張亞雄，馬 寧，張景強

(沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110136)

隨著航空發(fā)動機不斷向更高水平發(fā)展，其效率和推重比持續(xù)提高，這對渦輪葉片的服役溫度提出了更高的要求。而高溫材料及高效冷卻技術是提升葉片服役溫度、保證其可靠性的關鍵。據統計，在過去的40年間，渦輪葉片服役溫度提高了約450 ℃，其中30%來源于合金成分設計及熱處理工藝優(yōu)化，而70%得益于高效的隔熱冷卻技術[1]。氣膜冷卻孔具有孔徑小、數量多、深徑比高、空間角度復雜、質量要求高等特點。但氣膜孔加工角度并非垂直，因此發(fā)動機葉片氣膜孔內壁表面會出現尖角，存在應力集中現象。

胡春燕等[2]研究了電液束加工對單晶高溫合金氣膜孔的損傷行為，結果表明，帶單孔的DD6單晶高溫合金試樣疲勞裂紋萌生有兩種情況：一是從孔邊的疏松缺陷處萌生裂紋；二是來源于孔邊電解腐蝕損傷層附近的應力集中處。Li等[3]分析了氣膜冷卻孔鎳基高溫合金在原位拉伸試驗中的裂紋萌生和擴展，通過試驗和有限元分析確定了裂紋萌生的應力值和位置。余自遠[4]采用電化學法對微小孔毛刺尤其是復雜殼體、管零件等內表面難到達區(qū)域毛刺進行可控去除；鄭乾坤[5]得出了較優(yōu)的去除醫(yī)療導筒內孔以及3C攝像頭后蓋上孔洞中去除毛刺的參數；陳蘭蘭[6]以鉆削碳素結構鋼與不銹鋼形成的毛刺為研究對象，成功去除了工件表面毛刺且邊緣形成倒角；張旭[7]利用電解質等離子加工技術對氣膜孔內表面尖角去除進行了試驗研究，可惜的是出口處材料雖然被去除，但沒有達到理想效果。本文利用管電極脈沖電化學倒圓角加工的方法去除氣膜孔內壁尖角，研究了相關因素對圓角成形的影響規(guī)律。

1 實驗原理

電化學加工是一種利用金屬在電解液中產生電化學陽極溶解原理的加工方法。如圖1所示，管電極脈沖電化學倒圓角加工是以工件為陽極，工具電極為陰極，當電解液通過工件上的尖角和特殊設計的工具電極之間十分狹小間隙的時候，在兩極施加電壓，這時在工件的尖角部分產生集中電流，電流密度最大，因而尖角很快被溶除，即尖角被倒圓。

圖1 實驗原理圖

2 實驗

2.1 實驗步驟

考慮到發(fā)動機葉片比較昂貴，不能直接在葉片上進行實驗研究，故以孔徑為0.7 mm的60°電火花成形斜孔樣板(如圖2所示)作為研究對象進行電化學倒圓實驗，研究電極裸露長度和電極下降位置對斜孔內表面尖角倒圓的影響規(guī)律。

圖2 實驗樣板

1)實驗準備階段。制備專用夾具及電化學反應池，絕緣方法為電極側壁絕緣，采用材料為環(huán)氧樹脂的絕緣層，外側選用材料為聚酰亞胺的套管，放入恒溫干燥箱干燥40 min，配置質量分數為15%的硝酸鈉和質量分數為0.5%的檸檬酸鈉混合溶液。

2)電化學去除尖角階段。將反應池固定于加工平臺上，并連接電解液循環(huán)裝置；再將樣品工件固定于夾具中，并將其放置于反應池中；如圖3(b)所示，樣品工件作為陽極，銅電極作為陰極，將陽極電線通過螺栓和墊片與樣品工件連接，實現陽極工件導電，陰極電線通過電極夾持裝置實現導電；然后通過三軸機床控制電極進入尖角加工區(qū)，用x軸控制加工間隙、z軸控制下降深度進行電化學加工。

圖3 實驗設備

3)雜質去除階段。電化學倒圓實驗完成后，取出實驗樣板放入超聲波清洗儀中用去離子水清洗240 s，將電化學倒角后樣板斜孔內的殘留物清洗干凈。

4)檢測階段。將工件沿著軸向切割，通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察實驗結果。

實驗中采用的條件及其實驗設備見表1和表2。

表1 實驗條件

表2 實驗設備

2.2 加工區(qū)域研究

為了確保能加工到尖角區(qū)域，在其他條件不變，電極露出長度為1.5 mm(如圖3(a)所示)、加工時間為60 s的參數條件下，分別將電極下降4.5,4.7,4.9,5.1,5.3,5.5 mm進行了6次實驗，并將樣板切開觀察圓角成形的情況。

在下降深度為4.5,4.7 mm時，由于最小間隙未處于尖角位置，陰陽極放電優(yōu)先去除斜孔內壁材料，導致尖角呈等梯度去除，尖角區(qū)域仍然存在(圖4(a)、圖4(b))；在電極下降至4.9，5.1，5.3 mm時，最小間隙慢慢地出現在尖角位置，故而尖角區(qū)域優(yōu)先去除，形成了較為規(guī)整的圓角(圖4(c)～圖4(e))；但是當電極下降深度超過5.5 mm時，最小間隙對應于斜孔外壁，外壁材料優(yōu)先被去除，使得尖角呈倒鉤狀，并未形成圓角(圖4(f))。因此，將下降深度初步控制在4.8～5.4 mm進行后續(xù)實驗。

圖4 電極下降深度實驗

2.3 電極下降深度和電極裸露長度對倒圓角的影響

如圖5所示，在電化學倒圓角時，電極(銅電極)與工件(尖角)形成一個可成形加工區(qū)域，其通過電極下降深度和電極露出長度與尖角之間形成一個可倒圓角區(qū)域來確保圓角成形的加工穩(wěn)定性。

圖5 可倒圓角區(qū)域示意圖

圖中：δ為加工范圍，δ≤0.2 mm；s為電極露出長度，0.6 mm≤s≤1.6 mm；h為電極下降深度，4.8 mm≤h≤5.4 mm；R為最終圓角半徑；A點為尖點位置；B點所在水平線表示電極絕緣終點；C點為對刀點。

如圖6所示，在加工過程中，按照B點與A點相對位置分類可分為上、中、下3種位置。其中，中間位置分別為4.8 mm，0.8 mm；5.0 mm，1.0 mm；5.2 mm，1.2 mm；5.4 mm，1.4 mm(每組數據前一個為電極下降深度h，后一個為電極露出長度s)。處于中間位置時h和s之間的差值為4.0 mm，當h-s>4.0 mm的時候B點處于A點上方；當h-s<4.0 mm的時候B點處于A點下方。由此可知，隨著電極下降深度的增加，電極露出長度應當減小，即在其他條件不變的情況下，電極下降深度和電極露出長度呈反比。

圖6 不同加工位置示意圖

圖7所示為不同加工位置對應的圓角成形狀態(tài)，相應實驗結果見表3，當偏移值超過0.3 mm時倒圓角效果開始變差，圓角直徑變??；在(h-s)的差值為3.8～4.2 mm，即δ≤0.2 mm時可穩(wěn)定倒圓角。假設加工間隙不變，當處于偏“上”位置時，斜孔內壁去除速度大于斜孔外壁，倒圓角效果較佳；隨著偏移值的減少，逐漸達到“中”位置，這時倒圓角效果變化不大；當處于偏“下”位置時，倒圓角效果開始變差。

圖7 不同加工位置對應的成形狀態(tài)

表3 實驗結果

電火花成形斜孔內壁尖角倒圓的難點在于需要精確地控制電極和內壁尖角的相對加工位置，一旦加工位置有誤差就會導致無法形成圓角。由于實驗過程中無法直接觀測實際加工位置，因此必須對工具陰極和尖角的相對位置進行精確調控。

3 結論

為研究斜孔尖角電化學倒圓中相關因素對圓角成形的影響規(guī)律，本文采用管電極脈沖電化學倒圓角加工方法對電火花成形斜孔內表面尖角進行倒圓實驗，得到如下結論：

1) 利用脈沖電化學方法對斜孔內壁尖角定點進行倒圓的方法是可行的，前提是需要保證電極下降深度和電極露出長度保持在某個加工區(qū)域。

2) 在電化學倒圓角的實驗研究中，只取得了初步的實驗效果，電化學倒圓角的工藝還不成熟，應該做進一步研究，例如探究電參數的優(yōu)化以及絕緣形式對倒圓角的影響、研究倒圓角后力學性能的檢測以及倒圓角后表面的腐蝕對工件的損傷。