朱 荻，王登勇，朱增偉

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院, 南京 210016）

機匣是航空發(fā)動機重要的連接、承載部件，起著支撐轉(zhuǎn)子和固定靜子的作用（圖1）。在發(fā)動機工作時，機匣承受氣體負載、質(zhì)量慣性力及溫差引起的熱載荷，工作環(huán)境惡劣。機匣通常由鈦合金、高溫合金等難加工材料制成；有些機匣直徑高達1 m 以上，壁厚薄至1 mm，剛性很差；機匣外型面復(fù)雜，分布有大量形狀各異的凸臺結(jié)構(gòu)。發(fā)動機設(shè)計者從承力和輕量化考慮，對機匣的輪廓尺寸精度和壁厚均勻性有著嚴苛的技術(shù)要求。

圖1 航空發(fā)動機中不同部位的機匣[1]Fig.1 Casings located in different parts of an aero-engine[1]

機匣壁薄剛性弱、材料難加工的特點給其制造帶來巨大的挑戰(zhàn)。采用常規(guī)銑削加工時不僅刀具損耗大、加工周期長［2］，而且加工變形問題突出，某型發(fā)動機高溫鎳基合金機匣采用常規(guī)銑削后變形量高達0.46 mm［3］。為避免大型薄壁機匣銑削加工變形問題，研究人員嘗試采用化學(xué)銑削?；姴划a(chǎn)生加工應(yīng)力，但是它采用強腐蝕性溶液［4］，溶液的維護非常困難，廢液會造成嚴重的環(huán)境污染。更重要的是，在化學(xué)銑削過程中，機匣不同部位的腐蝕速率難以精確控制，加工出的零件壁厚一致性差，難以滿足發(fā)動機機匣的精度要求。

電解加工是基于陽極溶解原理實現(xiàn)材料去除的加工技術(shù)，具有加工過程無應(yīng)力和工具損耗、不受材料力學(xué)性能限制、加工效率高等優(yōu)點［5］，在歐美已成為機匣制造的重要手段［6］。如圖2 所示，歐美主要采用逐段加工方法，將機匣沿圓周分為若干區(qū)段，采用多個仿形塊狀電極依次加工出各個區(qū)段的型面輪廓。該方法相比于切削和化銑提高了加工效率和精度，但仍然存在以下問題：（1）逐段加工時，各段的加工間隙很難保證一致。加工間隙受加工產(chǎn)物（陰極析出的氫氣、電解液溫升、陽極蝕除物）影響，加工過程諸參數(shù)（加工電壓、工具進給速度、電解液壓力）的波動也會造成加工間隙的隨機性波動，間隙的波動直接影響到機匣壁厚。因此，分段加工法難以精確控制機匣壁厚的一致性。實際應(yīng)用中，分段加工壁厚一致性很難控制在0.3 mm 之內(nèi)。（2）采用逐段加工方式，相鄰區(qū)段之間會留下“接刀痕”。另外，在工具出水縫對應(yīng)的工件表面上會留下“出水口痕”。這些脊狀凸起痕跡需通過后續(xù)精細加工去除，費時費工。

圖2 國外采用的機匣逐段電解加工原理圖Fig.2 Schematic diagram of block-by-block electrochemical machining of casing part used abroad

隨著新型航空發(fā)動機性能的不斷提升，發(fā)動機機匣型面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；為了輕量化，機匣壁厚進一步減薄，加工精度要求更為苛刻，其制造難度將顯著加大。大型薄壁機匣的高效精密制造已成為制約新型航空發(fā)動機研制生產(chǎn)的瓶頸，迫切需要尋求先進的制造技術(shù)。

1 旋印電解加工技術(shù)原理與特點

針對新型航空發(fā)動機大型薄壁機匣的制造難題，筆者提出了旋印電解加工技術(shù)［7-8］。旋印電解加工的基本原理如圖3 所示：工具陰極為薄壁狀回轉(zhuǎn)體，薄壁上有特定形狀鏤空窗口，加工時陽極工件與陰極工具之間留有加工間隙，兩電極以相同的角速度逆向旋轉(zhuǎn)，同時陰極工具沿兩電極中心連線方向不斷進給，電解液從陰陽極之間高速流過。在施加低壓直流電壓后，陽極表面大部分區(qū)域材料被電化學(xué)溶解去除，而陰極窗口所對應(yīng)區(qū)域的材料不被溶解即形狀保持不變，隨著加工的持續(xù)逐漸“長”出凸臺結(jié)構(gòu)。按照兩電極旋轉(zhuǎn)、工具外輪廓形狀近似轉(zhuǎn)印到工件上的過程特點，將這一技術(shù)稱為旋印電解加工。

圖3 旋印電解加工原理圖Fig.3 Principle of counter-rotating electrochemical machining

與歐美等國采用的逐段電解加工法相比，旋印電解加工在原理上具有如下顯著優(yōu)勢：（1）材料在對轉(zhuǎn)過程中被逐層溶解，每一層的厚度可控制在微米尺度，因此壁厚可以精確控制。（2）加工過程中使用回轉(zhuǎn)體工具電極，無須更換電極就可實現(xiàn)全型面加工。加工表面光滑連續(xù)，無“出水痕”“接刀痕”，無須后續(xù)去除。（3）工件表面材料被逐層蝕除，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力得到緩慢均勻釋放，避免了逐段加工方法因局部材料去除多而造成變形。

2 科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)

旋印電解加工法是一種全新的加工模式，其工件成形過程、材料電化學(xué)溶解行為、工具電極結(jié)構(gòu)、電解液供液方式以及機床裝備都不同于常規(guī)電解加工。欲實現(xiàn)旋印電解加工，需要解決若干基礎(chǔ)科學(xué)問題和突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要有旋印電解加工成型規(guī)律、陰極工具設(shè)計方法、大占空比電化學(xué)溶解機制、電解液流場設(shè)計，以及研發(fā)特殊的機床裝備。

2.1 旋印電解加工成型規(guī)律與陰極工具設(shè)計

旋印電解加工成形過程與常規(guī)電解加工存在顯著差異。筆者建立了旋印電解加工電極運動學(xué)模型和材料溶解數(shù)學(xué)模型，將電極運動過程等效為陰極工具自轉(zhuǎn)、繞工件中心公轉(zhuǎn)、沿連心線方向進給3個分運動的合成，通過仿真獲得了陽極工件表面凸臺輪廓成形過程，揭示了旋印電解加工間隙演變規(guī)律和陽極輪廓成形規(guī)律［9-10］。研究發(fā)現(xiàn)，在恒速進給條件下，旋印電解加工在經(jīng)歷初始過渡階段后，會進入準平衡態(tài)加工，在該狀態(tài)下材料沿徑向的蝕除速率始終略高于陰極工具進給速率，導(dǎo)致加工間隙近似呈線性緩慢增長趨勢；凸臺成形輪廓與陰極工具運動軌跡密切相關(guān)，通過選擇不同的陰極工具半徑能夠分別獲得側(cè)壁為正錐、豎直、倒錐的凸臺輪廓（圖4）。

圖4 旋印電解加工數(shù)學(xué)理論模型及成形規(guī)律Fig.4 Mathematical model and shaping regularity of counter-rotating electrochemical machining

通過對不同寬度的凸臺輪廓仿真研究發(fā)現(xiàn)，不同寬度下的凸臺輪廓及所對應(yīng)的陰極窗口運動軌跡通過旋轉(zhuǎn)一定的角度均能夠重合。為此，針對具有變截面復(fù)雜形狀的凸臺結(jié)構(gòu)，研究團隊提出基于角度偏置的變截面陰極窗口輪廓快速設(shè)計方法，根據(jù)某一寬度凸臺輪廓與陰極窗口尺寸的對應(yīng)關(guān)系，即可計算獲得任一截面窗口尺寸，進而實現(xiàn)復(fù)雜陰極窗口輪廓的快速設(shè)計（圖5）。采用所設(shè)計的陰極工具進行加工試驗研制，實現(xiàn)了工件表面圓柱形和“心形”凸臺的精密加工，凸臺輪廓精度可控制在±0.1 mm 以內(nèi)［8，11］。

圖5 旋印電解加工陰極工具設(shè)計Fig.5 Cathode design in counter-rotating electrochemical machining

2.2 鈦合金等難加工材料脈動態(tài)電化學(xué)溶解機理與點蝕抑制

在旋印電解加工中，陽極工件表面旋入加工區(qū)后開始溶解，旋出加工區(qū)后停止溶解，就工件表面特定一點而言，材料隨著電極的旋轉(zhuǎn)處于電流密度交替變化的脈動態(tài)溶解狀態(tài)，這與常規(guī)拷貝式電解加工的小間隙、高電流密度溶解過程存在很大差異。研究建立了旋印電解脈動態(tài)溶解試驗系統(tǒng)，構(gòu)建了相應(yīng)的溶解特性理論模型［12］（圖6），揭示了材料在交變電流下溶解表面鈍化→點蝕→鈍化演變機理。研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金等易鈍性材料在對轉(zhuǎn)過程中受鈍化作用影響顯著，加工表面易產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差。

圖6 鈦合金材料在交替電流密度下溶解特性模型Fig.6 Model of anodic dissolution characteristics of titanium alloy at alternating current densities

為抑制鈦合金加工表面點蝕，研究團隊發(fā)明了輔助電極電場調(diào)控的創(chuàng)新方法［13］，通過在非加工區(qū)周圍合理配置具有更高電位的輔助電極，將非加工區(qū)工件表面轉(zhuǎn)“陽”為“陰”，有效抑制了鈦合金鈍化作用，使得加工表面點蝕得到消除，顯著提升了加工表面質(zhì)量（圖7）。

圖7 輔助電極電場調(diào)控抑制鈦合金點蝕原理及效果Fig.7 Principle and effect of electric field regulation of auxiliary electrode on inhibiting pitting corrosion of titanium alloy

2.3 對轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)雜間隙內(nèi)電解液流場分布特性與優(yōu)化設(shè)計

電解液流場分布狀態(tài)是影響電解加工材料溶解過程的關(guān)鍵因素。研究團隊建立了表征對轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)雜變間隙內(nèi)電解液流動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，揭示了工件凸臺與工具窗口“嚙合”過程中流場分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，由于凸臺的阻擋繞流作用，采用側(cè)流式供液模式時，凸臺背液區(qū)的流速顯著下降，局部還會出現(xiàn)“渦流”（圖8），會使得這個區(qū)域加工產(chǎn)物不易排出，影響凸臺背液區(qū)的材料溶解，甚至會導(dǎo)致局部發(fā)生短路燒傷現(xiàn)象（圖9（a））。

圖8 旋印電解加工間隙內(nèi)流場演變過程Fig.8 Evolution of flow field within inter-electrode gap during counter-rotating electrochemical machining

為此，研究團隊提出側(cè)流+內(nèi)部輔助供液流場加工新方法［14］（圖10），通過在陰極工具內(nèi)部添加輔助供液流道，強化凸臺背液區(qū)加工產(chǎn)物的輸運過程，促進材料高效均勻溶解，實現(xiàn)了高凸臺結(jié)構(gòu)的高效精密加工（圖9（b）），顯著提升了加工穩(wěn)定性和精度。

圖9 加工試驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison of experimental results

圖10 側(cè)流+內(nèi)部輔助供液流場加工示意圖Fig.10 Schematic diagram of lateral fluid flow pattern with auxiliary internal fluid

3 錐表面和內(nèi)表面旋印電解加工

在某些特殊的機匣結(jié)構(gòu)中，存在著錐表面或內(nèi)表面的凸臺形式。針對此類機匣零件，開展了錐表面和內(nèi)表面旋印電解加工技術(shù)研究。

3.1 錐表面旋印電解加工

圖11 錐表面旋印電解加工示意圖Fig.11 Schematic diagram of counter-rotating electrochemical machining of cone surface

圖12 錐形陰極窗口輪廓設(shè)計Fig.12 Design of the cathode window for conical part

匣，設(shè)計并制造出相應(yīng)的錐形陰極工具（圖13（a）），并利用旋印電解加工技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜型面的一次性高效精密加工（圖13（b））?？梢钥闯?，凸臺端面邊緣輪廓分明，成型質(zhì)量好，機匣最小壁厚為1 mm，壁厚誤差為0.05 mm，電解加工周期為183 min。

圖13 錐表面旋印電解加工陰極工具及加工樣件Fig.13 Cathode tool and machined workpiece for counterrotating electrochemical machining of the cone surface

3.2 內(nèi)表面旋印電解加工

圖14 內(nèi)表面旋印電解加工原理圖Fig.14 Schematic diagram of counter-rotating electrochemical machining of inner surface

圖15 不同轉(zhuǎn)速比下陰極窗口輪廓點運動軌跡Fig.15 Motion trajectories of cathode window contour points at different speed ratios

圖16 內(nèi)表面旋印電解加工樣件Fig.16 Machined workpiece for counter-rotating electrochemical machining of inner surface

4 機床裝備與典型樣件

為滿足新型航空發(fā)動機大型薄壁機匣的制造需求，研究團隊突破了回轉(zhuǎn)主軸高精密同步對轉(zhuǎn)運動控制、大負載低速進給運動控制、超大電流旋轉(zhuǎn)引電等一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型旋印電解機床裝備（圖17）。機床具備直徑Φ1.2 m、高1.2 m 大型薄壁機匣的加工能力。

圖17 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型旋印電解加工機床Fig.17 Developed large-scale counter-rotating electrochemical machine tool with independent intellectual property rights

在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了典型薄壁機匣樣件的精密加工，研制出新型航空發(fā)動機柵格結(jié)構(gòu)外涵機匣縮比樣件（圖18（a）），機匣最小壁厚1.1 mm，壁厚誤差小于0.08 mm，相比于化學(xué)銑削加工（壁厚誤差大于0.6 mm），壁厚精度得到大幅度提升；研制出新一代航空發(fā)動機鈷基合金雙層壁機匣樣件（圖18（b）），機匣直徑約Φ780 mm，最小壁厚1.5 mm，表面擾流柱數(shù)量多達6 000 余個，解決了目前其他方法難以制造的卡脖子難題。

圖18 新型航空發(fā)動機薄壁機匣樣件Fig.18 Machined thin-walled casing workpieces of new type of aeroengine

5 結(jié) 論

針對航空發(fā)動機機匣加工變形嚴重、壁厚精度差等制造瓶頸問題，筆者提出了旋印電解加工技術(shù)，采用回轉(zhuǎn)體電極作為陰極工具，通過工件與工具的同步對轉(zhuǎn)實現(xiàn)陽極工件的逐層均勻溶解，實現(xiàn)大型薄壁機匣的無變形精密加工成形。本文主要研究工作總結(jié)如下：

（1）建立了旋印電解加工數(shù)學(xué)模型，揭示了準平衡態(tài)加工間隙演變規(guī)律和陽極輪廓成形規(guī)律；提出變截面陰極窗口輪廓快速設(shè)計方法，實現(xiàn)了凸臺輪廓成形精度控制。

（2）建立了旋印電解脈動態(tài)溶解試驗系統(tǒng)，構(gòu)建了鈦合金等難加工材料溶解特性理論模型，揭示了材料在交變電流下溶解表面鈍化→點蝕→鈍化演變機理；發(fā)明了輔助電極電場調(diào)控方法，消除了鈦合金加工點蝕現(xiàn)象，顯著提升了加工表面質(zhì)量。

（3）建立了對轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)雜變間隙內(nèi)電解液流動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，揭示了工件凸臺與工具窗口“嚙合”過程中流場分布特性；提出側(cè)流+內(nèi)部輔助供液流場加工方法，實現(xiàn)了大深度凸臺結(jié)構(gòu)的高效精密加工，顯著提升了加工穩(wěn)定性和精度。

（4）研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型旋印電解機床裝備，突破了回轉(zhuǎn)主軸高精密同步對轉(zhuǎn)運動控制、大負載低速進給運動控制、超大電流旋轉(zhuǎn)引電等一系列關(guān)鍵技術(shù)；實現(xiàn)了錐表面、內(nèi)表面等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁機匣樣件的精密加工。