火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸電解擴(kuò)孔加工技術(shù)

馬長進(jìn)，劉 嘉，王文昭，謝和瑞，霍世慧

(1.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；3.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

渦輪泵是泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，它擔(dān)負(fù)著向發(fā)動(dòng)機(jī)推力室主系統(tǒng)及發(fā)生器等副系統(tǒng)輸送高壓推進(jìn)劑的重任，渦輪泵的性能和可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)乃至航天運(yùn)載器的運(yùn)載能力和可靠性。軸是大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的核心零件，它將渦輪盤、誘導(dǎo)輪、離心輪等高速旋轉(zhuǎn)件串聯(lián)在一起，工作在高壓力、高轉(zhuǎn)速、超低溫、超高溫等極端惡劣工況下。為了提高軸的臨界轉(zhuǎn)速，需要在直徑71.8 mm的深盲孔中，將深度739 mm至315 mm(加工部位長度424 mm)的一段內(nèi)腔直徑由71.8 mm擴(kuò)孔至89 mm，直徑擴(kuò)大的內(nèi)腔兩端與原71.8 mm的壁面為圓弧過渡。

細(xì)長階梯孔在航空航天、汽車及醫(yī)用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，軸深孔由于內(nèi)孔大、外孔小，且深孔長度達(dá)到740 mm，半徑方向材料去除量約8.6 mm，采用常規(guī)機(jī)械方式加工，易出現(xiàn)軸線偏斜、刀具振顫以及散熱條件差等問題，尤其針對高強(qiáng)鋼、高溫合金等材料，加工難度極大，成本十分高昂。電解加工是一種非接觸式的材料去除制造技術(shù)，工件陽極與電源正極相連，工具陰極與負(fù)極相接，在電場、流場和化學(xué)腐蝕場作用下發(fā)生電化學(xué)溶解，完成工件成型，電解加工具有陰極無損耗，不受材料硬度限制，加工效率高，表面無殘余應(yīng)力等優(yōu)勢，特別適用于難加工材料復(fù)雜型腔的大批量制造，可高效、低成本實(shí)現(xiàn)軸深長孔加工。

卓開富設(shè)計(jì)了螺旋電極，在45 鋼上對長25 mm、直徑12.5 mm 的通孔進(jìn)行擴(kuò)孔加工，得到圓度幾乎為零的工件內(nèi)孔；唐霖設(shè)計(jì)并搭建了立式刻槽和擴(kuò)孔電解加工裝置， 可對長度600 mm以下的刻槽和擴(kuò)孔零件進(jìn)行加工；李兆龍等用直徑2.1 mm 的管狀電極加工出了變截面的深小孔。陳玉宏等提出一種小間隙高速精密電解拉削擴(kuò)孔方法，以實(shí)現(xiàn)高精度、高表面質(zhì)量的擴(kuò)孔加工。張京超等設(shè)計(jì)了一種細(xì)長孔電解擴(kuò)孔加工裝置，可實(shí)現(xiàn)工件徑向且精度較高的進(jìn)給。張明岐等在飛機(jī)起落架輪軸中間段深孔加工中，采用定間隙徑向隨動(dòng)式進(jìn)給加工方法，將基準(zhǔn)孔50 mm擴(kuò)孔至61.4 mm。本文提出一種工件旋轉(zhuǎn)、陰極可調(diào)整式隨動(dòng)進(jìn)給電解擴(kuò)孔加工技術(shù)，將工件固定于旋轉(zhuǎn)軸上以一固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，借助流場、電場仿真技術(shù)手段優(yōu)化長工具陰極刃的刃口設(shè)計(jì)，工具陰極可根據(jù)在機(jī)超聲波測厚儀測量工件剩余壁厚值，機(jī)床轉(zhuǎn)臺帶動(dòng)陰極動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)調(diào)整，修正深孔長度方向直徑偏差值，解決了流場差異性影響加工精度的技術(shù)難題，有效保證產(chǎn)品尺寸精度和一致性。

1 軸深孔電解擴(kuò)孔加工方法

深孔擴(kuò)孔在航空航天、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場景，在孔深較淺或去除量較小的產(chǎn)品中可以采用機(jī)械鏜加工的方式加工，但對于長深徑比、大余量去除的特征，尤其是高強(qiáng)鋼、高溫合金等難加工材料，常規(guī)機(jī)械加工十分困難。在深盲孔機(jī)械鏜削加工中，由于刀桿較長，刀桿的變形會直接影響鏜孔的加工精度，刀桿在工作過程中，常受到拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷形變，其形變表達(dá)式為

(1)

式中：、、為、、方向的位移變化量。以常規(guī)鏜刀的刀桿為例，材料為碳素鋼，硬度為HB250，切削深度2.5 mm，進(jìn)給量0.2 mm/r,刀桿直徑50 mm，刀桿彈性模量為206 GPa，刀桿懸伸量800 mm，切削合力1 500 N，根據(jù)式(1)計(jì)算得到三維形變理論值為：=990 μm，=1.84 μm，=196 μm，刀桿存在如此大的變形將嚴(yán)重影響加工精度。除此之外，在鏜削加工中，刀具還容易發(fā)生顫振，導(dǎo)致表面刀紋等問題。因此機(jī)械鏜削加工對該深盲孔進(jìn)行擴(kuò)孔加工難度很大，精度難以控制。

某型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軸采用的電解擴(kuò)孔加工技術(shù)是一種多軸聯(lián)動(dòng)的高效電解加工技術(shù)，其加工原理示意圖如圖1所示，軸繞其軸線旋轉(zhuǎn)，將具有陰極加工刃的中空棒狀工具陰極插入軸內(nèi)部，使工具的陰極加工刃正對需要加工的部位。該工具陰極僅陰極加工刃裸露金屬表面，其余型面均作絕緣處理。加工時(shí)軸接電源正極，工具接電源負(fù)極，電解液從中空的工具中流入，從陰極加工刃處開的縫狀出液口噴出，在電化學(xué)反應(yīng)陽極溶解效應(yīng)作用下，陰極加工刃正對的軸工件內(nèi)壁材料會發(fā)生溶解。隨著工件的不斷旋轉(zhuǎn)，工具陰極沿著工件徑向進(jìn)給，可以在一次進(jìn)給加工中完成整個(gè)軸內(nèi)腔加工，由于該加工方法的形式與機(jī)械鏜削類似，因此稱該加工方法為“電解鏜”工藝。

圖1 軸電解加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of shaft electrochemical machining

在現(xiàn)有的電解加工機(jī)床上，針對軸電解鏜加工工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)加工工藝的全套工藝裝置(見圖2)，完成了機(jī)床裝備的改造。加工裝置實(shí)物如圖3所示。機(jī)床的改造和工藝裝備的研制主要包括以下幾個(gè)方面：

圖2 加工裝置Fig.2 Processing equipment

圖3 加工裝置實(shí)物Fig.3 Physical processing device

1)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的電機(jī)改造。在原轉(zhuǎn)臺位置專門架設(shè)了一臺力矩電機(jī)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。

2)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電裝置改造。為了開展軸電解擴(kuò)孔加工研究，增設(shè)了導(dǎo)電滑環(huán)，顯著提升了旋轉(zhuǎn)引電的可靠性。

3)工藝裝置研制。研制了工裝、夾具以及工件工具支架等工藝裝置。

2 結(jié)果與討論

2.1 陰極裝置設(shè)計(jì)

針對軸的深長孔結(jié)構(gòu)，陰極設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)電解鏜工藝加工的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，在軸的電解鏜加工工藝設(shè)計(jì)中，軸以一定轉(zhuǎn)速均勻旋轉(zhuǎn)，陰極沿徑向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)材料的去除，因此陰極的加工刃沿整個(gè)深孔長度方向均布，同時(shí)為了避免非加工表面出現(xiàn)雜散腐蝕，需對陰極采取系統(tǒng)絕緣化設(shè)計(jì)，并通過仿真技術(shù)手段對陰極刃口結(jié)構(gòu)、過渡圓弧結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，形成滿足工藝設(shè)計(jì)需求的陰極裝置，設(shè)計(jì)的陰極如圖4所示，陰極除裸露金屬加工刃外，其余金屬部分采用絕緣熱縮管包裹，并用環(huán)氧樹脂螺釘固定。

圖4 陰極結(jié)構(gòu)及實(shí)物細(xì)節(jié)Fig.4 Electrode structure and physical details

2.1.1 內(nèi)噴式工具陰極刃的刃口優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于軸加工為深盲孔內(nèi)腔加工，電解液流場只能設(shè)計(jì)成內(nèi)噴式流場方式。而當(dāng)電解液從陰極刃中噴出，電解液將直接正沖噴射至工件內(nèi)壁上，在該區(qū)域電解液流場將非常雜亂。若在雜亂流場區(qū)域設(shè)計(jì)工具陰極刃，雜亂的流場極易導(dǎo)致流紋等表面缺陷，若加工中持續(xù)產(chǎn)生流紋，流紋局部突起較高時(shí)，將會導(dǎo)致陰陽極接觸發(fā)生短路，由此可見陰極的刃口的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

針對電解液噴射撞擊在工件陽極壁面造成電解液流場雜亂等問題，設(shè)計(jì)了“U”型陰極刃結(jié)構(gòu)，如圖5所示，選取陰極橫截面作為仿真研究對象，研究電解液從兩個(gè)陰極刃中間噴出時(shí)的流場情況，將截面模型導(dǎo)入COMSOL Multiphsics軟件進(jìn)行仿真分析，通過流場仿真分析和試驗(yàn)研究，將陰極刃設(shè)計(jì)在電解液噴射流場雜亂區(qū)兩側(cè)電解液流速較為均勻的區(qū)域，有效避免了由電解液流場雜亂導(dǎo)致的電解液流紋。

圖5 陰極刃結(jié)構(gòu)及電解液流速仿真圖Fig.5 Electrode edge structure simulation diagram of electrolyte flow rate

2.1.2 長陰極刃的電解液噴口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

由于電解鏜削加工區(qū)域較長(長約424 mm)，使陰極噴射出的電解液在整個(gè)加工區(qū)內(nèi)的流速應(yīng)盡可能均勻，且全區(qū)域的電解液流速滿足電解加工的需求，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電解鏜加工工藝的核心。

針對長噴口的工具陰極，開展了電解液流場仿真分析，流場三維模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示，通過分析不同流道漸變結(jié)構(gòu)和噴口寬度對噴出電解液流速的影響，掌握了噴口設(shè)計(jì)依據(jù)并進(jìn)行了噴口優(yōu)化，陰極噴射電解液的流速和流速穩(wěn)定性顯著提升，電解液流速能達(dá)到20 m/s，說明整個(gè)陰極輪廓設(shè)計(jì)合理，能讓加工區(qū)在加工中獲得很好的流場分布。

圖6 陰極噴口結(jié)構(gòu)流場仿真Fig.6 Flow field simulation of electrode nozzle structure

2.1.3 過渡圓弧的陰極輪廓設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在電解鏜加工過程中，內(nèi)腔與原壁面過渡圓弧區(qū)域位于陰極進(jìn)給方向的側(cè)面，該區(qū)域的加工與陰極刃的直邊加工不同，溶解始終是處于側(cè)面腐蝕的狀態(tài)，如何設(shè)計(jì)該區(qū)域的陰極形狀也是零件加工的難點(diǎn)之一。

針對電解鏜加工中過渡圓弧區(qū)域的陰極輪廓設(shè)計(jì)，采用電解加工動(dòng)態(tài)仿真分析方法，仿真模擬了不同工具陰極條件下過渡圓弧區(qū)域的電解加工成型過程，基于仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了過渡圓弧區(qū)域的工具陰極輪廓，如圖7所示。

圖7 過渡圓弧成型過程動(dòng)態(tài)仿真Fig.7 Dynamic simulation of transition arc forming process

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)選及產(chǎn)品加工

傳統(tǒng)電解加工方法均采用拷貝式加工模式，即工具陰極正對工件進(jìn)給，通過電解加工將陰極的形狀“拷貝”至工件上，整個(gè)加工過程中工件陽極的被加工位置始終處于高電流密度的高速溶解狀態(tài)。而電解鏜加工中，僅工件材料旋轉(zhuǎn)至正對工具陰極刃的時(shí)刻才進(jìn)入高電流密度溶解狀態(tài)，其后隨著工件的旋轉(zhuǎn)，工件材料轉(zhuǎn)離高電流密度區(qū)，進(jìn)入低電流密度的鈍化區(qū)，這種交替活化溶解、鈍化的材料溶解過程和傳統(tǒng)電解加工顯著不同。

通過不同轉(zhuǎn)速條件下材料的溶解工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電解鏜加工中工件轉(zhuǎn)速超過50 r/min時(shí)，材料出現(xiàn)了不正常溶解的情況，加工短路頻繁發(fā)生，這主要是材料進(jìn)入電解鈍化區(qū)，表面形成鈍化膜，由于轉(zhuǎn)速較高，進(jìn)入加工區(qū)的材料鈍化膜還沒有完全被溶解就離開了高電流密度區(qū)，因此材料主要表現(xiàn)為區(qū)域選擇性溶解，隨著工件進(jìn)給，陽極局部高點(diǎn)接觸陰極就會發(fā)生短路，燒傷工件，損毀工具。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速低于1 r/min時(shí)，內(nèi)腔壁厚的一致性(內(nèi)腔的圓度)較差。通過參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，最終將工件陽極轉(zhuǎn)速定在8 r/min，該狀態(tài)下材料能均勻溶解，且圓度較好。

在電解液濃度20%(硝酸鈉溶液)，電解液溫度29～33 ℃，電解液入口壓力0.3 MPa，電壓20 V、陰極進(jìn)給速度0.02 mm/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速8 r/min的加工條件下，試驗(yàn)件加工過程穩(wěn)定，試驗(yàn)件尺寸滿足要求，如圖8所示。

圖8 加工出的試驗(yàn)件Fig.8 Processed test parts

在加工過程中借助超聲波測厚儀測量零件剩余壁厚，根據(jù)剩余壁厚偏差值調(diào)整陰極沿軸向角度，消除沿軸向方向的深孔直徑偏差，加工出了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的合格產(chǎn)品，經(jīng)檢測直徑滿足圖紙要求，圓度優(yōu)于0.02 mm，與軸外圓同軸度優(yōu)于0.02 mm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)，正式產(chǎn)品如圖9所示。

圖9 加工出的正式產(chǎn)品Fig.9 A formal product produced by processing

3 結(jié)論

1)針對液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軸深長孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種工件旋轉(zhuǎn)、陰極可調(diào)整式隨動(dòng)進(jìn)給電解加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)難加工材料、大深徑比深盲孔的擴(kuò)孔加工，并解決了流場差異性對擴(kuò)孔精度的影響。

2)根據(jù)產(chǎn)品電解加工技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了工具陰極“U”型電極刃結(jié)構(gòu)，高電流密度電化學(xué)溶解避開了流場雜亂區(qū)域，有效避免了電解液流紋；經(jīng)過對噴口漸變流道結(jié)構(gòu)及噴口寬度優(yōu)化，顯著提升了電解液流速及流場穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品加工精度和穩(wěn)定性。

3)在20%濃度硝酸鈉溶液，電解液溫度29～33 ℃，電解液入口壓力0.3 MPa，電壓20 V、陰極進(jìn)給速度0.02 mm/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速8 r/min的加工條件下，加工出了圓度、同軸度優(yōu)于0.02 mm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm的軸深孔結(jié)構(gòu)。