崔保偉，關(guān) 妍，李嘉亦，任心澈，張 昆

（ 首都航天機械有限公司，北京 100076 ）

隨著研制大推力氫氧火箭發(fā)動機技術(shù)的革新，發(fā)動機的推力量級和性能指標(biāo)、功能需求等對零部組件的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等提出了更高要求，大量零部件采用高溫合金、鈦合金等高性能而難加工的材料，適應(yīng)性能提升、功能集成，零部件的形狀、結(jié)構(gòu)都越來越復(fù)雜。 傳統(tǒng)的機加工藝對機床精度、刀具選材、技術(shù)水平等要求較高，存在著加工效率低、產(chǎn)品合格率低等缺點。 電火花加工技術(shù)不受材料硬度、強度的影響，加工過程無切削力且精度較高，能夠解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)、型面加工難度大的問題，已成為航空航天領(lǐng)域高溫合金、鈦合金等難加工材料不可或缺的加工手段；然而其加工效率低、電極損耗大，不適合進行大余量加工[1]。 電解加工具有加工效率高、表面光潔度高、工具陰極無損耗等優(yōu)點，將電火花工藝與電解工藝復(fù)合成為發(fā)動機產(chǎn)品研制的重點研究方向。

為實現(xiàn)航天發(fā)動機高性能難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)，提出了基于電解和電火花復(fù)合加工的技術(shù)， 以火箭發(fā)動機的噴嘴葉柵環(huán)產(chǎn)品為研究對象，開展復(fù)合加工工藝方法研究，驗證復(fù)合加工工藝對復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的加工能力與效率，為拓展研究火箭發(fā)動機渦輪泵轉(zhuǎn)子組件產(chǎn)品的高質(zhì)量、高效率加工提供有力的技術(shù)依據(jù)，對提高火箭發(fā)動機制造可靠性、 推動航空制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 加工對象特性

圖1 是課題研究的火箭發(fā)動機氧渦輪泵噴嘴葉柵環(huán)，其主要材料為鎳基高溫合金，核心部件為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)[2]。 傳統(tǒng)加工工藝是采用數(shù)控電火花加工成形或整體復(fù)合電極粗加工與單一電極精加工生產(chǎn)。 這兩種方法均能完成零件加工， 但生產(chǎn)周期較長，難以滿足火箭發(fā)動機的裝配需求。

圖1 噴嘴葉柵環(huán)及其通道結(jié)構(gòu)

針對火箭發(fā)動機中的噴嘴葉柵環(huán)葉片采用電火花加工周期長、效率低的問題，采用電解高效粗加工與電火花精加工復(fù)合工藝進行加工，即先使用電解預(yù)加工方法一次性高效去除噴嘴葉柵環(huán)前緣通道內(nèi)大加工余量，再使用電火花加工技術(shù)進行小余量精密加工以滿足尺寸要求，大幅度提高產(chǎn)品加工效率的同時保證零件的加工精度。

2 電解預(yù)加工工藝研究

2.1 電解液參數(shù)

氧渦輪泵噴嘴葉柵環(huán)材質(zhì)為強化鎳基高溫合金，使用活性電解液會產(chǎn)生較大的腐蝕誤差，故選用鈍化型溶液，集中蝕除能力較強。 電解液的電導(dǎo)率隨濃度升高而增大，使陽極工件溶解速率加快從而提高加工效率，研究選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的NaNO3溶液。

在30～40 ℃溫度范圍內(nèi)，強化鎳基高溫合金材料在NaNO3溶液中電阻率隨溫度的變化較為平緩。為防控溫度提高導(dǎo)致的晶界腐蝕現(xiàn)象，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，電解液溫度選擇40 ℃，既能獲得較高的加工效率，又能獲得較好的表面質(zhì)量。

2.2 脈沖電源參數(shù)

脈沖電解加工是以周期間歇供電代替連續(xù)供電的加工方法，能夠從根本上優(yōu)化加工間隙的流場、電場和電化學(xué)過程，從而提高加工間隙精度。

脈沖電源主要有脈沖頻率和占空比兩個控制參數(shù)，占空比D是脈沖時間t與脈沖周期T的比值，占空比越大則有效加工時間越長，去除量越大，加工效率就越高。 但過高的占空比會導(dǎo)致脈沖間隙時間過短而導(dǎo)致加工產(chǎn)物排除不暢，在噴嘴葉柵環(huán)加工過程中占空比選擇60%～80%。脈沖頻率是單位時間內(nèi)在放電間隙上發(fā)生有效放電的次數(shù)，頻率越高越有利于加工產(chǎn)物排出，同時可提高加工穩(wěn)定性，在氧渦輪泵噴嘴葉柵環(huán)加工過程中脈沖頻率選取1300～1800 Hz。

對于以提高加工效率為主要目的電解預(yù)加工過程，加工穩(wěn)定性是重要的檢驗指標(biāo)。 為驗證占空比和脈沖頻率對加工穩(wěn)定性的耦合影響，對脈沖頻率、占空比電解預(yù)加工效果進行比對試驗。其中，脈沖頻率f選擇1300、1500、1800 Hz， 占空比D選擇60%和80%開展單因素試驗，試驗結(jié)果的穩(wěn)定性見表1。

表1 脈沖電源參數(shù)單因素試驗

通過分析試驗數(shù)據(jù)， 在較高的脈沖頻率和越大的占空比下， 氧渦輪泵噴嘴葉柵環(huán)產(chǎn)品加工穩(wěn)定性越好，選用脈沖頻率1800 Hz、占空比80%的脈沖參數(shù)值。

2.3 電解加工速度

電解加工速度會一定程度影響端面平衡間隙，使得加工電流密度和加工穩(wěn)定性發(fā)生變化。 電解加工的端面平衡間隙是指當(dāng)加工過程達(dá)到穩(wěn)定時的加工間隙，可通過以下公式計算[3]：

式中：Δb為加工間隙，mm；η 為電流效率，%；ω 為體積電化當(dāng)量，mm3/A·min；κ 為電解液電導(dǎo)率，S/mm；U為加工電壓，V；v為進給速度，mm/min。

由式（1）可知，當(dāng)加工過程達(dá)到穩(wěn)定時，電解加工速度v提高會使加工間隙Δb減小， 從而引起電流密度增大。高的電流密度，能使強化鎳基高溫合金材料的各種金相組織均進入過鈍化區(qū)， 發(fā)生較均勻的溶解，減小了晶間腐蝕和點蝕，得到較好的表面質(zhì)量；低的電流密度，僅能使強化鎳基高溫合金材料的基體發(fā)生活化溶解， 而強化相、 碳化物還處在鈍化區(qū)，使得電解加工過程中存在剝落現(xiàn)象，點蝕和晶間腐蝕的現(xiàn)象較多且程度較為嚴(yán)重，表面質(zhì)量差。但過高的加工進給速度會使脈沖電解加工過程不穩(wěn)定，易出現(xiàn)打火燒傷等問題。

為了研究和驗證加工進給速度對加工效率、加工質(zhì)量及穩(wěn)定性的耦合影響，開展在NaNO3溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%、脈沖頻率1800 Hz、占空比80%的參數(shù)條件下， 分別采用0.3、0.4、0.5、0.6 mm/min 的進給速度進行對比試驗，結(jié)果見表2。 當(dāng)加工速度提高至0.5 mm/min 以上時，由于陽極蝕除速度小于電極進給速度，導(dǎo)致短路次數(shù)急劇增加，加工過程不穩(wěn)定。因此， 在確保加工穩(wěn)定性前提下采用較高的進給速度0.4 mm/min，此時加工精度和效率更高，穩(wěn)定性更好。

表2 不同加工速度下葉片厚度、底徑及頂徑實測值

綜上所述，通過研究和比對分析試驗，確定噴嘴葉柵環(huán)電解預(yù)加工過程工藝參數(shù)為：NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%、溫度40 ℃、脈沖頻率1800 Hz、占空比80%、進給速度0.4 mm/min。

3 電火花后處理研究

3.1 研究目的

噴嘴葉柵環(huán)的核心部件為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，電解預(yù)加工過程無法滿足產(chǎn)品精度要求，需要進行電火花后處理加工。 此外，提高復(fù)合加工工藝中電解加工的占比，可有效提高生產(chǎn)效率，但越接近零件最終型面尺寸對電解加工的電極設(shè)計及制造精度要求越高，且過小的余量可能造成電火花精加工裕度不夠，影響產(chǎn)品的最終尺寸精度。 因此，需綜合考慮電解粗加工余量與精度，開展電解與電火花復(fù)合加工技術(shù)適配性研究。

3.2 電火花電極設(shè)計

為保證通過電火花后處理加工出的氧渦輪泵噴嘴葉柵環(huán)葉片滿足精度要求，在進行電火花加工電極設(shè)計時需滿足以下條件：

（1）電極的加工型面能滿足氧渦輪泵噴嘴葉柵環(huán)葉片的精度需求。

（2）電極加工過程中不會產(chǎn)生干涉、過切現(xiàn)象。

（3）電極加工基準(zhǔn)平面需與葉片平面法線平行，使電極通過沿軸向旋轉(zhuǎn)一定角度可以實現(xiàn)電極減薄的目的。

（4）在能進入最終位置的前提下，電極越厚越好；進入最終位置后，通過程序中補正減小的角度完成葉片的仿形加工。

（5）為避免加工過程出現(xiàn)二次裝夾定位誤差，需使電解預(yù)加工基準(zhǔn)與電火花后處理加工過程為同一加工基準(zhǔn)。 本文使用的方法是在噴嘴葉柵環(huán)通道外圓側(cè)端銑一個基準(zhǔn)平面，以外圓圓心及基準(zhǔn)平面為定位基準(zhǔn)[4]。

電火花后處理加工電極、加工位置的三維模型見圖2。

圖2 電火花電極與加工位置三維模型

3.3 復(fù)合加工適配性

由于電火花加工柔性好、仿形精度控制高，精加工放電間隙可控制在0.1 mm 以內(nèi)， 粗加工一般留0.3 mm 余量；而電解加工的余量根據(jù)實際加工難度和安全裕度留0.5～1.0 mm。 按本文給定的電解預(yù)加工進給速度0.4 mm/min 進行加工，經(jīng)計算電解加工需留0.7 mm 的預(yù)加工余量，方能滿足電火花后處理加工需求。

4 加工效果

通過應(yīng)用本文提出的基于電解與電火花復(fù)合加工技術(shù)， 可實現(xiàn)加工對象氧渦輪泵噴嘴葉珊環(huán)的制造。 加工效果見圖3。

圖3 氧噴嘴葉珊環(huán)電火花加工實物

表3 是氧噴嘴葉珊環(huán)復(fù)合加工與單純電火花加工加工周期的對比，每天按20 h 計算，可見采用電解與電火花復(fù)合加工比單純電火花加工時加工周期縮短30.9%，有效提高了加工效率，且產(chǎn)品型面尺寸都能滿足設(shè)計要求。

表3 兩種加工方式周期對比

5 結(jié)束語

本文針對氧渦輪泵噴嘴葉珊環(huán)制造過程中使用電火花加工技術(shù)周期長、效率低問題，采用電解預(yù)加工與電火花后處理的復(fù)合加工方法，通過電解預(yù)加工工藝參數(shù)試驗，以及電火花后處理過程電極設(shè)計和適配性研究，實現(xiàn)了氧渦輪泵噴嘴葉珊環(huán)的高效率和高精度加工，并縮短加工周期30.9%。這種基于電解與電火花復(fù)合加工技術(shù)可廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動機制造過程，有力推進火箭發(fā)動機高溫合金零件產(chǎn)品的高質(zhì)量、高效率和高可靠性制造。