葉片型面精密振動(dòng)電解加工工藝研究

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能如推力、燃油效率、使用壽命等起關(guān)鍵作用[1]。例如壓氣機(jī)葉片，葉型呈彎扭復(fù)合形狀，葉身薄，剛度差，葉片進(jìn)、排氣邊緣曲率變化大；材料難切削，多采用高溫鎳基合金、鈦合金等；先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)高推比性能對(duì)葉片的精度、表面質(zhì)量等方面的技術(shù)要求非常苛刻，加工制造難度非常大。目前在工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的葉片加工方法有數(shù)控加工、精密鍛造、電解加工等，其中電解加工以其高效率、高重復(fù)性的特點(diǎn)已成為國外壓氣機(jī)及風(fēng)扇葉片葉型批量生產(chǎn)的主要工藝技術(shù)之一[2-4]。

1 精密振動(dòng)電解加工原理

精密振動(dòng)電解加工通過電極進(jìn)給過程中的振動(dòng)與電源脈沖輸出的匹配，直接實(shí)現(xiàn)了小間隙加工，大間隙沖刷，是在脈沖電解加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，大幅提高了傳統(tǒng)電解加工的精度，在軍民用產(chǎn)品領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前途[5-7]。

精密振動(dòng)電解加工陰極振動(dòng)的引入、間歇式的加工方式，以及脈沖電流對(duì)加工間隙中電解液流場(chǎng)的擾動(dòng)作用，大大提高了電解加工小間隙電解液的沖刷、傳質(zhì)水平，解決了連續(xù)直流或一般脈沖電解加工中遇到的流場(chǎng)保證困難、為了均化流場(chǎng)而導(dǎo)致的工藝工裝復(fù)雜等問題，使得加工復(fù)雜的三維型面時(shí)也能達(dá)到較小和穩(wěn)定的加工間隙，型面加工精度得以提高，可以實(shí)現(xiàn)型面的終成形。因此采用先進(jìn)的精密振動(dòng)電解加工工藝進(jìn)行葉片型面加工具有重要意義[8-9]。

2 葉片型面精密振動(dòng)電解加工

2.1 加工方案

加工對(duì)象是彎扭和超薄的葉片，葉片材料為高溫合金（GH4169G），葉片型面尺寸約為38mm×35 mm（長×寬），葉型根部最厚約為2.7mm，尖部最薄約為0.8mm，葉型彎曲角度約為5°，扭轉(zhuǎn)角度約為4°；要求型面輪廓度為0.06mm，表面粗糙度為Ra0.60μm。

葉片型面加工在精密振動(dòng)電解試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。該設(shè)備采用高頻窄脈沖電源，具有完善的納秒級(jí)短路保護(hù)系統(tǒng)，可確保加工過程中設(shè)備、電極及工件的安全性。設(shè)備振動(dòng)頭頻率為50Hz，振幅為0.3mm，主軸動(dòng)態(tài)進(jìn)給精度0.01mm，能夠滿足葉片型面高精度的加工要求。

加工電極及工裝如圖1所示，采用單面加工方式進(jìn)行葉片加工。電極通過數(shù)控加工保證其基準(zhǔn)與型面的精度，葉片毛坯經(jīng)過預(yù)加工保留有較為均勻的余量（單邊為2mm）。通過設(shè)計(jì)專用導(dǎo)引套為加工區(qū)提供電解液，加工時(shí)電極連接設(shè)備振動(dòng)主軸，電解液采用葉型頂部進(jìn)水方式。

2.2 加工參數(shù)

電解加工的成型精度與加工間隙直接相關(guān)，加工間隙越小、分布越均勻，工件與陰極的形狀、尺寸就越吻合，復(fù)制精度越高[10]。精密振動(dòng)電解加工過程中影響加工間隙的因素主要有電解液類型、加工電壓、開通角度、脈沖頻率及陰極振動(dòng)頻率等。

電解液的類型有活性電解液和鈍性電解液之分，活性電解液（如NaCl電解液）容易產(chǎn)生晶間腐蝕，而鈍性電解液（如NaNO3、Na2SO4電解液）則不容易甚至不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。當(dāng)電解液成分相同時(shí)，濃度越高，越容易產(chǎn)生晶間腐蝕。低濃度的鈍性電解液可以減小甚至防止晶間腐蝕的發(fā)生。同時(shí)這種電解液中會(huì)使金屬陽極內(nèi)部組織的點(diǎn)蝕電位相應(yīng)地向正方向移動(dòng)，點(diǎn)蝕的出現(xiàn)就比較困難，也可以提高陽極內(nèi)部各金相組織的臨界點(diǎn)蝕電位，使材料中各相能夠均勻溶解，可以減小甚至防止點(diǎn)蝕的發(fā)生。

當(dāng)電導(dǎo)率κ和加工進(jìn)給速度（即加工電流密度）保持不變時(shí)，加工電壓越大，加工間隙越大，會(huì)導(dǎo)致加工誤差增大。因此，為了獲得高的電解加工復(fù)制精度，在保證加工能正常進(jìn)行的前提下，應(yīng)選取較小的加工電壓。

開通角度是指振動(dòng)電解加工過程中，振動(dòng)凸輪每一個(gè)360°循環(huán)中，電源開通的角段，是精密振動(dòng)電解加工的重要參數(shù)之一。開通角度的大小意味著相同狀況下實(shí)際電解加工時(shí)間的長短，開通角度越小，加工效率越低，加工復(fù)制精度越高。合適的開通角度有利于加工間隙中的電解液更新和交換，電解產(chǎn)物、熱量、氣泡等排出會(huì)更加徹底，電解加工間隙過程的理化特性改善越好，可以獲得較低的表面粗糙度。

圖1 葉型精密振動(dòng)電解加工示意圖Fig.1 Diagram of PECM blade surface

脈沖頻率參數(shù)在脈沖電解加工中至關(guān)重要，采用較高的脈沖頻率是精密電解加工的趨勢(shì)。脈沖頻率高，則脈沖電流的擾動(dòng)作用更強(qiáng)，更有利于抑制加工界面的電化學(xué)極化，提高活性，從而實(shí)現(xiàn)減小加工間隙，提高電解加工精度的作用。

前期的試驗(yàn)表明，在相同的條件下，脈沖頻率增大，試件的表面粗糙度呈迅速下降的趨勢(shì)，如圖2所示。在相同時(shí)間內(nèi)，脈沖頻率提高，則加工過程中間歇沖刷作用得到增強(qiáng)，可及時(shí)清除電解產(chǎn)物，改善了流場(chǎng)，脈沖加工中產(chǎn)生的熱量會(huì)在脈間時(shí)散出，這樣間隙熱交換條件也得到了改善。這些使得加工過程中的流場(chǎng)分布更加均勻，表面粗糙度會(huì)隨之下降。而隨著脈沖頻率的繼續(xù)增加，間隙沖刷作用和間隙熱交換有所增強(qiáng)，但是在相同的加工時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)增加，脈寬變窄，而脈沖電源的特性決定了脈沖電流的上升沿和下降沿是傾斜的，峰值電流越大，傾斜角越大，如圖3所示。因此脈沖數(shù)的增加意味著相同的加工時(shí)間內(nèi)低電流密度的脈沖上升沿和下降沿所占的時(shí)間增加，加工表面處于高電流密度的時(shí)間減少，使得表面粗糙度不再降低，反而會(huì)有升高的趨勢(shì)。此外，在相同的工藝參數(shù)條件下高頻脈沖加工時(shí)加工間隙更小，對(duì)加工流場(chǎng)的要求更高，由于電解液流速不夠大，電解液分布不均勻，將使加工后的表面粗糙度有升高趨勢(shì)。

圖2 GH4169G精密振動(dòng)電解加工表面粗糙度與脈沖頻率的關(guān)系Fig.2 Relationship between surface roughness and pulse frequency on PECM GH4169G

圖3 精密振動(dòng)電解加工時(shí)一個(gè)脈沖電流示意圖Fig.3 Diagram of a pulse current in PECM processing

陰極振動(dòng)可以在陰極向下沖擊時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力波，非常有利于消除產(chǎn)物吸附，而在電極抬起的瞬間停止電化學(xué)溶解，在大間隙下使極間的電解液瞬時(shí)更新。因此，可始終保持極小間隙下的電解加工，從而獲得較高的成型精度和較低的表面粗糙度。陰極振動(dòng)頻率參數(shù)的選擇以滿足加工間隙中電解產(chǎn)物、熱量、氣泡等的徹底排出為宜。

基于以上的分析，對(duì)各個(gè)加工參數(shù)的水平范圍進(jìn)行了初選。試驗(yàn)采用10%～15%的NaNO3電解液，進(jìn)行葉片型面的精密振動(dòng)電解加工工藝試驗(yàn)。利用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素和水平見表1，加工結(jié)果見表2。

2.3 葉型進(jìn)排氣邊緣的處理

葉型的加工精度直接影響著葉片的氣動(dòng)性能，進(jìn)排氣邊緣的加工精度對(duì)其影響尤為顯著。對(duì)于超薄彎扭的葉片，其進(jìn)排氣邊緣呈“刀刃狀”，機(jī)械加工時(shí)的變形控制較為困難，需留有少許余量，進(jìn)行手工修整；電解加工存在尖邊效應(yīng)，對(duì)于超薄部位的成形存在一定難度。另外，進(jìn)排氣邊緣處的葉型數(shù)據(jù)離散度大，規(guī)律性差，加工編程和檢測(cè)均比較困難。

針對(duì)葉片進(jìn)排氣邊緣，特別是呈“刀刃狀”的超薄彎扭葉片的進(jìn)排氣邊緣，電解加工的一般處理方法為在距進(jìn)排氣邊緣0.5mm范圍內(nèi)預(yù)留0.1～0.2mm的余量，然后采用數(shù)控機(jī)械加工方法進(jìn)行自適應(yīng)加工，即先對(duì)加工的葉型進(jìn)行檢測(cè)，然后與標(biāo)準(zhǔn)葉型進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)二者的差異進(jìn)行加工。后續(xù)將對(duì)此類葉片的進(jìn)排氣邊緣開展精密振動(dòng)電解加工工藝研究，主要有以下兩種研究方案：（1）葉盆、葉背加工電極的型面分界線位于進(jìn)排氣邊緣處，采用矢量進(jìn)給方法，實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣邊緣的成型加工；（2）葉盆、葉背加工電極的型面分界線位于葉片的葉盆、葉背型面上，待完成進(jìn)排氣邊緣加工后，再采用數(shù)控機(jī)械加工方法對(duì)接縫處進(jìn)行加工，最終實(shí)現(xiàn)葉盆、葉背型面與進(jìn)排氣邊緣的平滑過渡。

2.4 結(jié)果與分析

利用粗糙度檢測(cè)儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別對(duì)加工后試樣的表面粗糙度、型面精度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。采用參數(shù)組A3B1C3D2電解加工的葉片表面質(zhì)量最好；采用參數(shù)組A1B3C3D3電解加工的葉片表面質(zhì)量最差；其他參數(shù)組合下電解加工葉片的表面質(zhì)量均有所差別。

對(duì)電解加工葉片型面試件的組織形貌進(jìn)行了掃描電子顯微鏡觀察，如圖4所示。結(jié)果表明，試件表面均未出現(xiàn)晶間腐蝕和點(diǎn)蝕。分析原因如下：

（1）試驗(yàn)中使用的電解液為10%～15%的NaNO3，這種低濃度的鈍性電解液可以減小甚至防止晶間腐蝕的發(fā)生。

表1 因素和水平

表2 L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果

圖4 葉片橫截面掃描結(jié)果Fig.4 Results of cross section of blade

（2）試驗(yàn)中的電流密度較大，達(dá)到了50A/cm2，高的電流密度有利于減小甚至防止晶間腐蝕、點(diǎn)蝕的發(fā)生。

（3）精密振動(dòng)電解加工工藝可以實(shí)現(xiàn)小間隙加工、大間隙沖刷，加工電解液得到不斷更新，使得每次加工時(shí)都能獲得新的電解液，保證了每次加工時(shí)電解液的一致性，使得間隙流場(chǎng)均勻分布，可以減輕或者消除各種選擇性腐蝕。

3 結(jié)束語

（1）在加工過程正常進(jìn)行的情況下，較小的加工電壓，有利于獲得更高的電解加工復(fù)制精度；高頻脈沖有利于降低陽極鈍化和陰極的產(chǎn)物吸附作用，強(qiáng)化電解液的非線性作用，提高陽極集中蝕除能力；陰極振動(dòng)有利于加工間隙中的產(chǎn)物、熱量和氣泡的排除，促進(jìn)電解液的更新和交換，改善了電解加工間隙的過程理化特性，有利于陽極產(chǎn)生穩(wěn)定的電化學(xué)精確和定域溶解。

（2）在加工電壓15V、陰極振動(dòng)頻率25Hz、開通角度 150°～195°、脈沖頻率 3000Hz時(shí)，獲得最優(yōu)的型面加工質(zhì)量，型面輪廓度為-0.012～+0.013mm，表面粗糙度為Ra0.51μm，葉片型面無晶間腐蝕及點(diǎn)蝕。

（3）進(jìn)排氣邊緣的加工是世界性難題，數(shù)控機(jī)械加工和電解加工超薄葉片的進(jìn)排氣邊緣均存在一定的問題。數(shù)控機(jī)械加工通過葉型在線檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)加工，但在超薄部位仍存在變形控制問題。電解加工存在尖邊效應(yīng)，對(duì)于超薄部位的成型有一定難度，后續(xù)仍需進(jìn)一步開展相關(guān)的研究工作。

（4）精密振動(dòng)電解加工工藝為難切削材料葉片及整體葉盤的電解加工提供了一條可靠的工藝途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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