李海寧

（中國航發(fā)航空科技股份有限公司，四川成都610503）

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計也在不斷改進，結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與難加工材料的應(yīng)用已成為高性能發(fā)動機設(shè)計的重要方向。機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越先進，導(dǎo)致機匣制造的難度越來越大，這就要求不斷提升機匣類零件的加工技術(shù)，同時降低加工成本。

由于機匣材料大部分硬度高、強度大，傳統(tǒng)的機械切削難以滿足加工要求。電解加工速度快、表面質(zhì)量好，加工中不受材料硬度的限制，理論上不產(chǎn)生加工應(yīng)力，具有可用同一個成形陰極作單方向送進而成批加工復(fù)雜型腔、型面、型孔的特點，可比機械切削提高5～10倍的效率，在機匣加工中具有一定的優(yōu)勢[1]。

1 電解加工的原理和特點

電解加工又稱電化學(xué)加工，加工時工具電極為陰極、工件為陽極，陰、陽極間保持很小的間隙，極間分布中性鹽溶液介質(zhì)并施加直流電壓后，在極間形成電化學(xué)反應(yīng)池，同時介質(zhì)高速流動不斷帶走工件溶解的產(chǎn)物與熱量，直到工件的形狀和尺寸達到要求[2]。

電解加工可對所有導(dǎo)電材料進行加工，且不受材料強度、硬度等限制，可用于加工薄壁、易變形零件，電解加工表面無硬化重熔層，加工后材料的金相組織基本不發(fā)生變化，且加工中工具陰極無消耗。但是，電解加工極間間隙的控制較困難，會影響加工精度與加工穩(wěn)定性，同時由于電解加工設(shè)備成本偏高，小批量生產(chǎn)費用較大。

通常，航空發(fā)動機機匣型面可采用機械加工、電火花銑及電解工藝進行加工。機械加工設(shè)備總價高，工裝費用低，加工質(zhì)量好，切削力大，變形大，加工效率高，工具成本高；電火花銑加工設(shè)備總價低，工裝費用高，加工質(zhì)量較差，加工表面有重熔層，加工效率僅為機械加工的40%～50%，工具成本不到機械加工成本的10%；電解加工設(shè)備總價高，工裝費用高，加工質(zhì)量好，無重熔層，無切削力，加工效率約為機械加工的2～5倍，理論上不存在工具損耗。因此，通過比較幾種加工方式的利弊，采用電解加工方式最適合機匣型面加工。

2 機匣電解加工系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 機匣電解加工基本方法

圖1是某機匣的結(jié)構(gòu)圖與電解加工主要部位，針對機匣內(nèi)、外壁結(jié)構(gòu)的不同特點，分別設(shè)計相應(yīng)的加工電極和專用工裝，并采用對應(yīng)的工藝路線與方法進行加工。

圖1 機匣電解加工主要部位示意圖

（1）工件轉(zhuǎn)擺電極加工：如圖2所示，利用工作轉(zhuǎn)臺使機匣工件連續(xù)往復(fù)轉(zhuǎn)擺，同時采用加工電極直線進給的方式，實現(xiàn)大型機匣外壁的大余量高效去除，有效解決大面積非連續(xù)長弧面的加工難題。

圖2 工件轉(zhuǎn)擺電極加工方法示意圖

（2）電極正向進給加工：如圖3所示，安裝于主軸上的加工電極以相應(yīng)的速度進給加工機匣外壁的型腔與凸臺，在加工一個單元后，工作轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)工件的分度，再加工下一個單元，連續(xù)加工實現(xiàn)外壁復(fù)雜型腔及凸臺的初成形。

（3）電極反向進給加工：如圖4所示，電極連接主軸懸掛于工件內(nèi)環(huán)，主軸反向進給實現(xiàn)工件內(nèi)壁及凸臺加工，加工一個單元后，工作轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)工件的分度，再加工下一個單元，連續(xù)加工實現(xiàn)內(nèi)壁復(fù)雜型腔及凸臺的初成形。

圖3 電極正向進給加工方法示意圖

圖4 電極反向進給加工示意圖

2.2 機匣電解加工設(shè)備

圖5是機匣電解加工設(shè)備，由主機（含機床床身、進給系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)）、加工電源、供液和處理系統(tǒng)等組成。進給系統(tǒng)一般采用較簡單的等速機械系統(tǒng)，由于加工過程中電解液具有一定的壓力并壓向加工區(qū)，故需設(shè)計可承載較大剛度的主軸系統(tǒng)；為提高生產(chǎn)率、保證加工穩(wěn)定性，還需設(shè)計與產(chǎn)品要求相適應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)。此外，由于電解液存在腐蝕性，對于其通過部位的零部件應(yīng)采用防腐蝕材料制作，也可添加防銹材料的覆蓋層。

圖5 機匣電解加工設(shè)備

依據(jù)機匣電解加工工藝方法及設(shè)備設(shè)計基本要求，對電解加工設(shè)備進行了設(shè)計與制造。該設(shè)備為臥式結(jié)構(gòu)，工作電流2000 A、工作電壓20 V，具有大行程的進給主軸（X軸）與安裝工件用的大型工作轉(zhuǎn)臺（C軸），并采用交流伺服CNC控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)電極直線進給和工件擺轉(zhuǎn)功能，同時可對加工過程進行靈活的組合編程控制與存儲，從而實現(xiàn)加工過程的順序控制和自動化。

2.3 機匣電解加工工藝

根據(jù)機匣上各種凸臺的形狀與精度加工要求，分別設(shè)計相應(yīng)的加工電極和專用工裝，并采用以下工藝路線和方法：

（1）直流電解加工：機匣粗加工，大余量去除或形狀與尺寸精度要求不高的凸臺、凹槽終加工。

（2）脈沖電解加工：深度淺、余量少、形狀與尺寸精度要求較高的凸臺、凹槽精加工。

（3）直流+脈沖電解加工：先采用直流進行粗加工，以實現(xiàn)快速大余量去除；再采用脈沖電解進行最終的整形精加工。

2.4 陰極設(shè)計

由于電解加工的特殊性，陰極材料要求具有較強的抗蝕性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性及較高的熔點。此外，由于電解加工機匣內(nèi)、外腔型面復(fù)雜，相應(yīng)電極的形狀也較復(fù)雜，所以電極材料還應(yīng)具備較高的強度與可加工性，通常選擇黃銅材料[3]。

陰極是電解加工的工具，其結(jié)構(gòu)形狀和精度直接影響工件的加工質(zhì)量。當(dāng)加工部位為外型面時，陰極結(jié)構(gòu)需按照流場為反流法原理設(shè)計；當(dāng)加工部位為凸臺、凹槽時，陰極結(jié)構(gòu)需按照流場為正流法原理設(shè)計。

2.5 加工參數(shù)

圖6是某機匣零件外型面的電解加工示意圖。將待加工的機匣通過專用夾具固定在電解加工機床的工作臺上，并將與機匣待加工部位型面相同的電極固定在機床進給動力頭上。加工時，調(diào)整電極與機匣加工面之間的間隙寬度為0.1～0.15 mm，電解電壓控制在10～15 V，電流控制在粗加工16 000～18 000 A、精加工 15 000～16 000 A，使質(zhì)量分數(shù)為7%～15%的NaNO3電解液充滿電極與機匣加工面之間的間隙[4]，啟動電解加工系統(tǒng)，控制電解液的流場為反流法，同時設(shè)置電極相對機匣的進給速度為粗加工 0.5～1.0 mm/min、精加工 0.3～1.0 mm/min。

按照上述條件對機匣待加工部位進行電解加工，該部位型面加工完成后，旋轉(zhuǎn)工作臺使機匣的下一個待加工部位對準電極繼續(xù)加工，直至所有同類型的型面全部加工完成，加工得到的零件成品見圖7。在整個電解加工過程中，電解液壓力應(yīng)保持在0.6～0.8 MPa，工作溫度保持在25～40℃。 目前已成功完成某機型的機匣內(nèi)環(huán)帶和凸臺的加工，節(jié)約刀具消耗近200萬把。

圖6 電解加工示意圖

圖7 加工后的零件

2.6 加工效率

以加工一個機匣30個凸臺及凹面為例，凸臺和凹面的平均加工深度為15 mm，平均加工速度為0.6 mm/min，所需的加工時間為12.5 h，輔助時間為10 h，電解加工效率較機械切削有大幅提高。

3 結(jié)束語

機匣在航空發(fā)動機中的作用不言而喻，電解加工能很好地滿足其批量生產(chǎn)。電解加工設(shè)備系統(tǒng)一次性投入大，加工電極、專用工裝夾具的制作工藝復(fù)雜，但電解加工效率高、表面質(zhì)量好、加工電極無損耗。當(dāng)機匣的年產(chǎn)量達到一定規(guī)模時，建立機匣電解加工生產(chǎn)線，選擇合適的工藝參數(shù)以提高電解加工效率，就能在保證生產(chǎn)周期的同時降低成本，進而完成機匣的批量生產(chǎn)。