盛文娟,徐 斌

(沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司,遼寧沈陽110043)

目前航空發(fā)動機機匣型面加工,主要采用五坐標數(shù)控銑削成形的加工方法。而數(shù)控銑削加工存在一定的缺陷,如:機匣材料多為高溫耐熱合金,機械切削成形困難,刀具消耗量大,刀具費用高;數(shù)控銑削后,材料表面殘余應力大,工件易變形,需增加熱處理工序,消除變形;數(shù)控銑削加工周期長,設備占有量大,設備投資大。而電解加工更適于發(fā)揮其工藝特長,因電解加工是電化學反應過程,加工表面無殘余應力、無冷作硬化層、無塑性變形、無再鑄層、無顯微裂紋、表面粗糙度低,適合于難切削材料的加工;適用于薄壁件、空間曲面、形狀復雜的零件批量生產(chǎn),成本低、質(zhì)量高、效率高且加工過程中工具陰極不損耗等。綜合技術經(jīng)濟分析,機匣表面成形加工采用電解加工具有顯著的優(yōu)勢。

國外在機匣電解加工方面進行了深入的研究和嘗試,并已實現(xiàn)工程化應用。以英國 RR公司的Spey機匣加工為例[1],擴散機匣、內(nèi)機匣、壓氣機中間機匣的電解成形加工已成為核心專長,并將電解加工工藝納入了航空發(fā)動機機匣的通用工藝,可見機匣型面采用電解加工有著不可估量的經(jīng)濟效果。而我國航空發(fā)動機機匣電解加工的研究還不多見,因此開展這方面的研究工作很有必要。該項試驗以一個錐形面機匣為研究對象,首先大膽嘗試利用改造的20世紀70年代葉片電解加工設備,在此基礎上完成大量的工藝試驗,進行了機匣電解加工技術的研究探索。

1 機匣電解加工工藝分析

1.1 電解前零件的技術要求

試驗機匣零件材料為GH706鎳基高溫合金,毛坯采用自由鍛件,如圖1所示。零件毛坯尺寸為:錐體大端圓的直徑 720 mm、高度158 mm、壁厚 40 mm、錐度10°。電解加工選用NaCl電解液,具有線性特性,因而雜散腐蝕大。機匣型面加工時間過長,因此要求定位基準面、導電面和非加工表面至少留有1.0 mm余量。另外,為防止導電過流燒傷,保證導電的可靠接觸,要求零件導電面表面粗糙度值不大于 Ra3.2 μ m,零件表面無毛刺、無油垢等雜物。

圖1 零件毛坯圖

1.2 電解加工可行性分析

試驗機匣零件電解加工外型如圖2所示。錐形體外環(huán)型面上有形狀相同的大方型凸臺2個、小方形凸臺1個,它們之間沿周向不同角度分布,縱向安裝邊2處,對稱分布。電解加工大約去除毛坯1/2以上的重量,在結構上適宜電解加工。

試驗機匣零件為鎳基高溫合金材料。當采用NaCl線性電解液加工時,電流效率η=70%～85%,電極反應電壓δ E=1～3 V[2],電源電壓取較大值,增大加工電流密度,可獲得較高的生產(chǎn)效率。

圖2 零件電解加工外型圖

限于目前的設備條件,電解機床陰極進給方式為單方向直線進給,拷貝加工。因此欲獲得所要求的型面形狀和尺寸,應采取分度、分塊、分工步加工方式,用不同規(guī)格形狀的陰極在不同工位上電解加工。經(jīng)綜合分析和計算,確定出機匣型面電解加工共用8塊電極,在15個工位上完成整個機匣型面的成形加工。機匣型面分度、分塊工位如圖3所示。1號電極加工4個工位,2號電極加工3個工位,3號電極加工2個工位,4號、5號、6號、8號電極各加工1個工位,7號電極加工2個工位。其中7號電極加工2個形狀相同的大凸臺,8號電極加工小凸臺。一般來講,每塊電極的加工面積大小是不同的,兩側(cè)面的角度也不盡相同,這主要取決于型面的幾何形狀,由電解加工的成形規(guī)律所決定。當然,希望電極的加工面積大一些,總體加工效率高一些,但還要綜合考慮成形條件、電源容量及設備的承載能力。

圖3 機匣型面分度、分塊工位圖

2 機匣電解工藝試驗

2.1 試驗設備

電解加工設備包括電解加工機床、加工電源、控制系統(tǒng)、電解液系統(tǒng),工藝裝備是機床的獨立附件。根據(jù)加工對象選擇設備,鑒于尚無專用的機匣型面電解設備,經(jīng)研究論證改造了葉片電解加工機床,基本能滿足試驗的要求,保證機匣型面電解加工過程的穩(wěn)定性和可靠性,達到試件的加工精度和加工效率,改善試件表面加工質(zhì)量。為此,對設備進行多方面改造。

(1)電極由直流伺服電機經(jīng)減速器驅(qū)動絲杠水平送進,恒速控制,安裝數(shù)顯裝置,提高位置控制精度。陰極進給速度為:0.25～0.9 mm/min;主軸中心高:135 mm;工作箱尺寸:1 250 mm×990 mm×570 mm。

(2)加工電源為可控硅直流電源,連續(xù)加工,額定輸出電壓24 V,額定輸出電流5 000 A。

(3)由于加工中蝕除的材料量大,增強電解液系統(tǒng)凈化能力,電解液系統(tǒng)采用二級過濾。在泵入口處及機床管路入口處均設置有低、高壓過濾器,管路壓力由溢流閥進行調(diào)節(jié),壓力范圍:0～0.6 MPa,可通過熱交換器和加熱裝置調(diào)整電解液溫度的高低。

(4)采用混氣電解加工,在機床進液口處安裝一個長條形強制式氣液混合器,不僅解決了電源容量偏小的問題,同時也改善了電解液的流動性,增加流場的均勻性,提高機匣型面的整平比。

(5)避免在任何加工狀態(tài)下火花故障造成短路燒傷,要求小火花鑒別、大火花保護裝置工作靈敏。

(6)因機床工作臺為固定式,為實現(xiàn)分塊、分度、分工步加工,夾具采用手工分度。

(7)工具陰極采用水平窄槽內(nèi)噴式流場設計,注意供液方式和流場設計合理性。

(8)由于工藝裝備接觸腐蝕性介質(zhì),且承受較大的電流和高速流動的電解液,工藝裝備必須防蝕、絕緣和密封,確保其定位的穩(wěn)定性,正常地傳導電流和輸送電解液。

工藝上還應注意,因機床的剛性不足,故加工過程中參數(shù)不能定得太高、間隙不能太小;力求恒電壓,恒進給速度,恒電解液濃度、壓力、溫度,從而有效控制加工間隙,穩(wěn)定加工狀態(tài)。

2.2 電極裝夾位置的確定

工件的加工尺寸正確與否,首先取決于工具陰極相對夾具位置的正確性。為確保位置精度,借助于專用找正測具,用精密的塊規(guī)調(diào)整具有導向鍵的陰極安裝座,調(diào)整陰極相對夾具的高度位置;然后通過試件加工做進一步調(diào)整,當工件的高度尺寸合格后,將電極固定,確定出電極位置。與此同時,調(diào)整陰極相對于夾具的徑向位置,保證陰極中心線通過夾具圓弧定位面的圓心。

2.3 工件定位與裝夾

工件以小端外圓柱面、小端平面為定位基準面,大端平面為夾緊、導電面,具有較大的導電面積,并使電解加工開始就能維持電解液流場較穩(wěn)定,防止電解加工出現(xiàn)貧液區(qū),保持電解液壓力均勻。機匣定位、夾緊安裝示意見圖4。

圖4 機匣定位、夾緊安裝示意圖

2.4 工藝參數(shù)的確定

確定電解加工參數(shù)的順序為:先選定加工間隙,陰極進給速度,電流密度,再選定相應的加工電壓及電解液參數(shù)。工藝試驗的加工初始間隙確定0.5 mm,陰極進給速度0.3 mm/min。因鎳基高溫合金有產(chǎn)生晶間腐蝕的問題,所以加工中嚴格控制電解液的濃度,注意工藝參數(shù)要合理匹配,應采用高的電流密度。試驗所用的電解液濃度為10%～15%的NaCl水溶液,電流密度20 A/cm2。根據(jù)技術條件的要求,經(jīng)多次試驗得到一組較優(yōu)的工藝參數(shù)組合,保證零件的加工質(zhì)量(表1)。

表1 試件工藝參數(shù)表

2.5 電解加工技術要求

機匣型面電解加工后,不允許燒傷、結疤、殘留凸起物、凹坑等缺陷,因鎳基高溫合金可能產(chǎn)生晶間腐蝕,所以首件做金相檢查。

2.6 電解加工中的調(diào)節(jié)

加工過程的穩(wěn)定性是電解加工的基本要求。試驗中視實際加工情況,對工具陰極的進給速度作進一步調(diào)整,調(diào)節(jié)沖液壓力。加工開始,電流逐漸上升,達到平衡間隙時,加工電流保持穩(wěn)定狀態(tài)。加工過程中若電流隨電極的進給反而下降,或加工電流急劇下降,很可能出現(xiàn)局部加工小區(qū)域的電化學反應不充分,需緊急停車,查找原因,避免發(fā)生短路現(xiàn)象。若電流急劇上升,需降低陰極進給速度,使金屬的蝕除速度與電極進給速度相等,保持加工穩(wěn)定性,使電解加工能正常進行,以免電流過大超出電源帶負載能力,損壞電源。

3 機匣電解關鍵技術

由于機匣是錐形面,毛坯余量大,形狀較復雜,在加工過程中如何控制流場,使流場均勻、流量充足,是保證零件加工精度、表面質(zhì)量、完成工藝研究的重點。要保證流場均勻,除了正確選擇流動形式和保證一定的電解液壓力、流速外,還要合理設計電解液通道形式及其布局,因此,工具陰極形狀、尺寸及流場均勻性設計是機匣型面電解加工工藝中的關鍵技術之一。

3.1 工具陰極形狀尺寸的計算

3.1.1 確定端面間隙

它是陰極尺寸設計及工藝參數(shù)選擇的最重要的基本依據(jù),利用活性電解液的成形規(guī)律近似計算端面間隙值。

式中:Δ b為端面間隙,mm;η為電流效率,70%;ω為實際體積電化學當量,0.001 6cm3/min;κ為電解液電導率,混氣加工在 30℃時其值為 0.1(Ω·cm)-1;U為電源電壓,18 V;δ E為分解電壓,3 V;υ陰極進給速度,0.03 cm/min。[3]

端面間隙為:

3.1.2 確定上、下面間隙

在工具陰極的上、下表面用環(huán)氧樹脂進行絕緣,只留5 mm的工作圈,使工件已加工面不再遭受二次電解腐蝕,此時上、下面間隙 Δ s只取決于工作圈的寬度b。即

式中 :Δ s為上、下面間隙,mm;Δ b為端面間隙 ,0.56 mm;b為電極工作圈的寬度,5 mm。

上、下面間隙為:

3.1.3 確定兩側(cè)面間隙

根據(jù)分度情況,確定電極兩側(cè)面角度。同理,按上述公式進行計算,并作相應的設計修正,加工中應能將相鄰型面間的金屬溶解掉,同時保證加工過程中電解液不流失,使加工區(qū)不產(chǎn)生貧液現(xiàn)象,同時注意工件側(cè)面的成形要求。

待陰極工作面的形狀、尺寸全部確定后,就可作出陰極設計圖,按圖紙加工出的陰極再經(jīng)過試加工作進一步的修正,使之更符合電解加工的實際狀況。

3.2 工具陰極的流場設計

機匣電解加工中重要的是流場設計,按型面特點、復雜程度及精度選用不同的流場。工具陰極流場設計包括電解液通道形式、通道尺寸及導流段尺寸的確定、通道布局設計。

3.2.1 電解液通道布局

電解液通道采用窄槽形式,總原則是要確保加工區(qū)流場均勻,不產(chǎn)生貧液區(qū),以避免該處鈍化和短路;不產(chǎn)生流速過大區(qū),以避免該處加工間隙過大而使型面畸變。電極上出水槽的分布應均勻,流線不相交。型面加工采用正流水常見的二種方式,其電解液通道布局如圖5所示。

3.2.2 確定電解液通道尺寸

流道長度以不超過陰極輪廓為限,兩端與輪廓距離尺寸要適當,取1.5 mm。因為混氣加工,又考慮實際加工面積較大,所需電解液流量也較大,故取通液槽寬 b=2.0 mm,出水口導流段尺寸取15 mm。在制造工藝方面,要求通液槽周邊平直,尖邊倒圓拋光,槽、孔壁面光滑,表面粗糙度 Ra0.63～1.25 μ m 。

圖5 二種電解液通道布局

3.2.3 確定電解液通道布局

采用二種電解液通道布局方案對工件進行了加工試驗。其中圖5a電解液通道為對角線長度方向,該布局出水面積較大,供液充分,加工效率高。但經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)對角線近頂點處,加工過程中流速過大,而使工件在不同工位的型面電解加工后,機匣型面的大端、小端邊緣有波紋,加工尺寸不能保持一致,工件電解加工實際效果見圖6a。因此,電解液通道改為水平長度方向(圖5b)。通過試驗發(fā)現(xiàn)電極兩側(cè)面流場不足,加工過程中易發(fā)生短路現(xiàn)象,因此在通液槽的兩端加增液孔直徑3.5 mm,以改善電極兩側(cè)面供液不足的現(xiàn)象,使其電解產(chǎn)物順利排除,避免發(fā)生短路現(xiàn)象,工件電解加工實際效果見圖6b。

圖6 工件電解加工實際效果圖

電解液通道布局采用水平方向經(jīng)工件試加工合格后,用于正式零件的電解加工,獲得較好效果的機匣型面,尺寸和形狀均符合工藝要求。

4 結論

通過對航空發(fā)動機機匣電解加工工藝試驗,進一步掌握了機匣電解的關鍵技術。實現(xiàn)了零件的電解加工,達到了工藝要求,驗證了電解加工工藝是一種低成本、高質(zhì)量、高效率的加工方法。但與國外先進的機匣電解加工技術相比,目前還存在著較大的差異,加工精度不高效率偏低。國外機匣電解加工設備條件總體較好,電源容量較大,自動控制系統(tǒng)較完善,進給速度特性“硬”,運動機構精度高,因而采用高參數(shù)、小間隙加工居多,能達到高精度、高質(zhì)量表面工藝指標,且可一次最終成形,這些都需迎頭趕上。隨著機匣電解設備的研制到位,機匣電解加工能力與技術水平的不斷提升,該項技術正在向著世界先進水平邁進。

[1]范植堅.電解加工與復合電解加工[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[2]白基成.特種加工技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2006.