面向航空制造的電加工技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司技術(shù)中心 于 冰

隨著航空發(fā)動機制造技術(shù)的不斷發(fā)展，大量新結(jié)構(gòu)、新材料被采用，以提升發(fā)動機的性能，這些結(jié)構(gòu)特殊、材料難加工的零部件也給制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。單純依靠傳統(tǒng)機械加工方法已無法滿足零件生產(chǎn)需求，甚至根本無法實現(xiàn)，而特種加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用則彌補了傳統(tǒng)機械加工方法的不足，顯現(xiàn)出其在難加工材料、特殊結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢。特種加工技術(shù)成為在國際航空制造競爭中取得優(yōu)勝的關(guān)鍵，是衡量航空制造水平的重要標志之一。

電加工技術(shù)作為特種加工技術(shù)的一個重要分支，發(fā)揮著不可替代的作用。本文重點介紹電火花、電解等典型電加工技術(shù)在新型航空發(fā)動機渦輪葉片、整體葉盤等關(guān)鍵零部件加工中的應(yīng)用，以及先進電加工技術(shù)的發(fā)展方向。

電火花加工技術(shù)應(yīng)用

先進航空發(fā)動機新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的應(yīng)用，對電加工技術(shù)提出了新的需求，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，電火花加工技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。特別是在航空發(fā)動機難加工材料、復雜零件特殊結(jié)構(gòu)、精密加工等方面，作為有效手段，多種電火花加工方法被開發(fā)出來并獲得應(yīng)用。

電火花加工技術(shù)按加工方式分類目前主要有：電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花高速打孔、電火花磨削、電火花強化、電火花熔涂等，這些技術(shù)都在航空發(fā)動機行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，尤以電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花高速打孔應(yīng)用最廣。許多難加工材料、特殊結(jié)構(gòu)表面的零件均采用電火花加工技術(shù)，如電火花高速銑加工技術(shù)等。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 電火花成形加工技術(shù)

電火花成形技術(shù)在發(fā)動機零件加工上，主要用于方孔、盲孔、異形孔、窄槽、型腔等特殊結(jié)構(gòu)加工。隨著航空發(fā)動機葉輪、閉式整體葉盤等新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，多軸聯(lián)動的電火花成形加工技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。

圖1為多軸復雜型面電火花成形加工的實例。圖中所示為帶冠整體葉輪，其閉式的特殊結(jié)構(gòu)造成零件機加工過程中產(chǎn)生了刀具懸臂梁的障礙，數(shù)控銑加工難以完成，且選材多為不銹鋼、高溫耐熱合金和鈦合金等難切削材料，故作為航空制造中的關(guān)鍵技術(shù)，多軸聯(lián)動電火花成形加工技術(shù)顯得尤為有效[1]。

1.2 電火花線切割加工技術(shù)

圖1 多軸復雜型面電火花成形加工電極及樣件

電火花線切割加工技術(shù)是特種加工的一個重要的應(yīng)用分支，在航空發(fā)動機行業(yè)中發(fā)揮著難以替代的作用。隨著新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用，慢走絲線切割技術(shù)的應(yīng)用也推進到了更高的水平[2]。圖2為慢走絲線切割技術(shù)的應(yīng)用實例，該零件為航空發(fā)動機壓氣機圓盤縱樹形和鍥形葉片安裝槽，其關(guān)鍵技術(shù)在于多次切割技術(shù)可實現(xiàn)“無重熔層”加工，同時又保證了工件的加工精度及表面質(zhì)量要求。

1.3 高速電火花小孔加工技術(shù)

高速電火花小孔加工技術(shù)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一種新型、高效的深小孔加工工藝。它可在各種導電材料上高速地加工小孔，加工速度可達20～60mm/min，最大深徑比可超過100[3]。在航空發(fā)動機行業(yè)中存在大量異形結(jié)構(gòu)、空間角度復雜的零部件，如圖3所示，火焰筒內(nèi)外壁各孔空間角度均不同，且擁有較大的角度差，在電極加工穿透時都存在一定的障礙，且要求電極不加工到零件體對壁，這就對小孔加工技術(shù)提出了更高的要求。

圖2 慢走絲線切割加工實例

圖3 異形結(jié)構(gòu)、復雜空間角度零部件示意圖

圖4為七軸高速電火花小孔機加工實例，該零件為某航空發(fā)動機渦輪外環(huán)塊，零件體的型面及四周有90多個空間角度氣膜孔，分為φ0.3mm、φ0.35mm和φ0.4mm 3種孔徑。加工該零件時，可以通過調(diào)整加工電參數(shù)而使用一種規(guī)格的電極完成所有孔徑的加工，提高了加工效率。

圖4 七軸高速電火花小孔機加工實例

圖5為九軸電火花小孔機加工的實例，該零件體上有幾千個孔徑各異的小孔，且零件壁薄，易變形。采用高速電火花小孔加工技術(shù)，電極和工件間不會產(chǎn)生大的軸向力，尤其是在這種薄壁的工件上加工小孔，不會引起工件變形。

圖5 九軸電火花小孔機加工實例

1.4 電火花強化技術(shù)

電火花表面強化技術(shù)是直接利用電流的高能量密度對金屬表面進行強化的工藝，該技術(shù)多應(yīng)用于磨具的型腔、量具、精鑄件和機械零件的表面強化處理。而近幾年才將電火花強化技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機制造領(lǐng)域中，主要用于相互配合轉(zhuǎn)動零件的表面電火花熔涂石墨、硬質(zhì)合金等材料的加工，可以提高表面硬度、耐磨性。圖6為電火花熔涂硬質(zhì)合金強化葉片耐磨性的實例。電火花熔涂堆焊技術(shù)在電火花強化的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可以進一步開發(fā)設(shè)備功能，開拓全新的工藝方法，進行機械零件表面損傷修復、微小尺寸超差修復等，填補了航空發(fā)動機制造領(lǐng)域缺陷修復工藝的空白，并被成功應(yīng)用。

1.5 特性化技術(shù)

（1）電火花蜂窩磨削加工技術(shù)。

電火花蜂窩磨削是電火花磨削中的一種特殊加工方式，利用旋轉(zhuǎn)電極在加工區(qū)對環(huán)形蜂窩件內(nèi)孔進行展成磨削加工，非常適用于航空發(fā)動機環(huán)形蜂窩零件內(nèi)孔磨削加工。

圖7是應(yīng)用蘇州電加工機床研究所ZT-021型電火花蜂窩磨床加工內(nèi)外蜂窩環(huán)的實例。加工雙層蜂窩時，先加工外蜂窩表面，然后更換電極加工內(nèi)蜂窩表面。這種內(nèi)外層疊相對的蜂窩環(huán)結(jié)構(gòu)，在行業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)加工。

圖8為應(yīng)用電火花成形機床加工多層蜂窩環(huán)的實例。該實例加工方式不同于蜂窩磨床，主要采用成形加工設(shè)備，加工過程中工件固定，旋轉(zhuǎn)成形電極加工蜂窩環(huán)，并進行差補運動完成加工，同時通過調(diào)整電極支架的長度來滿足各層蜂窩環(huán)的尺寸要求。

圖6 電火花強化葉片

圖7 電火花磨削加工后的內(nèi)、外蜂窩表面

圖8 電火花加工蜂窩環(huán)

（2）電火花蜂窩磨削技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

為了充分發(fā)揮數(shù)控電火花蜂窩磨削設(shè)備功能，結(jié)合電火花加工技術(shù)和計算機控制的特點，對電火花蜂窩磨削加工方法進行創(chuàng)新研究，采用固定電極徑向限位伺服磨削方式進行成形加工，通過計算機系統(tǒng)控制電極與工件之間的相對運動軌跡，實現(xiàn)零件外型面成形加工。

圖9為電火花蜂窩磨床成形加工鼠籠的實例，采取固定電極徑向伺服，通過轉(zhuǎn)臺分度完成零件幾十個工位粗開槽。

圖10為某航空發(fā)動機軸承油氣封嚴圈零件的外型面加工實例，采用分段成形加工方式，給定初始加工角度，然后設(shè)定進給量旋轉(zhuǎn)伺服加工到360°停止加工，反復n周完成加工到最終尺寸。

2 電火花加工新技術(shù)

2.1 應(yīng)用于整體葉盤加工的數(shù)控高效放電銑加工技術(shù)

航空發(fā)動機整體葉盤、機匣類零件結(jié)構(gòu)復雜，大都采用高溫合金、鈦合金等難切削材料，數(shù)控銑加工效率低、成本高，如整體葉盤零件，單件銑削時間達到1個月，刀具費用高達幾十萬元。蘇州中特電加工技術(shù)研究所和美國GE公司為加工新型飛機發(fā)動機上的整體葉盤共同研制了電火花高速銑削機床，經(jīng)中國機床工業(yè)協(xié)會鑒定確認該設(shè)備具有世界領(lǐng)先水平。該設(shè)備用于加工整體葉盤、機匣類零件，加工效率可提高2倍以上，并可節(jié)約大量的刀具費用[4]。

電火花高速銑加工方式相對于傳統(tǒng)的電火花成形加工節(jié)省了制備成形電極、準備時間、加工費用等，使加工過程更具柔性，因而獲得應(yīng)用。圖11為電火花高效銑加工鈦合金軸承座的實例，該實例的關(guān)鍵技術(shù)在于鈦合金材料的電火花加工，這就對設(shè)備電源要求更高，電參數(shù)的選取也有所不同。

2.2 應(yīng)用于刷環(huán)零件加工的混粉電火花加工技術(shù)

在放電加工液內(nèi)混入粉末添加劑，以高速獲得光澤面的加工方法稱為混粉加工。該方法主要應(yīng)用于復雜模具型腔，尤其是不便于進行拋光作業(yè)的復雜曲面的精密加工，可降低零件表面粗糙度值，省去手工拋光工序，提高零件的使用性能（如壽命、耐磨性、耐腐蝕性、脫模性等）。其加工原理主要是向電火花工作液中加入一定比例的導電粉末，使放電間隙增大，電極間的寄生電容和電流密度減小，從而使放電點分散、放電集中現(xiàn)象減少。

圖9 鼠籠加工實例示意圖

圖10 軸承油氣封嚴圈零件外型面加工

圖11 鈦合金軸承座電火花高效銑加工

先進發(fā)動機采用了刷式密封結(jié)構(gòu)，該零件的刷環(huán)刷絲加工成為技術(shù)難題，因刷絲不受力，傳統(tǒng)的磨削等方法無法加工，混粉電火花加工能量小，刷絲加工質(zhì)量好，通過選擇合適的粉末添加劑和工藝參數(shù)，使精密刷絲加工成為現(xiàn)實。

3 電火花加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

由于電火花加工過程本身的復雜性，迄今對電火花加工的機理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系統(tǒng)的工藝試驗基礎(chǔ)上完成的，所以對電火花加工機理的深入研究，并以此直接指導和應(yīng)用于實踐加工是電火花加工技術(shù)發(fā)展的根本。在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)新工藝將是電火花加工技術(shù)發(fā)展方向。如數(shù)控電火花高速銑削加工是一種還不成熟，值得繼續(xù)研究的新工藝，在解決特殊結(jié)構(gòu)加工、低成本加工等方面都具有積極意義。電火花加工在控制技術(shù)上將朝自動化、智能化方面等更高層次發(fā)展；數(shù)控電火花加工的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)在高檔機床上已有初步應(yīng)用，并將逐步被推廣，以獲取更好的系統(tǒng)管理效果。

電解加工技術(shù)

電解加工是利用陽極溶解的原理來去除材料，將零件加工成形的一種現(xiàn)代特種加工技術(shù)，可加工難加工材料及復雜結(jié)構(gòu)零件等，其加工效率高、成本低。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電解加工采用了大功率的高頻窄脈沖電源，以及高精度的電解液過濾系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了小間隙、大電流的精密振動電解加工。由于工件與電極之間較窄的加工間隙，電解液的充分交換需要通過電極的振動才能完成，因此在振動過程中，電極與工件接觸最近或者振幅最大時配給電流，進行材料去除加工。因此，精密振動電解加工技術(shù)的關(guān)鍵在于機械振動與脈沖電源的精確匹配，如圖12所示。

圖12 機械振動與電脈沖配合的復合機械電解加工

1 單個葉片無余量精密電解加工技術(shù)

航空發(fā)動機中葉片數(shù)量多且難加工，隨著葉片材料向高強、高硬、高韌性方向發(fā)展和鈦合金、鈷鎳超級耐熱合金的采用，以及超精密、超薄、大扭角等特殊結(jié)構(gòu)葉片的出現(xiàn)，對電解加工又提出了更高的技術(shù)要求，使電解加工成為航空發(fā)動機葉片制造中主要的、不可缺少的優(yōu)選工藝技術(shù)之一。

2 整體葉盤精密電解加工技術(shù)

高頻窄脈沖振動電解加工設(shè)備實現(xiàn)了納秒級快速短路保護技術(shù)、微米級精密過濾技術(shù)以及先進的環(huán)保處理系統(tǒng)，居于世界領(lǐng)先水平。用于整體葉盤零件葉型電解加工工裝包括套料陰極、終成形陰極和裝夾定位夾具。對于葉型曲度較小的葉盤一般采用套料開槽方式進行粗加工，然后進行精微終成形電解加工，實現(xiàn)葉盤無余量加工。然而對于大型葉盤，尤其是葉型扭曲較大時，為了使終成形余量均勻，通常在套料電解加工后還要進行半精加工，最后進行無余量電解加工。

電加工技術(shù)的發(fā)展

隨著電源技術(shù)、控制技術(shù)和工藝技術(shù)的發(fā)展，電加工技術(shù)也不斷改進優(yōu)化，高精度脈沖電源、高頻窄脈沖電源、微過濾系統(tǒng)等都給電加工技術(shù)的發(fā)展提供了可靠保證。未來電加工技術(shù)將向高精度、超精細、高穩(wěn)定性、數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展，并將在航空發(fā)動機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。

[1] 楊大勇.電火花成形加工技術(shù)的發(fā)展概況//第13界全國特種加工學術(shù)會議論文集. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009：3-13.

[2] 朱寧,葉軍,韓福柱,等.電火花線切割加工技術(shù)及其發(fā)展動向//第13界全國特種加工學術(shù)會議論文集. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009：14-21.

[3] 趙萬生. 電火花加工技術(shù). 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000.

[4] 葉軍，朱寧,吳國興,等.數(shù)控高效放電銑削加工技術(shù)//第13界全國特種加工學術(shù)會議論文集. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社 ,2009：174-178.

[5] 于冰.電加工技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用 .金屬加工（冷加工），2013(22)：19-21.