孫建軍，李志永*，臧傳武

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔的電解加工

孫建軍，李志永*，臧傳武

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片常用材料Inconel718高溫鎳基合金為基材進(jìn)行電解加工(ECM)，得到氣膜冷卻孔。通過(guò)幾組交叉實(shí)驗(yàn)，分析了加工電壓、電解液NaNO3含量、工具電極進(jìn)給速率3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)加工過(guò)程穩(wěn)定性、加工精度和加工效率的影響，得到電解加工的最優(yōu)工藝參數(shù)為：電解液中NaNO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，加工電壓10 V，工具電極進(jìn)給速率7 μm/s，電解液流量10 mL/min。在該工藝條件下，加工過(guò)程穩(wěn)定，效率高，精度好。

高溫鎳基合金；電解加工；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；氣膜冷卻孔；穩(wěn)定性；精度

First-author’s address:School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

航空發(fā)動(dòng)機(jī)歷經(jīng) 4次重大變革，性能得到了大幅提高，同時(shí)對(duì)其可靠性、耐久性和適應(yīng)性也提出了更高的要求[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫環(huán)境下工作，其冷卻除了依靠材料本身的耐熱性能外，還必須借助先進(jìn)的冷卻技術(shù)。氣膜冷卻是一種經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的非常有效的冷卻方法，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)上存在大量的氣膜冷卻孔，孔徑在0.3 ～2.0 mm之間，數(shù)量巨大，角度多變[3-5]。表1為某先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上幾個(gè)主要零件的氣膜冷卻孔尺寸及數(shù)量，這些零部件多采用鎳基定向凝固和單體高溫合金制造，僅僅依靠傳統(tǒng)的切削方法很難實(shí)現(xiàn)加工[6-7]。

表1 某航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件氣膜冷卻孔的尺寸及數(shù)量Table 1 Size and quantity of film cooling holes in an aero-engine

氣膜冷卻孔的加工方法主要有電火花加工、激光加工和電解加工(ECM)[8]等。電火花加工不受工件硬度和強(qiáng)度的影響，加工過(guò)程無(wú)宏觀切削力，可制造盲孔、深孔、斜孔和異型孔等不同形狀的微小孔，但不足之處是：加工效率低，加工質(zhì)量難以保證，加工深度受限(一般在2 mm以內(nèi))，存在再鑄層和熱影響區(qū)。激光加工生產(chǎn)效率高，加工能力強(qiáng)，不污染材料，噪聲小，對(duì)環(huán)境友好，但缺點(diǎn)為：加工表面粗糙，定位精度不理想，設(shè)備昂貴，再鑄層和熱影響區(qū)的厚度是電火花加工的 2倍。電解加工時(shí)不需要考慮工件的強(qiáng)度和硬度，加工過(guò)程中不存在工具損耗，無(wú)再鑄層和熱影響區(qū)的問(wèn)題，已成為航空工業(yè)的重要加工技術(shù)之一[9-13]，但電解加工過(guò)程中可能有短路、火花放電、電解反應(yīng)過(guò)慢和電解產(chǎn)物難排出加工區(qū)域的現(xiàn)象，使其存在加工過(guò)程穩(wěn)定性較差、加工效率與精度難以平衡等問(wèn)題，限制電解加工的發(fā)展與應(yīng)用。因此，提高加工過(guò)程的穩(wěn)定性、精度和加工效率成為當(dāng)前電解加工氣膜冷卻孔的主要問(wèn)題[14-15]。

電解加工是利用金屬陽(yáng)極的電化學(xué)溶解原理來(lái)蝕除多余金屬的制造工藝，其中管電極電解加工(STED)的特點(diǎn)為：加工時(shí)中空金屬管作為陰極，工件為陽(yáng)極，電解液從管電極中的孔高速流出，主軸帶動(dòng)工具電極進(jìn)給，工件在電解作用下腐蝕，同時(shí)電解產(chǎn)物隨電解液排出加工區(qū)域。本文以 Inconel718高溫鎳基合金材料為對(duì)象，使用自主設(shè)計(jì)研制的三軸數(shù)控小孔電解加工機(jī)床，以管電極進(jìn)給速率、加工電壓和電解液組成這 3個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行多組交叉實(shí)驗(yàn)，分析三者對(duì)電解加工過(guò)程穩(wěn)定性和加工精度的影響，得到電解加工的最優(yōu)工藝參數(shù)，以提高加工精度、效率和穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1電解加工系統(tǒng)

基于電極管電解加工的特點(diǎn)，為更好地研究電解加工過(guò)程穩(wěn)定性，采用自主設(shè)計(jì)研制的三軸數(shù)控小孔電解加工機(jī)床(如圖1所示)，該機(jī)床由機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)和基于PC運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)組成。機(jī)床使用伺服驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)1 μm/s的低速主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮了管電極管徑小(0.3 ～ 1.0 mm)、夾緊和密封困難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電解液循環(huán)系統(tǒng)，最后基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)，開(kāi)發(fā)了電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電解打孔工藝過(guò)程中加工電流的動(dòng)態(tài)變化。

圖1 三軸數(shù)控小孔電解加工機(jī)床Figure 1 Three-axis computerized numerical control ECM machine for making small holes

1. 2 電解加工實(shí)驗(yàn)

1. 2. 1 材料

以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片(材質(zhì)為 Inconel718高溫鎳基合金)氣膜冷卻孔為加工對(duì)象，進(jìn)行氣膜冷卻孔電解加工實(shí)驗(yàn)。Inconel718高溫鎳基合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片最常用的材料之一，其密度為8.24 g/cm3，主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Ni 50% ～ 55%，Cr 17% ～ 21%，Mn 2.8% ～ 3.3%，Cu 0.0 ～ 1.0%，Al 0.20% ～ 1.15%，Ti 0.7% ～ 5.5%，Nb 0.006% ～ 4.750%。

1. 2. 2 電解加工工藝參數(shù)

電解加工示意圖見(jiàn)圖2。Inconel718基板厚度為1.5 mm，氣膜冷卻孔為相對(duì)于工件表面傾斜45°加工。管電極使用黃銅管電極，直徑為9 mm(絕緣層單邊厚度為500 μm)，電解液使用正向沖液，要求加工冷卻孔直徑和深徑比分別在0.5 ～ 1.5 mm和4∶1 ～ 1.33∶1之間。

電解加工的端面平衡間隙是指當(dāng)加工過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的加工間隙(mm)，端面平衡間隙和冷卻孔直徑大小成正比，其計(jì)算公式如下：

式中，η為電流效率(%)；?為體積電化學(xué)當(dāng)量[mm3/(A·min)]；σ為電解液電導(dǎo)率(S/mm)；UR為加工電壓(V)；v為電極進(jìn)給速率(mm/min)。由式(1)可知，電解液成分、陰極進(jìn)給速率、電解液電導(dǎo)率和加工電壓都影響電解加工間隙，從而影響電解加工的精度、效率和穩(wěn)定性。

圖2 電解加工示意圖Figure 2 Schematic diagram of electrochemical machining process

1. 3 表征方法

加工蝕去量(MMR)是指單位時(shí)間內(nèi)蝕除加工材料的體積，通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后加工工件質(zhì)量計(jì)算得出，加工蝕去量越大，加工用時(shí)越少，加工效率越高。采用德國(guó)蔡司Axio Lab.A1 mat金相顯微鏡觀察并檢測(cè)冷卻孔的圓度、直徑，計(jì)算冷卻孔的單邊間隙，判斷氣膜冷卻孔的精度；利用人工記錄為主、電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電流跳變次數(shù)為輔的方法，統(tǒng)計(jì)加工過(guò)程中的短路次數(shù)，短路次數(shù)越多，說(shuō)明加工穩(wěn)定性越差。

2 結(jié)果與討論

2. 1 電解液篩選

電解加工的常用電解液有NaNO3溶液和NaCl溶液。分別采用8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaNO3溶液和NaCl溶液，在電解液流量10 mL/min、工具電極進(jìn)給速率5 μm/s和加工電壓8 V條件下進(jìn)行小孔電解加工，結(jié)果如圖3所示。從中可知，采用NaNO3溶液電解加工所得小孔表面質(zhì)量相對(duì)較好，加工精度相對(duì)較高；采用NaCl溶液電解加工所得小孔表面質(zhì)量較差，精度低且易出現(xiàn)短路現(xiàn)象。因此選用NaNO3溶液作為電解液。

圖3 采用不同電解液電解加工所得小孔形貌Figure 3 Morphologies of microholes obtained by ECM in different electrolytes

2. 2 加工電壓和電解液NaNO3含量的影響

分別取加工電壓為6、8、9、10、12和14 V，電解液NaNO3含量分別取6%、8%、10%、12%、14%和16%，其他加工參數(shù)同2.1節(jié)，進(jìn)行36組交叉實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行3次冷卻孔電解加工，取平均值，冷卻孔的單邊加工間隙和加工蝕去量隨加工電壓和電解液NaNO3含量的變化趨勢(shì)如圖4所示。不同加工電壓、NaNO3含量下的短路次數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 加工電壓和NaNO3含量對(duì)加工精度的影響Figure 4 Effects of machining voltage and NaNO3content on machining precision

表1 加工電壓和NaNO3含量不同時(shí)加工過(guò)程中的短路次數(shù)Table 1 Number of short circuit during machining process at different voltages and NaNO3contents

從圖 4和表2可知，隨加工電壓和NaNO3含量逐漸增大，單邊間隙和加工蝕去量逐漸增大；加工電壓和NaNO3含量過(guò)大時(shí)，短路次數(shù)增多；當(dāng)加工電壓和NaNO3含量過(guò)低時(shí)，電解反應(yīng)速率過(guò)慢，加工蝕去量小，同時(shí)加工表面質(zhì)量差，也會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象。電極進(jìn)給速率為5 μm/s時(shí)，加工總用時(shí)約650 s。取其中3個(gè)典型的電解加工冷卻孔，其小孔形貌如圖5所示。圖5a的小孔圓度較好，但加工過(guò)程中出現(xiàn)2次短路現(xiàn)象，加工穩(wěn)定性較差；圖5b所示的孔圓度和單邊間隙能滿足要求，加工過(guò)程無(wú)短路現(xiàn)象；圖5c中，小孔圓度差，加工過(guò)程出現(xiàn)多次短路現(xiàn)象。

圖5 不同工藝參數(shù)下的冷卻孔形貌Figure 5 Morphologies of cooling holes obtained at different process parameters

2. 3電極進(jìn)給速率的影響

工具電極進(jìn)給速率分別取5、7和10 μm/s，NaNO3含量分別取6%、8%、10%、12%、14%和16%，加工電壓取10 V，其他加工參數(shù)同2.1節(jié)，進(jìn)行18組交叉實(shí)驗(yàn)。工具電極進(jìn)給速率和NaNO3含量對(duì)加工精度和加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖6和表2。

圖6 NaNO3含量和進(jìn)給速率對(duì)加工精度的影響Figure 6 Effects of NaNO3content and feed rate on machining precision

工具電極進(jìn)給速率分別取5、7和10 μm/s，加工電壓分別取6、8、9、10、12和14 V，NaNO3含量取10%，其他加工參數(shù)不變，進(jìn)行18組交叉實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7和表3所示。

結(jié)合圖6、圖7和表2、表3可知，隨電極進(jìn)給速率增大，單邊間隙和加工蝕去量反而減小。當(dāng)電極進(jìn)給速率較大，加工電壓和 NaNO3含量較低時(shí)，加工過(guò)程連續(xù)短路，致使加工過(guò)程無(wú)法進(jìn)行而出現(xiàn)盲孔(如圖 8a)。當(dāng)電極進(jìn)給速率較小，加工電壓和NaNO3含量較大時(shí)，單邊間隙過(guò)大，小孔的圓度較差，孔徑達(dá)1.53 mm，超出本工藝要求的孔徑范圍(如圖8b)。圖8c中，小孔圓度和單邊間隙滿足工藝要求，加工總用時(shí)約450 s，與圖5b的冷卻孔相比，加工蝕去量大且用時(shí)更少。

表2 NaNO3含量和進(jìn)給速率不同時(shí)加工過(guò)程中的短路次數(shù)Table 2 Number of short circuit during machining process at different NaNO3contents and feed rates

圖7 加工電壓和進(jìn)給速率對(duì)加工精度的影響Figure 7 Effects of machining voltage and feed rate on machining precision

表3 不同加工電壓、進(jìn)給速率的短路次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Number of short circuit during machining process at different voltages and feed rates

圖8 不同工藝參數(shù)下的冷卻孔形貌Figure 8 Morphologies of cooling holes obtained at different process parameters

3 結(jié)論

采用自主設(shè)計(jì)的電解加工機(jī)床，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔電解加工進(jìn)行多組交叉實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：加工電壓、電解液NaNO3含量和工具電極進(jìn)給速率對(duì)加工蝕去量、加工精度和穩(wěn)定性起關(guān)鍵性作用。在加工電壓10 V、NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、工具電極進(jìn)給速率7 μm/s的條件下，加工過(guò)程穩(wěn)定，加工效率高，精度控制較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] HEWIDY M S, EBEID S J, EL-TAWEEL T A, et al. Modelling the performance of ECM assisted by low frequency vibrations [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 189 (1/3)： 466-472.

[2] SKOCZYPIEC S. Research on ultrasonically assisted electrochemical machining process [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 52 (5/8)： 565-574.

[3] 王維, 朱荻, 曲寧松, 等. 管電極電解加工工藝過(guò)程穩(wěn)定性研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46 (11)： 179-184.

[4] LI Z Y, NIU Z W. Convergence analysis of the numerical solution for cathode design of aero-engine blades in electrochemical machining [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2007, 20 (6)： 570-576.

[5] 曹國(guó)強(qiáng), 劉江寧, 李原吉. 基于正交試驗(yàn)的微電解加工高溫合金的研究[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 32 (5)： 61-63.

[6] LEE H T, TAI T Y. Relationship between EDM parameters and surface crack formation [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 142 (3)： 676-683.

[7] JO C H, KIM B H, CHU C N. Micro electrochemical machining for complex internal micro features [J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2009, 58 (1)：181-184.

[8] 范植堅(jiān), 王崗罡, 賈建利. 電解加工測(cè)試方法的研究進(jìn)展[J]. 電加工與模具, 2005 (5)： 1-4, 11.

[9] BIANCHINI C, FACCHINI B, MANGANI L, et al. Heat transfer performances of fan-shaped film cooling holes： Part II—Numerical analysis [C] // American Society of Mechanical Engineers. ASME Turbo Expo 2010： Power for Land, Sea, and Air. Vol.4： Heat Transfer, Parts A and B. 2010： 1573-1583.

[10] 王明環(huán), 朱荻, 張朝陽(yáng). 微細(xì)孔電解加工控制方法及試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2007, 18 (6)： 646-650.

[11] 李兆龍, 狄士春. 深小孔脈沖電解加工精度控制研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2012, 33 (4)： 414-418.

[12] 曾永彬, 張玉冬, 房曉龍, 等. 鹽溶液管電極電解加工鈦合金深小孔[J]. 電加工與模具, 2014 (2)： 29-32.

[13] 許斌, 鄒洪慶. 鎳磷合金表面電化學(xué)蝕刻層的性能表征[J]. 表面技術(shù), 2013, 42 (6)： 18-22.

[14] HUNG J, LIU H, CHANG Y, et al. Development of helical electrode insulation layer for electrochemical micro-drilling [J]. Procedia CIRP, 2013, 6： 373-377.

[15] 謝文清, 朱荻, 曲寧松, 等. 管電極電解加工監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2009, 38 (4)： 128-131.

[ 編輯：周新莉 ]

Electrochemical machining of film cooling holes in aero-engine

SUN Jian-jun, LI Zhi-yong*, ZANG Chuan-wu

Film cooling holes were obtained by electrochemical machining (ECM) using Inconel718 nickel-based superalloy commonly used for turbine blade of aero-engine as the substrate. The effects of three process parameters including machining voltage, NaNO3content in electrolyte, and feed rate of tool electrode on stability, accuracy, and efficiency of the machining process were analyzed through several groups of crossover experiment. The optimal process parameters of electrochemical machining were obtained as follows： mass fraction of NaNO3in electrolyte 10%, machining voltage 10 V, feed rate of tool electrode 7 μm/s, and flow rate of electrolyte 10 mL/min. The process features good stability, high efficiency, and fine precision under the optimal conditions.

nickel-based superalloy; electrochemical machining; aero-engine; film cooling hole; stability; precision

TQ151

A

1004 - 227X (2015) 11 - 0626 - 06

2014-12-10

2015-03-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（50905101）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EEM038，ZR2014EL032）。

孫建軍（1989-），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備。

李志永，教授，(E-mail) lzy761012@sdut.edu.cn。