■ 戴淑波 劉雄飛 魏凱燕 / 中國(guó)航發(fā)西航

整體葉盤由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，尤其是葉片工作表面為空間自由曲面、形狀復(fù)雜，加之采用的是鈦合金、高溫合金等難切削材料，從而影響了整體葉盤的可加工性。除五軸數(shù)控加工工藝外，GE航空集團(tuán)在傳統(tǒng)電解工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)了分布式多弧電蝕刻加工、串列整體葉盤電解加工和環(huán)形電極工具粗加工等幾項(xiàng)工藝。

分布式多弧電蝕刻加工工藝

GE航空集團(tuán)的研究人員結(jié)合數(shù)控銑、電解、電火花加工的優(yōu)點(diǎn)，研究提出多電弧電蝕刻加工整體葉盤新工藝，由于在加工過(guò)程中存放藍(lán)色電解液的液槽呈現(xiàn)藍(lán)色弧光，也被稱為“藍(lán)弧工藝”。該工藝加工效率高于傳統(tǒng)的電火花、電解加工，電能消耗比數(shù)控銑減少25%，加工區(qū)域再鑄層小。2009年，GE航空集團(tuán)將這種技術(shù)用于一型發(fā)動(dòng)機(jī)的第3級(jí)壓氣機(jī)整體葉盤的加工。

分布式多弧電蝕刻加工工藝采用數(shù)控銑削的加工機(jī)理，利用程序控制作為銑刀的電極做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在工件和電極之間施加較高的直流脈沖電壓，在電解液的作用下，電極工作端整個(gè)表面爆發(fā)空間分布的多個(gè)電弧，產(chǎn)生的熱量瞬間將材料從工件表面熔化掉，脈沖放電持續(xù)進(jìn)行，電極按設(shè)定軌跡逐層去除葉盤通道材料，最終形成葉片（如圖1所示）。

圖1 分布式多弧電蝕刻工藝設(shè)備簡(jiǎn)圖

圖2 分布式多弧電蝕刻工藝加工示意圖

直流脈沖電壓為20 ～60V，比常規(guī)電化學(xué)加工（ECM）采用的電壓要高，比電火花加工（EDM）采用的電壓低。波形為間歇方波，保證在電極工作端間歇性產(chǎn)生多個(gè)電弧，避免持續(xù)不斷地爆發(fā)電弧使工件過(guò)熱引起材料損傷。脈沖的開關(guān)時(shí)間由數(shù)字控制系統(tǒng)確定，持續(xù)期為300 ～1500μs，間歇期為110 ～1000μs；電流為80 ～600A，平均電流密度為295 ～1860A/cm2，峰值電流密度約155A/cm2（如圖2所示）。

此工藝采用了較高的電壓及電流，工件表面承受相對(duì)較高的平均電流密度和較低的峰值密度，提高材料去除率的同時(shí),降低了輸入工件的熱量，避免產(chǎn)生不必要的熱影響損傷，減小了工件表面重鑄層的生成。

工件及電極的工作端一直沉浸在流動(dòng)的電解液中，電解液為空間分布的多個(gè)電弧的爆發(fā)提供了條件，同時(shí)，對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻并帶走殘屑。

分布式多弧電蝕刻加工工藝只完成整體葉盤葉片粗加工，其后的精加工通過(guò)傳統(tǒng)電解工藝完成。

串列整體葉盤電解加工工藝

此前的串列整體葉盤電解加工一般需要兩次裝夾。GE航空集團(tuán)的研究人員通過(guò)對(duì)常規(guī)電解設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，在串列整體葉盤電解加工設(shè)備中增加了一對(duì)電極工具（如圖3所示），一次定位裝夾即可完成對(duì)串列葉盤兩級(jí)葉片的加工，不需要從電解設(shè)備上拆卸整體葉盤、工裝及電極工具等，減少了多道工序，大大降低了電解工藝的復(fù)雜程度，減少了加工時(shí)間和制造成本。

串列整體葉盤安裝在工作臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)上下、左右直線運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。向左靠近左側(cè)電極時(shí)，逐個(gè)完成第1級(jí)盤上葉片的加工，向右靠近右側(cè)電極，完成第2級(jí)盤葉片的加工（如圖4所示）。

電極組件安裝在轉(zhuǎn)盤上，可實(shí)現(xiàn)直線及回轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以匹配葉片型面要求。

圖3 串列整體葉盤及電解加工設(shè)備局部示意圖

圖4 串列整體葉盤電解加工工藝原理圖

環(huán)形電極工具粗加工工藝

在電解加工中，一般采用直線刃陰極工具進(jìn)行數(shù)控展成運(yùn)動(dòng)。該工藝采用的設(shè)備為常規(guī)的多軸數(shù)控機(jī)床，與此前的工藝不同的是在設(shè)備上采用了新型的環(huán)形電極（如圖5所示）。環(huán)形電極減少了工具與葉片之間干涉的概率，能夠提高加工效率。

電極組件由環(huán)形電極（由導(dǎo)電材料制成，如低碳鋼）、C形托盤、驅(qū)動(dòng)裝置和導(dǎo)向輥等構(gòu)成。環(huán)形電極的厚度、寬度和直徑的大小根據(jù)葉間通道的空間大小決定，其上線形淺槽可避免加工過(guò)程中產(chǎn)生電弧。 C形托盤不進(jìn)入加工區(qū)域，只起到托舉環(huán)形電極的作用，內(nèi)部的通道可以向電極提供切削液。驅(qū)動(dòng)裝置里配有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)源及運(yùn)動(dòng)傳輸裝置，驅(qū)動(dòng)電極做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電能提供裝置向環(huán)形電極提供電解所用的電能，采用刷式系統(tǒng)或?qū)щ姖L結(jié)構(gòu)向電極輸送電能。

圖5 環(huán)形電極工具電解設(shè)備示意圖

在計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的控制下，電極沿Z 軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，沿X 軸和Y 軸方向做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，使刀具環(huán)的內(nèi)徑或外徑接近葉片對(duì)葉片進(jìn)行電解加工。由于電極是環(huán)形的，中間是圓形開放空間，能夠根據(jù)零件形狀機(jī)動(dòng)定位。

結(jié)束語(yǔ)

整體葉盤電化學(xué)加工與數(shù)控銑削方法相比，具有效率高、電極無(wú)損耗、無(wú)殘余應(yīng)力和變形等優(yōu)點(diǎn)。GE航空集團(tuán)一直致力于在整體葉盤電化學(xué)加工領(lǐng)域的研究，開展了有益的探索，申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，其理念和具體的工藝方法可供研究者參考借鑒。