深細(xì)孔與超深孔電化學(xué)加工技術(shù)應(yīng)用分析

傅軍英,張明岐

(北京航空制造工程研究所,北京100024)

現(xiàn)代制造技術(shù)中,制孔工藝已成為重要的分支,尤其是高深徑比的超深孔及微小深孔結(jié)構(gòu),其加工難度大、工藝復(fù)雜,已成為重點研究的領(lǐng)域[1]。在深細(xì)小孔加工方面,以航空、航天、船舶等軍工領(lǐng)域應(yīng)用最多。航空發(fā)動機(jī)中的小孔數(shù)量多,且多為高溫合金、鈦合金等難加工材料,加工精度和表面質(zhì)量要求很高,傳統(tǒng)深孔機(jī)械加工技術(shù)已無法滿足,須采用特種加工技術(shù)。但由于在某些結(jié)構(gòu)上對孔加工的表面質(zhì)量提出了更高的要求,應(yīng)用分支更加細(xì)化。例如,航空發(fā)動機(jī)葉片上大量的氣膜冷卻小孔,直徑一般在0.5 mm以下,目前采用的制造方法有激光加工、電火花加工與電化學(xué)加工。激光、電火花等熱加工工藝,因加工熱會導(dǎo)致再鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)的出現(xiàn),必須經(jīng)后續(xù)處理才能滿足設(shè)計性能與壽命要求。而對于應(yīng)用單晶材料的工作葉片氣膜孔加工,熱加工還會帶來材料再結(jié)晶的隱患,因此只能采用電化學(xué)加工方法。

航空、航天及兵器工業(yè)中,出現(xiàn)了越來越多的超深孔結(jié)構(gòu),如航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片的油道孔、尾緣深孔等結(jié)構(gòu)的深徑比超過50∶1,且截面為橢圓;在船舶工業(yè)中甚至出現(xiàn)了深徑比達(dá)500∶1的超長深細(xì)孔。類似這些特殊結(jié)構(gòu)的孔,電化學(xué)加工工藝是最具應(yīng)用價值的重要技術(shù)。針對這些較為特殊的深細(xì)小孔及超深孔的加工,探討分析電化學(xué)技術(shù)在制孔領(lǐng)域上的應(yīng)用極為必要。

1 國內(nèi)外深孔電化學(xué)加工技術(shù)概況

1.1 國外技術(shù)研究應(yīng)用概況

隨著航空航天科技、計算機(jī)及微電子技術(shù)、新型工程材料和醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在復(fù)雜形狀零件上出現(xiàn)了很多深細(xì)孔、超深孔,甚至是異型孔,且多采用超硬、高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱性的難加工材料,超出了傳統(tǒng)加工技術(shù)的能力范圍。20世紀(jì)中期,發(fā)達(dá)國家開始探索采用特種加工技術(shù)手段實現(xiàn)此類結(jié)構(gòu)的加工,其中在加工品質(zhì)要求較高的軍工產(chǎn)品深細(xì)小孔及高深徑比孔的加工方面,著重探索電化學(xué)加工技術(shù)。

美國GE公司早在20世紀(jì)60年代便開始探索航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜冷卻孔高品質(zhì)加工的技術(shù)解決方案,在原有電化學(xué)加工技術(shù)的基礎(chǔ)上成功研發(fā)了電射流技術(shù),可實現(xiàn)直徑0.2～0.5 mm、深徑比達(dá)100:1的圓形小孔的優(yōu)質(zhì)加工,還能加工形狀更為復(fù)雜的小孔(如拉瓦爾噴嘴形、竹節(jié)形孔)。至今已實現(xiàn)了高效多工位多孔加工,主要用于實現(xiàn)渦輪葉片及導(dǎo)向葉片氣冷孔、尾緣孔及發(fā)動機(jī)噴油孔等優(yōu)質(zhì)加工方面。同時采用金屬型管電化學(xué)加工方法(Shaped tube electrolytic machining)加工直徑在0.5～6 mm范圍內(nèi)的深孔,深徑比可達(dá)300∶1,其具有表面絕緣涂層的鈦金屬管電極制造技術(shù)也實現(xiàn)了工程化[2]。

英、德、法、俄等國家在美國專利技術(shù)的基礎(chǔ)上,均進(jìn)行了深孔高品質(zhì)電化學(xué)加工技術(shù)的研究,并形成了各自的特色。英國R.R公司采用CD(Capillary drilling)方法,用玻璃直管電極加工高溫渦輪葉片尾部直徑0.4 mm、深15 mm 的小孔(圖 1)。英國Winbro公司研制的四軸電液束加工機(jī)床,主要用于加工渦輪葉片氣膜冷卻孔,可加工孔徑范圍在0.3～0.5 mm,孔深達(dá) 10 mm(圖 2)。英國 ELE、德國MT U發(fā)動機(jī)公司報道采用金屬型管STEM技術(shù)加工堅硬、耐蝕材料上的深孔,包括渦輪葉片和噴嘴導(dǎo)向葉片上的圓小孔、機(jī)翼后緣孔、氣膜冷卻孔和紊流冷卻孔,加工孔徑為0.5～7 mm(圖3)。

圖3 英國ELE公司的金屬型管加工工藝及樣件

此外,在深孔加工的電化學(xué)加工機(jī)理研究方面,各國也進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,英國、美國、印度等大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在加工機(jī)理探索、參數(shù)優(yōu)化、表面質(zhì)量改善等方面做了大量的研究工作,他們十分重視電化學(xué)技術(shù)在深孔加工方面的研究和探索,并已形成了完備的深孔電化學(xué)加工技術(shù)體系,依據(jù)加工孔徑和深徑比,同時考慮加工品質(zhì)要求及經(jīng)濟(jì)型等方面,合理地選擇不同的制孔工藝。

1.2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

北京航空制造工程研究所自20世紀(jì)80年代起就對電液束加工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,突破了加工工藝、玻璃管電極研制及電極封裝等多項關(guān)鍵技術(shù),并自主完成了電液束加工工程化樣機(jī)的研制(圖4)。目前,該項技術(shù)成果主要應(yīng)用于多種航空發(fā)動機(jī)葉片高品質(zhì)氣膜冷卻孔的加工,滿足了小孔加工表面“三無”(無重熔層、無微裂紋、無熱影響區(qū))的要求,技術(shù)成熟穩(wěn)定,接近于工程化應(yīng)用水平。

圖4 北京航空制造工程研究所的電化學(xué)制孔設(shè)備

電化學(xué)加工與其它制孔方法相比,主要優(yōu)勢是加工速度與材料的強(qiáng)度、硬度呈無關(guān)性,且可加工的深徑比大、表面質(zhì)量好[3]。因此,為了解決航空發(fā)動機(jī)、航天等武器裝備或民用工業(yè)產(chǎn)品中出現(xiàn)的超深孔加工,北京航空制造工程研究所除了開展玻璃管電極電液束加工技術(shù)外,還在以電化學(xué)加工為基礎(chǔ)的制孔技術(shù)方面進(jìn)行了較深入的研究工作。

2 深孔電化學(xué)加工技術(shù)分析

2.1 電液束加工技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)鑄造空心葉片采用氣膜冷卻結(jié)構(gòu),分布著大量的冷卻孔,材料為高溫合金、單晶等難切削材料,小孔分布密度高,孔間距小至0.3 mm,孔徑范圍在0.2～0.7 mm,深徑比在5∶1～30∶1。孔徑精度、位置精度要求很高。加工表面不允許有再鑄層、微裂紋和熱影響區(qū),在單晶材料上不允許因加工熱出現(xiàn)再結(jié)晶。

電液束工藝(electro stream machining)正是實現(xiàn)上述微小深孔結(jié)構(gòu)加工的最佳途徑。電液束技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)的小孔冷加工技術(shù),類屬于電化學(xué)加工范疇。加工時,金屬工件接陽極,玻璃管電極接陰極。在陰、陽極間施加直流電壓,酸性溶液通過玻璃管形成持續(xù)液束流射向工件的加工部位,對陽極工件進(jìn)行“溶解”加工。圖5是經(jīng)電液束加工的孔的金相照片。

圖5 電液束制孔金相照片

電液束適宜加工的孔徑范圍為0.2～0.5 mm,但受限于毛細(xì)玻璃管電極的剛性,加工小孔的深徑比不超過100∶1,工藝技術(shù)的特點主要表現(xiàn)為以下幾方面:

(1)電液束加工技術(shù)屬無應(yīng)力冷態(tài)溶解加工,與激光、電火花等熱加工工藝相比,從根本上消除了出現(xiàn)重熔層和由此產(chǎn)生的微裂紋等缺陷的可能,徹底規(guī)避了單晶材料的多晶化風(fēng)險,小孔加工后不需進(jìn)行后續(xù)處理即可滿足加工表面無重熔層、無微裂紋、無熱影響區(qū)的高品質(zhì)要求。

(2)電液束加工的小孔進(jìn)出口光滑,無毛刺,加工表面粗糙度值低。

(3)電液束加工技術(shù)可實現(xiàn)其他方法不能實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的特殊角度的小孔加工,如由于目前航空發(fā)動機(jī)新結(jié)構(gòu)的要求而出現(xiàn)的許多難加工的斜孔、深小孔和特殊位置孔。

(4)電液束加工過程中玻璃管電極無消耗,極大降低了加工成本。電液束加工進(jìn)給速度可達(dá)3.0 mm/min以上,可實現(xiàn)自動監(jiān)測、自動換位加工,加工效率高[4]。

目前,電液束加工以其公認(rèn)的高品質(zhì),成為先進(jìn)發(fā)動機(jī)研制中的重要制造技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷拓展,在民用微電子、醫(yī)療器械等方面也有很大的應(yīng)用前景。

2.2 金屬型管加工技術(shù)

金屬型管加工技術(shù)建立在電化學(xué)陽極溶解原理的基礎(chǔ)上,將電液束加工技術(shù)與傳統(tǒng)電化學(xué)加工技術(shù)相結(jié)合,以外表面涂覆絕緣涂層的金屬型管為電極,以酸性溶液為電解液,加工過程中金屬工件接陽極,金屬型管電極接陰極,在陰、陽極間施加直流電壓,凈化的酸性溶液通過金屬型管內(nèi)腔流入加工區(qū)域,對陽極工件進(jìn)行“溶解”加工,見圖6[5]。

圖6 金屬型管加工原理

該技術(shù)屬于典型的電化學(xué)冷加工制孔工藝,加工無應(yīng)力、電極無損耗,加工表面無再鑄層、無微裂紋、無熱影響區(qū)。與玻璃管電極電液束技術(shù)相比,金屬型管加工技術(shù)在保證電極強(qiáng)度及剛性方面更具優(yōu)勢,且電極制作形狀的靈活性大,更適合直徑范圍在0.5～7 mm孔的高品質(zhì)加工,加工深徑比可達(dá)300∶1,是實現(xiàn)超深孔及異型深孔加工的有效解決方法。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展,軍用武器裝備與先進(jìn)民用產(chǎn)品中深孔結(jié)構(gòu)的加工要求不斷提高,除了航空發(fā)動機(jī),在汽車、石油、化工等領(lǐng)域也出現(xiàn)了要求無熱影響的高品質(zhì)小孔設(shè)計,對電化學(xué)深孔加工在加工深徑比、尺寸范圍及加工精度上提出了更高的要求。

通過電化學(xué)加工技術(shù)及特有的冷加工技術(shù)特性,電液束加工與金屬型管電化學(xué)加工相互銜接,可形成直徑0.2～7 mm、深徑比300∶1以下的高品質(zhì)深細(xì)孔、超深孔、異型孔加工的系統(tǒng)加工技術(shù)。在航空、航天、兵器等軍工領(lǐng)域及醫(yī)療、電子等民用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越大的作用。

[1]王峻.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[3]徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4]傅軍英,張明岐.電液束自動化加工監(jiān)控技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2010(7):78-80.

[5]Sen M,Shan H S.A review of electrochemical macro-to microhole drilling processes[J].International Journal of Machine Tools and M anufacture,2005,45(2):137-152.