實(shí)時(shí)在線檢測加工深度，無疑對加工過程及結(jié)果的掌控大有益處。由于環(huán)形件整體一次成形電解加工方法屬于間歇性加工，被加工表面始終處于進(jìn)入加工區(qū)、離開加工區(qū)、再進(jìn)入、再離開的循環(huán)中，使實(shí)時(shí)在線檢測加工深度成為可能。為此研制了專用的加工深度檢測裝置，加工過程中，檢測測頭始終與已加工表面保持接觸，測頭的徑向移動(dòng)距離即為實(shí)時(shí)的加工深度值，通過傳感器將數(shù)據(jù)信息傳出并顯示。

2 應(yīng)用示例

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁機(jī)匣為環(huán)形回轉(zhuǎn)件 （圖1），環(huán)形表面上有數(shù)10個(gè)形狀各異的凸臺(tái)，凸臺(tái)上下位置交錯(cuò)，呈密集不規(guī)則分布，兩端布有環(huán)形加強(qiáng)筋，部分凸臺(tái)局部還與加強(qiáng)筋重疊，凸臺(tái)最大高度為1.2 mm，最小壁厚1 mm。

圖1 薄壁機(jī)匣局部結(jié)構(gòu)圖

首先，針對此結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)制造了加工電極（圖2）和工裝。其次，在此結(jié)構(gòu)件上制作出位置及形狀準(zhǔn)確的凸臺(tái)絕緣保護(hù)涂層（圖3），絕緣涂層與加工材料基體粘接牢固，厚度均勻。最后，進(jìn)行整體一次成形電解加工，加工參數(shù)如下：電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的NaCl溶液，電解液壓力為1.0 MPa，初始加工間隙為0.2 mm，電解液溫度為25℃，加工電壓為15 V，工件旋轉(zhuǎn)速度為30 r/min，加工總時(shí)間為120 min。加工后的結(jié)構(gòu)件經(jīng)壁厚、凸臺(tái)形狀和位置尺寸檢測，滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求（圖4）。

3 結(jié)語

圖2 加工電極設(shè)計(jì)圖

圖3 制作完成的構(gòu)件環(huán)形面上凸臺(tái)絕緣保護(hù)涂層形狀

圖4 加工出的部分凸臺(tái)形狀和環(huán)形加強(qiáng)筋

整體一次成形電解加工充分發(fā)揮了電解加工工藝的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)環(huán)形回轉(zhuǎn)面的高效加工，最大加工深度可達(dá)2.5 mm，已成功應(yīng)用于薄壁機(jī)匣結(jié)構(gòu)件的加工中。它與機(jī)械銑削和傳統(tǒng)成形電極電解加工相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電極結(jié)構(gòu)簡單，適用于各種環(huán)形回轉(zhuǎn)面的加工；② 加工效率高，一次安裝即可完成環(huán)形結(jié)構(gòu)件上所有形狀凸臺(tái)的加工；③加工出的凸臺(tái)形狀及相互位置精度能得到可靠的保證，重復(fù)性好。

圖5 虛擬模具拆裝界面

4 結(jié)論

本文結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，詳細(xì)分析了虛擬拆裝技術(shù)體系和模具拆裝層次模型，采用3DVIA規(guī)劃模具的拆裝序列及拆裝路徑，實(shí)現(xiàn)了虛擬模具的拆裝工藝設(shè)計(jì)，并采用VB開發(fā)了專業(yè)的虛擬模具拆裝軟件界面，實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)驗(yàn)證、指導(dǎo)模具拆裝實(shí)訓(xùn)及其他拓展功能。

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本文設(shè)計(jì)了基于PLC的數(shù)控電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有體積小、重量輕、能耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過對2萬安培三軸臥式電解加工機(jī)床的調(diào)試，對系統(tǒng)在硬件和軟件設(shè)計(jì)上的缺陷進(jìn)行了修改，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功能。

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Research on ECM Technology of High-efficient and Integral One-process Forming of Thin-walled Casing

Li Hongying，Zhang Mingqi，Cheng Xiaoyuan
（AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

The principles and implementation methods of ECM technology with high-efficient and integral one-forming were illustrated.And the method of ECM technology was successfully applied to boss machinery of aero-engine thin-walled casing.The result shows that the process have the advantages in machining complex shapes boss of ring thin-walled structures with the ECM technology.

thin-walled casing；complex shapes boss；electrochemical machining；one forming

TG662

A

1009－279X（2014）01－0060-03

2013-09-30

李紅英，女，1982年生，工程師。