（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

葉片是航空發(fā)動機中的關鍵零件，對發(fā)動機的性能如推力、燃油效率、使用壽命等起關鍵作用[1]。例如壓氣機葉片，葉型呈彎扭復合形狀，葉身薄，剛度差，葉片進、排氣邊緣曲率變化大；材料難切削，多采用高溫鎳基合金、鈦合金等；先進發(fā)動機高推比性能對葉片的精度、表面質(zhì)量等方面的技術要求非?？量?，加工制造難度非常大。目前在工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的葉片加工方法有數(shù)控加工、精密鍛造、電解加工等，其中電解加工以其高效率、高重復性的特點已成為國外壓氣機及風扇葉片葉型批量生產(chǎn)的主要工藝技術之一[2-4]。

1 精密振動電解加工原理

精密振動電解加工通過電極進給過程中的振動與電源脈沖輸出的匹配，直接實現(xiàn)了小間隙加工，大間隙沖刷，是在脈沖電解加工基礎上發(fā)展起來的一項先進的制造技術，大幅提高了傳統(tǒng)電解加工的精度，在軍民用產(chǎn)品領域均有廣泛的應用前途[5-7]。

精密振動電解加工陰極振動的引入、間歇式的加工方式，以及脈沖電流對加工間隙中電解液流場的擾動作用，大大提高了電解加工小間隙電解液的沖刷、傳質(zhì)水平，解決了連續(xù)直流或一般脈沖電解加工中遇到的流場保證困難、為了均化流場而導致的工藝工裝復雜等問題，使得加工復雜的三維型面時也能達到較小和穩(wěn)定的加工間隙，型面加工精度得以提高，可以實現(xiàn)型面的終成形。因此采用先進的精密振動電解加工工藝進行葉片型面加工具有重要意義[8-9]。

2 葉片型面精密振動電解加工

2.1 加工方案

加工對象是彎扭和超薄的葉片，葉片材料為高溫合金（GH4169G），葉片型面尺寸約為38mm×35 mm（長×寬），葉型根部最厚約為2.7mm，尖部最薄約為0.8mm，葉型彎曲角度約為5°，扭轉角度約為4°；要求型面輪廓度為0.06mm，表面粗糙度為Ra0.60μm。

葉片型面加工在精密振動電解試驗設備上進行。該設備采用高頻窄脈沖電源，具有完善的納秒級短路保護系統(tǒng)，可確保加工過程中設備、電極及工件的安全性。設備振動頭頻率為50Hz，振幅為0.3mm，主軸動態(tài)進給精度0.01mm，能夠滿足葉片型面高精度的加工要求。

加工電極及工裝如圖1所示，采用單面加工方式進行葉片加工。電極通過數(shù)控加工保證其基準與型面的精度，葉片毛坯經(jīng)過預加工保留有較為均勻的余量（單邊為2mm）。通過設計專用導引套為加工區(qū)提供電解液，加工時電極連接設備振動主軸，電解液采用葉型頂部進水方式。

2.2 加工參數(shù)

電解加工的成型精度與加工間隙直接相關，加工間隙越小、分布越均勻，工件與陰極的形狀、尺寸就越吻合，復制精度越高[10]。精密振動電解加工過程中影響加工間隙的因素主要有電解液類型、加工電壓、開通角度、脈沖頻率及陰極振動頻率等。

電解液的類型有活性電解液和鈍性電解液之分，活性電解液（如NaCl電解液）容易產(chǎn)生晶間腐蝕，而鈍性電解液（如NaNO3、Na2SO4電解液）則不容易甚至不會產(chǎn)生晶間腐蝕。當電解液成分相同時，濃度越高，越容易產(chǎn)生晶間腐蝕。低濃度的鈍性電解液可以減小甚至防止晶間腐蝕的發(fā)生。同時這種電解液中會使金屬陽極內(nèi)部組織的點蝕電位相應地向正方向移動，點蝕的出現(xiàn)就比較困難，也可以提高陽極內(nèi)部各金相組織的臨界點蝕電位，使材料中各相能夠均勻溶解，可以減小甚至防止點蝕的發(fā)生。

當電導率κ和加工進給速度（即加工電流密度）保持不變時，加工電壓越大，加工間隙越大，會導致加工誤差增大。因此，為了獲得高的電解加工復制精度，在保證加工能正常進行的前提下，應選取較小的加工電壓。

開通角度是指振動電解加工過程中，振動凸輪每一個360°循環(huán)中，電源開通的角段，是精密振動電解加工的重要參數(shù)之一。開通角度的大小意味著相同狀況下實際電解加工時間的長短，開通角度越小，加工效率越低，加工復制精度越高。合適的開通角度有利于加工間隙中的電解液更新和交換，電解產(chǎn)物、熱量、氣泡等排出會更加徹底，電解加工間隙過程的理化特性改善越好，可以獲得較低的表面粗糙度。

圖1 葉型精密振動電解加工示意圖Fig.1 Diagram of PECM blade surface

脈沖頻率參數(shù)在脈沖電解加工中至關重要，采用較高的脈沖頻率是精密電解加工的趨勢。脈沖頻率高，則脈沖電流的擾動作用更強，更有利于抑制加工界面的電化學極化，提高活性，從而實現(xiàn)減小加工間隙，提高電解加工精度的作用。

前期的試驗表明，在相同的條件下，脈沖頻率增大，試件的表面粗糙度呈迅速下降的趨勢，如圖2所示。在相同時間內(nèi)，脈沖頻率提高，則加工過程中間歇沖刷作用得到增強，可及時清除電解產(chǎn)物，改善了流場，脈沖加工中產(chǎn)生的熱量會在脈間時散出，這樣間隙熱交換條件也得到了改善。這些使得加工過程中的流場分布更加均勻，表面粗糙度會隨之下降。而隨著脈沖頻率的繼續(xù)增加，間隙沖刷作用和間隙熱交換有所增強，但是在相同的加工時間內(nèi)脈沖數(shù)增加，脈寬變窄，而脈沖電源的特性決定了脈沖電流的上升沿和下降沿是傾斜的，峰值電流越大，傾斜角越大，如圖3所示。因此脈沖數(shù)的增加意味著相同的加工時間內(nèi)低電流密度的脈沖上升沿和下降沿所占的時間增加，加工表面處于高電流密度的時間減少，使得表面粗糙度不再降低，反而會有升高的趨勢。此外，在相同的工藝參數(shù)條件下高頻脈沖加工時加工間隙更小，對加工流場的要求更高，由于電解液流速不夠大，電解液分布不均勻，將使加工后的表面粗糙度有升高趨勢。

圖2 GH4169G精密振動電解加工表面粗糙度與脈沖頻率的關系Fig.2 Relationship between surface roughness and pulse frequency on PECM GH4169G

圖3 精密振動電解加工時一個脈沖電流示意圖Fig.3 Diagram of a pulse current in PECM processing

陰極振動可以在陰極向下沖擊時產(chǎn)生強大的壓力波，非常有利于消除產(chǎn)物吸附，而在電極抬起的瞬間停止電化學溶解，在大間隙下使極間的電解液瞬時更新。因此，可始終保持極小間隙下的電解加工，從而獲得較高的成型精度和較低的表面粗糙度。陰極振動頻率參數(shù)的選擇以滿足加工間隙中電解產(chǎn)物、熱量、氣泡等的徹底排出為宜。

基于以上的分析，對各個加工參數(shù)的水平范圍進行了初選。試驗采用10%～15%的NaNO3電解液，進行葉片型面的精密振動電解加工工藝試驗。利用L9（34）正交表進行正交試驗，因素和水平見表1，加工結果見表2。

2.3 葉型進排氣邊緣的處理

葉型的加工精度直接影響著葉片的氣動性能，進排氣邊緣的加工精度對其影響尤為顯著。對于超薄彎扭的葉片，其進排氣邊緣呈“刀刃狀”，機械加工時的變形控制較為困難，需留有少許余量，進行手工修整；電解加工存在尖邊效應，對于超薄部位的成形存在一定難度。另外，進排氣邊緣處的葉型數(shù)據(jù)離散度大，規(guī)律性差，加工編程和檢測均比較困難。

針對葉片進排氣邊緣，特別是呈“刀刃狀”的超薄彎扭葉片的進排氣邊緣，電解加工的一般處理方法為在距進排氣邊緣0.5mm范圍內(nèi)預留0.1～0.2mm的余量，然后采用數(shù)控機械加工方法進行自適應加工，即先對加工的葉型進行檢測，然后與標準葉型進行對比分析，根據(jù)二者的差異進行加工。后續(xù)將對此類葉片的進排氣邊緣開展精密振動電解加工工藝研究，主要有以下兩種研究方案：（1）葉盆、葉背加工電極的型面分界線位于進排氣邊緣處，采用矢量進給方法，實現(xiàn)進排氣邊緣的成型加工；（2）葉盆、葉背加工電極的型面分界線位于葉片的葉盆、葉背型面上，待完成進排氣邊緣加工后，再采用數(shù)控機械加工方法對接縫處進行加工，最終實現(xiàn)葉盆、葉背型面與進排氣邊緣的平滑過渡。

2.4 結果與分析

利用粗糙度檢測儀、三坐標測量機分別對加工后試樣的表面粗糙度、型面精度進行了檢測，結果如表2所示。采用參數(shù)組A3B1C3D2電解加工的葉片表面質(zhì)量最好；采用參數(shù)組A1B3C3D3電解加工的葉片表面質(zhì)量最差；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。

對電解加工葉片型面試件的組織形貌進行了掃描電子顯微鏡觀察，如圖4所示。結果表明，試件表面均未出現(xiàn)晶間腐蝕和點蝕。分析原因如下：

（1）試驗中使用的電解液為10%～15%的NaNO3，這種低濃度的鈍性電解液可以減小甚至防止晶間腐蝕的發(fā)生。

表1 因素和水平

表2 L9（34）正交試驗結果

圖4 葉片橫截面掃描結果Fig.4 Results of cross section of blade

（2）試驗中的電流密度較大，達到了50A/cm2，高的電流密度有利于減小甚至防止晶間腐蝕、點蝕的發(fā)生。

（3）精密振動電解加工工藝可以實現(xiàn)小間隙加工、大間隙沖刷，加工電解液得到不斷更新，使得每次加工時都能獲得新的電解液，保證了每次加工時電解液的一致性，使得間隙流場均勻分布，可以減輕或者消除各種選擇性腐蝕。

3 結束語

（1）在加工過程正常進行的情況下，較小的加工電壓，有利于獲得更高的電解加工復制精度；高頻脈沖有利于降低陽極鈍化和陰極的產(chǎn)物吸附作用，強化電解液的非線性作用，提高陽極集中蝕除能力；陰極振動有利于加工間隙中的產(chǎn)物、熱量和氣泡的排除，促進電解液的更新和交換，改善了電解加工間隙的過程理化特性，有利于陽極產(chǎn)生穩(wěn)定的電化學精確和定域溶解。

（2）在加工電壓15V、陰極振動頻率25Hz、開通角度 150°～195°、脈沖頻率 3000Hz時，獲得最優(yōu)的型面加工質(zhì)量，型面輪廓度為-0.012～+0.013mm，表面粗糙度為Ra0.51μm，葉片型面無晶間腐蝕及點蝕。

（3）進排氣邊緣的加工是世界性難題，數(shù)控機械加工和電解加工超薄葉片的進排氣邊緣均存在一定的問題。數(shù)控機械加工通過葉型在線檢測實現(xiàn)了自適應加工，但在超薄部位仍存在變形控制問題。電解加工存在尖邊效應，對于超薄部位的成型有一定難度，后續(xù)仍需進一步開展相關的研究工作。

（4）精密振動電解加工工藝為難切削材料葉片及整體葉盤的電解加工提供了一條可靠的工藝途徑。

參 考 文 獻

[1] 崔海軍, 張明岐. 航空發(fā)動機葉片拋光技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術, 2015(11): 128-131.

CUI Haijun, ZHANG Mingqi. Current situation and development trend of aircraft engine blade polishing technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(11): 128-131.

[2] 程小元, 黃明濤, 張明岐, 等. 精密電解加工在航空發(fā)動機整體結構件制造中的應用[J]. 航空制造技術, 2015(23/24):54-56,60.

CHENG Xiaoyuan, HUANG Mingtao, ZHANG Mingqi, et al.Application of PECM in aeroengine monolithic component manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(23/24):54-56,60.

[3] WILK W, TOTA J. Modern technology of the turbine blades removal machining [C]// Proceeding of the 8th International Conference:Advanced Manufacturing Operations, 2007:347-355.

[4] 徐正揚. 發(fā)動機葉片精密電解加工關鍵技術研究[D]. 南京:南京航空航天大學, 2008.

XU Zhengyang. Research on key technology of precision electrochemical machining of engine blade[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008.

[5] 北京航空制造工程研究所. 航空制造技術[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2013.

Beijing Aeronautical Manufacuring Technology Research Institute.Aeronautical manufacturing technology[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2013.

[6] KOZAK J, RAJURKAR K P. Modeling and analysis of pulse electrochemical machining (PECM) [J]. Transactions of the ASEM, 1994,116: 316-323.

[7] 李紅英, 程小元, 張明岐. 雙極性脈沖精密振動電解加工技術[C]//全國特種加工學術會議, 2011.

LI Hongying, CHENG Xiaoyuan, ZHANG Mingqi. Bipolar pulse electrochemical machining technology of precision vibration [C]//Proceeding of National Special Processing Conference, 2011.

[8] 張明岐, 傅軍英. 高溫合金整體葉盤精密振動電解加工方法的應用分析[J]. 航空制造技術, 2003(6): 31-34.

ZHANG Mingqi, FU Junying. Application analysis of precise vibrating electrochemical machining in high-temperature alloy disk[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2003(6): 31-34.

[9] KELLER R. (P)ECM technology more than just deburring[J].Insect, 2014:167-180.

[10] 徐家文, 云乃彰, 王建業(yè), 等. 電化學加工技術—原理、工藝及應用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008:81.

XU Jiawen, YUN Naizhang, WANG Jianye, et al. Electrochemical machining technique[M]. Beijing: National Defence Industry Press,2008:81.