中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司技術中心 于 冰

隨著航空發(fā)動機制造技術的不斷發(fā)展，大量新結(jié)構(gòu)、新材料被采用，以提升發(fā)動機的性能，這些結(jié)構(gòu)特殊、材料難加工的零部件也給制造技術提出了新的挑戰(zhàn)。單純依靠傳統(tǒng)機械加工方法已無法滿足零件生產(chǎn)需求，甚至根本無法實現(xiàn)，而特種加工技術的發(fā)展和應用則彌補了傳統(tǒng)機械加工方法的不足，顯現(xiàn)出其在難加工材料、特殊結(jié)構(gòu)制造領域的獨特優(yōu)勢。特種加工技術成為在國際航空制造競爭中取得優(yōu)勝的關鍵，是衡量航空制造水平的重要標志之一。

電加工技術作為特種加工技術的一個重要分支，發(fā)揮著不可替代的作用。本文重點介紹電火花、電解等典型電加工技術在新型航空發(fā)動機渦輪葉片、整體葉盤等關鍵零部件加工中的應用，以及先進電加工技術的發(fā)展方向。

電火花加工技術應用

先進航空發(fā)動機新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的應用，對電加工技術提出了新的需求，其應用領域不斷擴大，電火花加工技術也得到了迅猛發(fā)展。特別是在航空發(fā)動機難加工材料、復雜零件特殊結(jié)構(gòu)、精密加工等方面，作為有效手段，多種電火花加工方法被開發(fā)出來并獲得應用。

電火花加工技術按加工方式分類目前主要有：電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花高速打孔、電火花磨削、電火花強化、電火花熔涂等，這些技術都在航空發(fā)動機行業(yè)中獲得廣泛應用，尤以電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花高速打孔應用最廣。許多難加工材料、特殊結(jié)構(gòu)表面的零件均采用電火花加工技術，如電火花高速銑加工技術等。

1 應用現(xiàn)狀

1.1 電火花成形加工技術

電火花成形技術在發(fā)動機零件加工上，主要用于方孔、盲孔、異形孔、窄槽、型腔等特殊結(jié)構(gòu)加工。隨著航空發(fā)動機葉輪、閉式整體葉盤等新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，多軸聯(lián)動的電火花成形加工技術得到了發(fā)展和應用。

圖1為多軸復雜型面電火花成形加工的實例。圖中所示為帶冠整體葉輪，其閉式的特殊結(jié)構(gòu)造成零件機加工過程中產(chǎn)生了刀具懸臂梁的障礙，數(shù)控銑加工難以完成，且選材多為不銹鋼、高溫耐熱合金和鈦合金等難切削材料，故作為航空制造中的關鍵技術，多軸聯(lián)動電火花成形加工技術顯得尤為有效[1]。

1.2 電火花線切割加工技術

圖1 多軸復雜型面電火花成形加工電極及樣件

電火花線切割加工技術是特種加工的一個重要的應用分支，在航空發(fā)動機行業(yè)中發(fā)揮著難以替代的作用。隨著新技術、新工藝、新結(jié)構(gòu)的不斷應用，慢走絲線切割技術的應用也推進到了更高的水平[2]。圖2為慢走絲線切割技術的應用實例，該零件為航空發(fā)動機壓氣機圓盤縱樹形和鍥形葉片安裝槽，其關鍵技術在于多次切割技術可實現(xiàn)“無重熔層”加工，同時又保證了工件的加工精度及表面質(zhì)量要求。

1.3 高速電火花小孔加工技術

高速電火花小孔加工技術是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一種新型、高效的深小孔加工工藝。它可在各種導電材料上高速地加工小孔，加工速度可達20～60mm/min，最大深徑比可超過100[3]。在航空發(fā)動機行業(yè)中存在大量異形結(jié)構(gòu)、空間角度復雜的零部件，如圖3所示，火焰筒內(nèi)外壁各孔空間角度均不同，且擁有較大的角度差，在電極加工穿透時都存在一定的障礙，且要求電極不加工到零件體對壁，這就對小孔加工技術提出了更高的要求。

圖2 慢走絲線切割加工實例

圖3 異形結(jié)構(gòu)、復雜空間角度零部件示意圖

圖4為七軸高速電火花小孔機加工實例，該零件為某航空發(fā)動機渦輪外環(huán)塊，零件體的型面及四周有90多個空間角度氣膜孔，分為φ0.3mm、φ0.35mm和φ0.4mm 3種孔徑。加工該零件時，可以通過調(diào)整加工電參數(shù)而使用一種規(guī)格的電極完成所有孔徑的加工，提高了加工效率。

圖4 七軸高速電火花小孔機加工實例

圖5為九軸電火花小孔機加工的實例，該零件體上有幾千個孔徑各異的小孔，且零件壁薄，易變形。采用高速電火花小孔加工技術，電極和工件間不會產(chǎn)生大的軸向力，尤其是在這種薄壁的工件上加工小孔，不會引起工件變形。

圖5 九軸電火花小孔機加工實例

1.4 電火花強化技術

電火花表面強化技術是直接利用電流的高能量密度對金屬表面進行強化的工藝，該技術多應用于磨具的型腔、量具、精鑄件和機械零件的表面強化處理。而近幾年才將電火花強化技術應用于航空發(fā)動機制造領域中，主要用于相互配合轉(zhuǎn)動零件的表面電火花熔涂石墨、硬質(zhì)合金等材料的加工，可以提高表面硬度、耐磨性。圖6為電火花熔涂硬質(zhì)合金強化葉片耐磨性的實例。電火花熔涂堆焊技術在電火花強化的基礎上發(fā)展而來，可以進一步開發(fā)設備功能，開拓全新的工藝方法，進行機械零件表面損傷修復、微小尺寸超差修復等，填補了航空發(fā)動機制造領域缺陷修復工藝的空白，并被成功應用。

1.5 特性化技術

（1）電火花蜂窩磨削加工技術。

電火花蜂窩磨削是電火花磨削中的一種特殊加工方式，利用旋轉(zhuǎn)電極在加工區(qū)對環(huán)形蜂窩件內(nèi)孔進行展成磨削加工，非常適用于航空發(fā)動機環(huán)形蜂窩零件內(nèi)孔磨削加工。

圖7是應用蘇州電加工機床研究所ZT-021型電火花蜂窩磨床加工內(nèi)外蜂窩環(huán)的實例。加工雙層蜂窩時，先加工外蜂窩表面，然后更換電極加工內(nèi)蜂窩表面。這種內(nèi)外層疊相對的蜂窩環(huán)結(jié)構(gòu)，在行業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)加工。

圖8為應用電火花成形機床加工多層蜂窩環(huán)的實例。該實例加工方式不同于蜂窩磨床，主要采用成形加工設備，加工過程中工件固定，旋轉(zhuǎn)成形電極加工蜂窩環(huán)，并進行差補運動完成加工，同時通過調(diào)整電極支架的長度來滿足各層蜂窩環(huán)的尺寸要求。

圖6 電火花強化葉片

圖7 電火花磨削加工后的內(nèi)、外蜂窩表面

圖8 電火花加工蜂窩環(huán)

（2）電火花蜂窩磨削技術的創(chuàng)新應用。

為了充分發(fā)揮數(shù)控電火花蜂窩磨削設備功能，結(jié)合電火花加工技術和計算機控制的特點，對電火花蜂窩磨削加工方法進行創(chuàng)新研究，采用固定電極徑向限位伺服磨削方式進行成形加工，通過計算機系統(tǒng)控制電極與工件之間的相對運動軌跡，實現(xiàn)零件外型面成形加工。

圖9為電火花蜂窩磨床成形加工鼠籠的實例，采取固定電極徑向伺服，通過轉(zhuǎn)臺分度完成零件幾十個工位粗開槽。

圖10為某航空發(fā)動機軸承油氣封嚴圈零件的外型面加工實例，采用分段成形加工方式，給定初始加工角度，然后設定進給量旋轉(zhuǎn)伺服加工到360°停止加工，反復n周完成加工到最終尺寸。

2 電火花加工新技術

2.1 應用于整體葉盤加工的數(shù)控高效放電銑加工技術

航空發(fā)動機整體葉盤、機匣類零件結(jié)構(gòu)復雜，大都采用高溫合金、鈦合金等難切削材料，數(shù)控銑加工效率低、成本高，如整體葉盤零件，單件銑削時間達到1個月，刀具費用高達幾十萬元。蘇州中特電加工技術研究所和美國GE公司為加工新型飛機發(fā)動機上的整體葉盤共同研制了電火花高速銑削機床，經(jīng)中國機床工業(yè)協(xié)會鑒定確認該設備具有世界領先水平。該設備用于加工整體葉盤、機匣類零件，加工效率可提高2倍以上，并可節(jié)約大量的刀具費用[4]。

電火花高速銑加工方式相對于傳統(tǒng)的電火花成形加工節(jié)省了制備成形電極、準備時間、加工費用等，使加工過程更具柔性，因而獲得應用。圖11為電火花高效銑加工鈦合金軸承座的實例，該實例的關鍵技術在于鈦合金材料的電火花加工，這就對設備電源要求更高，電參數(shù)的選取也有所不同。

2.2 應用于刷環(huán)零件加工的混粉電火花加工技術

在放電加工液內(nèi)混入粉末添加劑，以高速獲得光澤面的加工方法稱為混粉加工。該方法主要應用于復雜模具型腔，尤其是不便于進行拋光作業(yè)的復雜曲面的精密加工，可降低零件表面粗糙度值，省去手工拋光工序，提高零件的使用性能（如壽命、耐磨性、耐腐蝕性、脫模性等）。其加工原理主要是向電火花工作液中加入一定比例的導電粉末，使放電間隙增大，電極間的寄生電容和電流密度減小，從而使放電點分散、放電集中現(xiàn)象減少。

圖9 鼠籠加工實例示意圖

圖10 軸承油氣封嚴圈零件外型面加工

圖11 鈦合金軸承座電火花高效銑加工

先進發(fā)動機采用了刷式密封結(jié)構(gòu)，該零件的刷環(huán)刷絲加工成為技術難題，因刷絲不受力，傳統(tǒng)的磨削等方法無法加工，混粉電火花加工能量小，刷絲加工質(zhì)量好，通過選擇合適的粉末添加劑和工藝參數(shù)，使精密刷絲加工成為現(xiàn)實。

3 電火花加工技術的發(fā)展趨勢

由于電火花加工過程本身的復雜性，迄今對電火花加工的機理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系統(tǒng)的工藝試驗基礎上完成的，所以對電火花加工機理的深入研究，并以此直接指導和應用于實踐加工是電火花加工技術發(fā)展的根本。在現(xiàn)有技術水平的基礎上，不斷開發(fā)新工藝將是電火花加工技術發(fā)展方向。如數(shù)控電火花高速銑削加工是一種還不成熟，值得繼續(xù)研究的新工藝，在解決特殊結(jié)構(gòu)加工、低成本加工等方面都具有積極意義。電火花加工在控制技術上將朝自動化、智能化方面等更高層次發(fā)展；數(shù)控電火花加工的網(wǎng)絡管理技術在高檔機床上已有初步應用，并將逐步被推廣，以獲取更好的系統(tǒng)管理效果。

電解加工技術

電解加工是利用陽極溶解的原理來去除材料，將零件加工成形的一種現(xiàn)代特種加工技術，可加工難加工材料及復雜結(jié)構(gòu)零件等，其加工效率高、成本低。近年來，隨著電子技術的發(fā)展，電解加工采用了大功率的高頻窄脈沖電源，以及高精度的電解液過濾系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了小間隙、大電流的精密振動電解加工。由于工件與電極之間較窄的加工間隙，電解液的充分交換需要通過電極的振動才能完成，因此在振動過程中，電極與工件接觸最近或者振幅最大時配給電流，進行材料去除加工。因此，精密振動電解加工技術的關鍵在于機械振動與脈沖電源的精確匹配，如圖12所示。

圖12 機械振動與電脈沖配合的復合機械電解加工

1 單個葉片無余量精密電解加工技術

航空發(fā)動機中葉片數(shù)量多且難加工，隨著葉片材料向高強、高硬、高韌性方向發(fā)展和鈦合金、鈷鎳超級耐熱合金的采用，以及超精密、超薄、大扭角等特殊結(jié)構(gòu)葉片的出現(xiàn)，對電解加工又提出了更高的技術要求，使電解加工成為航空發(fā)動機葉片制造中主要的、不可缺少的優(yōu)選工藝技術之一。

2 整體葉盤精密電解加工技術

高頻窄脈沖振動電解加工設備實現(xiàn)了納秒級快速短路保護技術、微米級精密過濾技術以及先進的環(huán)保處理系統(tǒng)，居于世界領先水平。用于整體葉盤零件葉型電解加工工裝包括套料陰極、終成形陰極和裝夾定位夾具。對于葉型曲度較小的葉盤一般采用套料開槽方式進行粗加工，然后進行精微終成形電解加工，實現(xiàn)葉盤無余量加工。然而對于大型葉盤，尤其是葉型扭曲較大時，為了使終成形余量均勻，通常在套料電解加工后還要進行半精加工，最后進行無余量電解加工。

電加工技術的發(fā)展

隨著電源技術、控制技術和工藝技術的發(fā)展，電加工技術也不斷改進優(yōu)化，高精度脈沖電源、高頻窄脈沖電源、微過濾系統(tǒng)等都給電加工技術的發(fā)展提供了可靠保證。未來電加工技術將向高精度、超精細、高穩(wěn)定性、數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展，并將在航空發(fā)動機領域得到廣泛應用[5]。

[1] 楊大勇.電火花成形加工技術的發(fā)展概況//第13界全國特種加工學術會議論文集. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009：3-13.

[2] 朱寧,葉軍,韓福柱,等.電火花線切割加工技術及其發(fā)展動向//第13界全國特種加工學術會議論文集. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009：14-21.

[3] 趙萬生. 電火花加工技術. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000.

[4] 葉軍，朱寧,吳國興,等.數(shù)控高效放電銑削加工技術//第13界全國特種加工學術會議論文集. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社 ,2009：174-178.

[5] 于冰.電加工技術在航空發(fā)動機上的應用 .金屬加工（冷加工），2013(22)：19-21.