唐 霖，范植堅(jiān)

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021）

整體構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。如美國(guó)在IHPTET高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃、英國(guó)在A(yíng)MET計(jì)劃中均提出發(fā)動(dòng)機(jī)采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向[4]。目前，開(kāi)式整體葉輪主要采用數(shù)控銑削、電解加工和電火花加工等加工方法[5-9]。而對(duì)于帶冠閉式整體葉輪、徑向擴(kuò)壓器及三元流閉式整體葉輪等（圖1），因其型腔多為深、窄、彎扭變截面的螺旋異形渦道，加工空間狹小且材料多為難加工金屬，使國(guó)外公司采用電火花技術(shù)、數(shù)控銑削技術(shù)加工某發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪的耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百甚至上千小時(shí)，加工效率較低。國(guó)內(nèi)研究人員雖然也進(jìn)行了異形渦道電火花加工關(guān)鍵技術(shù)的研究，但無(wú)法解決加工效率低的問(wèn)題，很難滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要[10-12]。

圖1 典型的閉式整體葉輪

國(guó)內(nèi)某高校的研究人員率先提出了先電解加工去除大余量、后電火花精成形加工的方法[13]，提高了加工效率。但采用的是通過(guò)機(jī)械加工方法進(jìn)行打孔或開(kāi)槽、再設(shè)計(jì)2個(gè)甚至數(shù)個(gè)陰極進(jìn)行電解拷形，即開(kāi)孔、拷形兩步完成電解加工的方法，需進(jìn)行多次安裝和拆卸。為進(jìn)一步提高異形渦道加工的效率，本文將在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)電解加工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和技術(shù)創(chuàng)新。

1 反流式電解加工的原理和裝置

1.1 電解液供液方式對(duì)流場(chǎng)的影響分析

實(shí)際應(yīng)用中，電解液的流動(dòng)包括側(cè)流式、正流式和反流式3種典型形式[14]。一般情況下，型面加工采用側(cè)流式（圖2a），即電解液從一個(gè)側(cè)面流入，再?gòu)牧硪粋?cè)面流出，流出端可添加一定的背壓，電解液流動(dòng)的截面積沿流場(chǎng)方向的變化不大。該流動(dòng)方式具有流場(chǎng)均勻的優(yōu)點(diǎn)，在條件允許的情況下，采用該種形式是最理想的，主要應(yīng)用于葉片和較淺型腔的加工。

圖2 電解液流動(dòng)方式示意圖

如圖2b所示的正流式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，電解液從陰極的中心孔流入，經(jīng)加工間隙向四周流出。電解液的流動(dòng)為擴(kuò)散流，易導(dǎo)致束流、空穴，局部區(qū)域電解液易缺失，導(dǎo)致陰極短路或燒傷。

如圖2c所示，反流式流場(chǎng)均勻，且加工區(qū)始終是新鮮的電解液，更利于電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，這對(duì)加工精度要求較高的異形渦道加工來(lái)說(shuō)是最理想的選擇，有利于消除束流和空穴。但閉式整體構(gòu)件的異形渦道不具備類(lèi)似模具型腔可自密封的零件毛坯或夾具平面，如需解決流道口弧形面和環(huán)形溝上、下壁三面同時(shí)密封的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)開(kāi)槽、拷貝一步電解成形，就必須在工裝夾具設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新。

1.2 反流式電解加工工裝夾具一體化設(shè)計(jì)

異形渦道電解加工的工裝設(shè)計(jì)除了應(yīng)具備定位、夾緊等機(jī)械加工工裝夾具應(yīng)有的功能外，還應(yīng)解決供液、導(dǎo)流、導(dǎo)電、絕緣及可靠密封的問(wèn)題。合理的工裝設(shè)計(jì)是保證電解加工間隙流場(chǎng)均勻和加工穩(wěn)定的重要條件。

將定位、夾緊、供液、導(dǎo)流、導(dǎo)電、絕緣及可靠密封的功能作通盤(pán)考慮的實(shí)質(zhì)是針對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行陰極和工裝夾具的一體化設(shè)計(jì)。經(jīng)反復(fù)探索，本文采用密封導(dǎo)向式裝置，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)異形面同時(shí)密封，在密封體一側(cè)提供一個(gè)能實(shí)現(xiàn)電解液流進(jìn)、流出及陰極移動(dòng)進(jìn)給、定位、導(dǎo)向和移動(dòng)密封的功能。如圖3所示，該密封導(dǎo)向式裝置主要包括密封導(dǎo)向座套、鎖緊密封套、軌道套、主軸連接桿、陰極導(dǎo)桿及鎖緊螺母等。整套工裝具備定位、夾緊、導(dǎo)向、供液、導(dǎo)流、導(dǎo)電、絕緣及可靠密封的功能，該裝置的可靠密封是實(shí)現(xiàn)電解加工開(kāi)孔、擴(kuò)槽、拷形一步完成的重要指標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)電解加工區(qū)域流場(chǎng)均勻的重要保證。密封導(dǎo)向座套和鎖緊密封套從上、下兩個(gè)方向抱緊工件，主軸連接桿的兩端分別與機(jī)床、陰極連接。電解液通過(guò)供液管流進(jìn)密封導(dǎo)向座套，反流進(jìn)入電解加工陰極，再流經(jīng)陰極導(dǎo)桿，最后從法蘭連接口流出。

圖3 一體化結(jié)構(gòu)的工裝夾具

2 電解液對(duì)加工效率和加工質(zhì)量的影響

2.1 電解液成分對(duì)加工效率的影響

采用45鋼材料制成的側(cè)面不絕緣的方孔或圓孔陰極（圖4），在電壓24 V、電解液壓力0.8 MPa、電解液溫度30～35℃的條件下，經(jīng)正交預(yù)試驗(yàn)研究分析，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液試驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加NaCl，并逐漸提高陰極進(jìn)給速度，直至發(fā)生火花或短路現(xiàn)象，可得到不同電解液成分所能達(dá)到的最大陰極進(jìn)給速度。

由表1可見(jiàn)，采用12%NaCl電解液獲得的最大陰極進(jìn)給速度為3.6 mm/min；添加10%NaCl后的電解液獲得的最大陰極進(jìn)給速度為2.0 mm/min；添加5%NaCl后的電解液獲得的最大陰極進(jìn)給速度為2.4 mm/min。因此，在電解液中加入NaCl成分后，陰極進(jìn)給速度顯著提高。

圖4 電解加工用陰極

表1 電解液成分對(duì)陰極進(jìn)給速度的影響

2.2 電解液成分對(duì)加工質(zhì)量的影響

在電壓24 V、電解液壓力0.8 MPa、陰極進(jìn)給速度0.9 mm/min的條件下，不同電解液加工特種鋼材料后的工件表面形貌見(jiàn)圖5。

圖5 不同電解液加工后的工件表面形貌（800×）

由圖5b和圖5d可看出，晶界腐蝕現(xiàn)象隨著NaCl濃度的提高而變得越來(lái)越嚴(yán)重。經(jīng)測(cè)量，采用5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液加工后的工件表面粗糙度最佳，可達(dá)Ra0.8 μm。此外，從效率角度出發(fā)，雖然采用12%NaCl電解液的加工速度最高可達(dá)3.6 mm/min，但考慮到NaCl電解液的雜散腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，兼顧加工效率和加工質(zhì)量，最終確定采用5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液進(jìn)行異形渦道的成形加工試驗(yàn)研究。

3 異形渦道的電解加工工藝試驗(yàn)

異形渦道電解預(yù)加工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。采用五軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控電解加工機(jī)床，電解液為5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液。在電解液壓力為0.8 MPa、電解液溫度為32℃、電壓為20 V、陰極進(jìn)給速度為0.9 mm/min的條件下進(jìn)行異形渦道的加工，探索其成形規(guī)律。

圖6 異形渦道電解預(yù)加工現(xiàn)場(chǎng)

3.1 異形渦道的電解加工成形規(guī)律研究

閉式整體葉輪異形渦道的成形是型孔成形與型面拷貝成形的串聯(lián)，兩種成形同時(shí)進(jìn)行且相互影響，這增大了探討成形規(guī)律的難度。

當(dāng)陰極進(jìn)給36 mm時(shí)，陰極端片和錐頭繼續(xù)開(kāi)槽、擴(kuò)槽，陰極腰部加工面對(duì)渦道進(jìn)行拷形；當(dāng)陰極進(jìn)給64 mm時(shí)，渦道的排氣邊型面加工完成。將渦道曲面設(shè)計(jì)尺寸、按理論設(shè)計(jì)曲面預(yù)留1.0 mm余量的尺寸、所設(shè)計(jì)的陰極曲面段尺寸及加工后的曲面尺寸進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖7。可看出，加工的試件曲面段與按圖紙預(yù)留1.0 mm余量的曲面有交叉，說(shuō)明渦道電解加工后的余量不均勻。為探索渦道成形規(guī)律，需對(duì)電解加工陰極型面進(jìn)行修形。

圖7 外流道加工后的數(shù)據(jù)處理

3.2 離散點(diǎn)法陰極型面修形研究

電解加工異形型腔的渦道型面不可能是陰極型面的完全拷貝，設(shè)計(jì)的陰極型面需通過(guò)工藝試驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)修正。將渦道型腔型面段的實(shí)際加工尺寸與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算得到補(bǔ)償量，修正前、后的陰極型面尺寸見(jiàn)圖8，可見(jiàn)修正后的陰極曲面長(zhǎng)度較修正前的陰極長(zhǎng)。

圖8 陰極型面修正前后的尺寸

將閉式整體葉輪異形渦道的理論設(shè)計(jì)型腔與修形后的陰極尺寸及實(shí)際加工型腔進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖9?？煽闯觯拚蟮年帢O曲面更光滑；經(jīng)測(cè)量，加工后的型腔尺寸基本在預(yù)留的1.0 mm余量范圍內(nèi)，且余量比用修形前的陰極加工所得的更均勻，也未出現(xiàn)過(guò)切，為后續(xù)電火花精加工留下1.0 mm左右的均勻余量。電解加工后的工件形狀見(jiàn)圖10。在完成異形渦道的電解加工初成形后，還須采用電火花加工方式進(jìn)行異形渦道的精加工。

圖9 修正陰極加工的型腔形狀精度

圖10 電解加工后的工件

4 結(jié)語(yǔ)

為進(jìn)一步提高電解電火花組合加工異形渦道的效率，提出了一種開(kāi)孔、擴(kuò)槽、拷型一步完成的電解加工方法。針對(duì)異形渦道的形狀設(shè)計(jì)了參數(shù)一體化的工裝夾具及電解加工陰極；針對(duì)新型的特種鋼材料研制了一種高效、高質(zhì)量加工復(fù)合電解液。通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了陰極修正，使單個(gè)異形渦道的加工時(shí)間僅需1 h20 min，為后續(xù)異形渦道的電火花精加工減少了電極更換次數(shù)，降低了電極設(shè)計(jì)成本。

[1] Xu Z Y，Xu Q，Zhu D，et al.A high efficiency electrochemical machining method of blisk channels[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2013，62 （1）：187-190.

[2] Bhaumik S K，Bhaskaran T A，Rangaraju R，et al.Failure of turbine rotor blisk of an aircraft engine[J].Engineering Failure Analysis，2002，9（3）：287-301.

[3] Klocke F，Zeis M，Klink A，et al.Technological and economical comparison of roughing strategies via milling，EDM and ECM for titanium-and nickel-based blisks[J].Procedia CIRP，2012，2（1）：98-101.

[4] 趙建社.整體構(gòu)件特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].國(guó)防制造技術(shù)，2011（5）：4-8.

[5] 王德新，徐斌.整體葉盤(pán)電解加工工藝研究[J].電加工與模具，2013（1）：56-59.

[6] 劉曉，康小明，趙萬(wàn)生.帶葉冠整體式渦輪盤(pán)的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工 [J].航空制造技術(shù)，2009（2）：100-102.

[7] 徐家文，趙建社.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.

[8] 王剛，趙萬(wàn)生.渦輪制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].航空工程與維修，2000（4）：41-43.

[9] 朱永偉，徐家文，胡平旺.數(shù)控展成電解加工整體葉輪的研究與應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào)，2001，22（4）：376-378.

[10]吳勇，康小明，劉曉，等.基于UG二次開(kāi)發(fā)的電火花加工成形電極設(shè)計(jì)系統(tǒng) [J].宇航材料工藝，2011，41（3）：70-73.

[11]黃海鵬，遲關(guān)心，王振龍，等.多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（2）：372-379.

[12]楊振朝.整體渦輪電火花加工工藝研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[13]趙建社，徐家文，葛媛媛，等.異形型腔電解加工陰極的數(shù)字化設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2006，27（5）：939-943.

[14]徐成，王津，竇春雨，等.基于抬刀和外部沖液的高溫鎳基合金電解加工實(shí)驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2014（4）：28-32.