航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脈動(dòng)分步精密電解加工方法研究*

徐正揚(yáng)，王京濤，劉 嘉，朱 棟，魏浩迪

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”[1–2]。發(fā)動(dòng)機(jī)中存在大量葉片、整體葉盤、擴(kuò)壓器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其型面扭曲、葉身超薄、進(jìn)排氣邊緣曲率變化劇烈，且材料多為鎳基高溫合金、鈦合金等難切削材料，加之其制造精度和表面質(zhì)量要求極高，這些特點(diǎn)給制造帶來巨大挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng)切削方法加工此類零部件時(shí)常常存在問題，如加工應(yīng)力、微裂紋和刀具磨損等[3–5]。此外，整體葉盤葉柵通道窄、開敞性差等因素也制約了傳統(tǒng)切削方法的效率和經(jīng)濟(jì)性。電解加工是基于電化學(xué)溶解原理，借助于成型的工具電極，將工件按照一定的形狀和尺寸加工成形的一種非常規(guī)加工方法[6]，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如可加工性與工件材料力學(xué)性能無關(guān)、無工具損耗、無重鑄層、少無加工力、生產(chǎn)效率高、可批量生產(chǎn)等。由于這些特點(diǎn)，電解加工在航空強(qiáng)國受到普遍重視。如德國MTU、英國羅·羅公司和美國Teleflex·Aerospace 公司都將電解加工作為葉片、整體葉盤、機(jī)匣等關(guān)鍵部件的首選制造技術(shù)[7]。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)發(fā)展和不斷改型升級，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤等關(guān)鍵零部件的精度要求日益提高，給電解加工技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。制約宏觀電解加工精度提升主要有兩點(diǎn)原因： （1）加工間隙中各類產(chǎn)物沿電解液流程積累，影響了間隙內(nèi)電場、流場和電化學(xué)場的分布；（2）無法準(zhǔn)確地描述間隙內(nèi)電導(dǎo)率的變化規(guī)律，不能準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測極間間隙分布，制約了工具形狀的精確設(shè)計(jì)。近年來，許多學(xué)者在這兩方面開展了研究工作，例如，采用工具電極輔以周期性振動(dòng)的電解加工模式，使加工間隙交替擴(kuò)大和縮小，以強(qiáng)化加工間隙內(nèi)各類產(chǎn)物的輸運(yùn)，改善電解液的流動(dòng)狀態(tài)和電導(dǎo)率分布。Schaarschmidt 等[8]建立了振動(dòng)進(jìn)給電解加工的多物理場模型，預(yù)測了工件最終加工的形狀輪廓。Liu[9]和Fang[10]等在電解加工中引入工具電極振動(dòng)強(qiáng)化了電解質(zhì)更新及電解產(chǎn)物的輸運(yùn)。此外，高頻脈沖電源替代直流電源強(qiáng)化了電解產(chǎn)物的更新，改善了電化學(xué)溶解定域性。Volgin 等[11]分析了脈沖開啟和脈沖關(guān)閉時(shí)間對超短脈沖電解加工的影響，建立了雙電層充電時(shí)間的近似解析模型。Lyubimov等[12]研究表明，使用脈沖電流可以減小加工間隙，提高加工精度。在葉片或整體葉盤電解加工技術(shù)上，國內(nèi)外開展了大量的研究，如Demirtas[13]和Paczkowski[14]等提出了一種高曲率自由曲面電解加工陰極輪廓的數(shù)學(xué)模型，求解工具陰極設(shè)計(jì)輪廓。國內(nèi)有南京航空航天大學(xué)、中國航空制造技術(shù)研究院、沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司等長期進(jìn)行系統(tǒng)的研究。南京航空航天大學(xué)朱荻等[15]開展了整體葉盤、葉片和機(jī)匣的脈動(dòng)態(tài)電解加工，有效提升了整體葉盤的電解加工精度和加工穩(wěn)定性，取得了實(shí)質(zhì)性的突破。Wang 等[16]開展了鈦鋁葉片的電解加工研究，解決了鈦鋁葉片電解加工表面的缺陷，表面質(zhì)量得到明顯改善。張曉博[17]、Lei[18]等開展了葉型彎扭、通道狹小的整體葉盤薄壁葉片的旋轉(zhuǎn)偏移套料電解加工，余量差顯著減小。Wang 等[19]提出了工具陰極和工件協(xié)同旋轉(zhuǎn)進(jìn)給方法，提升了整體葉盤葉柵通道電解預(yù)加工的余量均勻性。此外，中國航空制造技術(shù)研究院針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)整流器開展了精密振動(dòng)電解加工研究，優(yōu)化了工藝參數(shù)，加工出的葉型輪廓度誤差可達(dá)– 0.023～0.025 mm，表面粗糙度達(dá)到Ra0.55 μm[20]。沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司開展了精密電解套料陰極設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，解決了套料電解加工中流場不均等問題[21]。

目前，在整體葉盤或葉片精密電解加工中，葉盆工具電極和葉背工具電極分別沿著最優(yōu)進(jìn)給方向相向進(jìn)給，同時(shí)加工出葉身型面以及進(jìn)排氣邊。此時(shí)葉身型面法線方向與工具電極進(jìn)給方向夾角通常小于45°，為端面加工，葉型精度可得到較好保證，然而進(jìn)排氣邊的法線方向與工具電極進(jìn)給方向夾角接近90°，為側(cè)向加工，輪廓精度很難精確控制。為了進(jìn)一步提升復(fù)雜葉片型面電解加工精度，同時(shí)保證和提升進(jìn)排氣邊特殊區(qū)域的加工精度，本文提出了脈動(dòng)分步精密電解加工方法。在葉片電解加工過程中，先采用脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)模式進(jìn)行葉身型面精密電解加工，然后采用微量脈沖切向電解加工模式進(jìn)行進(jìn)排氣邊加工，有效實(shí)現(xiàn)了葉片全輪廓高精度電解加工。

1 脈動(dòng)分步精密電解加工方法

為了提高葉片全輪廓加工精度，提出了脈動(dòng)分步精密電解加工方法，原理如圖1 所示。在葉片電解加工過程中，先采用脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)模式進(jìn)行葉身型面精密電解加工，并在進(jìn)排氣邊保留一定加工余量，隨后采用微量脈沖切向電解加工模式進(jìn)行進(jìn)排氣邊加工。在葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)加工過程中，葉盆工具電極和葉背工具電極分別面向葉片毛坯沿最優(yōu)進(jìn)給方向做勻速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)+周期性往復(fù)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在振動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)加工間隙達(dá)到最小值附近時(shí)進(jìn)行通電加工，其余時(shí)刻斷電，使間隙內(nèi)的溶液獲得徹底更新。在進(jìn)排氣邊切向電解加工過程中，首先將葉片不同截面輪廓投影到同一平面上，在截面輪廓中繪制若干內(nèi)切圓，然后將所有內(nèi)切圓圓心從進(jìn)氣邊到排氣邊依次連接構(gòu)成中弧線，在中弧線與進(jìn)氣邊、排氣邊交點(diǎn)處向輪廓外側(cè)做中弧線切線，取該切線方向作為中弧線矢量方向。定義進(jìn)排氣邊工具電極最優(yōu)進(jìn)給方向?yàn)樽畲笾谢【€矢量方向vuper和最小中弧線矢量方向vlower的角平分線。進(jìn)氣邊工具電極和排氣邊工具電極分別沿最優(yōu)進(jìn)給方向進(jìn)給，通過微量脈沖電解加工模式完成葉片進(jìn)排氣邊加工。

圖1 脈動(dòng)分步精密電解加工方法Fig.1 Pulsant stepwise precision electrochemical machining

2 葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工模式

脈動(dòng)分步精密電解加工方法中，首先利用脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工模式進(jìn)行葉身型面加工，其原理如圖2 所示。脈動(dòng)態(tài)，是指在勻速進(jìn)給的工具電極上疊加一個(gè)頻率數(shù)為10 Hz 的微幅振動(dòng)，當(dāng)工具電極與陽極工件之間的加工間隙達(dá)到最小值附近時(shí)施加微量脈沖電流，進(jìn)行電解加工，其余時(shí)刻斷電使得間隙內(nèi)的溶液獲得徹底更新。其優(yōu)勢在于陽極溶解始終發(fā)生在間隙最小值附近，可獲得更高的加工精度。其次，在極短暫的加工周期內(nèi)加工產(chǎn)物積累少，加工產(chǎn)物在脈動(dòng)周期的間歇期間足以“重新清零”，提高了加工狀態(tài)的一致性，并使得微小間隙得以實(shí)現(xiàn)。所謂變參數(shù)，是指在提升精度的同時(shí)，為了兼顧加工效率和穩(wěn)定性，將工藝過程分為預(yù)成型階段和小間隙精密成型階段兩個(gè)不同階段。在預(yù)成型階段，采用超長脈沖電流匹配大振幅來均勻葉片毛坯的余量分布，并確保加工的高效率。在小間隙精密成型階段，則采用超短脈沖電流匹配微振幅，實(shí)現(xiàn)葉身型面的小間隙精密電解加工，得到更為精確的葉身型面。

圖2 葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工Fig.2 Pulsant dynamic variable parameter electrochemical machining of blade profile

在葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工過程中，電解液流場狀態(tài)會(huì)隨著葉盆工具電極和葉背工具電極的振動(dòng)進(jìn)給而產(chǎn)生變化。為了解決傳統(tǒng)徑向流動(dòng)模式下電解液存在被動(dòng)分流的弊端，提出了一種主動(dòng)分流式徑向流場模式。主動(dòng)分流，是指電解液從葉尖被主動(dòng)分成兩股液流，使流入葉盆和葉背的電解液流量得以主動(dòng)控制，如圖3 所示。根據(jù)葉尖輪廓中弧線設(shè)計(jì)了分流裝置，分流裝置呈楔形狀，其前端厚度和最終葉片的厚度一致。此外，根據(jù)葉盆截面線和葉背截面線設(shè)計(jì)電解液導(dǎo)流裝置，引導(dǎo)電解液有序流入加工區(qū)域，導(dǎo)流裝置可以與工具電極同步振動(dòng)進(jìn)給。該流場模式的最大優(yōu)勢為在葉片最終成型階段電解液與葉尖之間的碰撞被有效消除，有效解決了葉片尖端被動(dòng)分離電解液和流量分布不均勻的問題，提高了加工穩(wěn)定性。

圖3 傳統(tǒng)徑向流場與主動(dòng)分流式徑向流場對比Fig.3 Comparison of traditional radial flow field and active diversion radial flow field

針對電解液主動(dòng)分流式徑向流動(dòng)模式開展了流場仿真研究。電解液入口和出液口背壓分別為0.95 MPa 和0.15 MPa。圖4（a）為加工區(qū)的壓力云圖，可以看出，壓力損失沿電解液入口到出口的流動(dòng)方向逐漸增加。整個(gè)流場模式?jīng)]有負(fù)壓，這有利于促進(jìn)電解液的有序流動(dòng)，提高葉身型面加工的穩(wěn)定性。研究已表明，加工區(qū)流道無負(fù)壓時(shí)，電解加工更穩(wěn)定[22]。圖4（b）為加工區(qū)的速度云圖，加工區(qū)域相對于非加工區(qū)域具有較高的流速，以滿足葉身型面高加工精度的要求。葉盆和葉背加工區(qū)域的速度分布如圖4（c）所示，可以看出，電解液流入葉盆和葉背的速度大于15.5 m/s。根據(jù)Wang 等[23]的研究，電解加工中電解液的流速范圍一般為10～60 m/s。因此，該模型下電解液的流速足以快速?zèng)_走加工區(qū)域中的電解產(chǎn)物、氣泡和焦耳熱，滿足葉片電解加工對電解液流速的需求。

圖4 主動(dòng)分流式徑向流場仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of active diversion radial flow field

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金（GH4169）葉片為對象，采用電解液主動(dòng)分流式徑向流動(dòng)模式進(jìn)行葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工工藝試驗(yàn)。葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工采用兩步變參數(shù)電解加工策略，分別為預(yù)成型階段和小間隙精密成型階段，如圖5 所示。在第1 步預(yù)成型階段中，采用占空比5/12、振動(dòng)幅度0.4 mm 和進(jìn)給速度0.12 mm/min 的大參數(shù)進(jìn)行脈動(dòng)態(tài)電解加工，實(shí)現(xiàn)葉身毛坯的大余量去除和葉身型面預(yù)成型，保證加工的穩(wěn)定性和高效率；在第2步小間隙精密成型階段中，采用占空比1/12、振動(dòng)幅度0.2 mm 和進(jìn)給速度0.05 mm/min 的小參數(shù)進(jìn)行脈動(dòng)態(tài)電解加工，實(shí)現(xiàn)葉身型面的高精度成型。這兩個(gè)加工步驟是連續(xù)進(jìn)行的，即在第1 步結(jié)束后只需自動(dòng)調(diào)整部分參數(shù)，即可開始第2 步加工。詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 脈動(dòng)分步精密電解加工參數(shù)Table 1 Pulsant stepwise precision electrochemical machining parameters

圖5 葉身型面兩步變參數(shù)脈動(dòng)態(tài)電解加工策略示意圖Fig.5 Schematic diagram of two-step pulsant dynamic variable parameter electrochemical machining of blade profile

圖6 為使用脈動(dòng)態(tài)兩步變參數(shù)電解加工制造的葉片樣品?？梢钥闯?，葉片表面非常光滑，沒有流痕和短路燒傷等加工缺陷。為了更準(zhǔn)確地表征葉身型面的表面質(zhì)量和加工精度，從葉根到葉尖依次在葉盆型面和葉背型面上選取了5 條測量線 （測量線1、 測量線2、 測量線3、 測量線4 和 測量線5），該測量線與葉片底座的高度位置尺寸分別為32 mm、38 mm、44 mm、50 mm、56 mm。經(jīng)表面粗糙度儀檢測獲得了葉身型面測量線處的表面粗糙度，可以看出葉盆型面的表面粗糙度為Ra0.333～0.362 μm，葉背型面的表面粗糙度為Ra0.287～0.358 μm。此外，采用等距采樣的測量方法，從排氣邊到進(jìn)氣邊方向，依次對葉盆型面和葉背型面測量線處的輪廓偏差進(jìn)行測量，型面采樣距離為30 mm，經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)檢測獲得了葉身型面的誤差分布?？梢钥闯觯~盆型面的輪廓度誤差為– 0.013～0.025 mm，葉背型面的輪廓度誤差為– 0.003～0.030 mm，其具體的誤差分布如圖7 所示。綜上所述，采用脈動(dòng)態(tài)兩步變參數(shù)電解加工模式制造的葉片具有較高的表面質(zhì)量和葉型輪廓精度。

圖6 電解加工葉片實(shí)物和表面粗糙度結(jié)果Fig.6 Electrochemical machining blades sample and surface roughness results

圖7 電解加工葉片的輪廓精度Fig.7 Contour accuracy of electrochemical machined blade

3 葉片進(jìn)排氣邊微量脈沖切向電解加工方法

葉身型面加工完畢后，進(jìn)排氣邊留有一定的余量，此時(shí)采用微量脈沖切向電解加工方法進(jìn)行進(jìn)排氣邊的加工。該方法是工具電極沿切向進(jìn)給，以間歇式微量電流模式進(jìn)行周期斷續(xù)的電化學(xué)溶解，如圖8 所示。它利用脈間的斷電間歇去極化、散熱，使間隙內(nèi)的電化學(xué)特性、流場、電場分布恢復(fù)起始狀態(tài)。在加工過程中，進(jìn)氣邊工具電極和排氣邊工具電極分別沿中弧線端部的角平均線向進(jìn)氣邊/排氣邊進(jìn)給，電解液流動(dòng)方式采用從進(jìn)排氣邊一側(cè)流入，翻過進(jìn)排氣邊流至另一側(cè)的側(cè)流式流場方式。加工過程中脈寬通電加工時(shí)間盡量短暫，避免造成產(chǎn)物的顯著積累；脈間斷電時(shí)間適當(dāng)延長，使得間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物在脈沖間歇期間能夠及時(shí)排出。該方法最大的優(yōu)勢有3 點(diǎn)：一是可實(shí)現(xiàn)小間隙加工，提高工件加工精度；二是進(jìn)排氣邊在其加工過程中始終處于法向溶解狀態(tài)，且進(jìn)排氣邊附近不存在開口電場和開口流場；三是由于電解液流程極短，可大大降低產(chǎn)物、氣泡以及溫度變化對加工過程的影響，提升加工的穩(wěn)定性和加工精度。

圖8 進(jìn)排氣邊微量脈沖切向電解加工Fig.8 Sketch of tangential feeding electrochemical machining with micro energy pulse

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金（GH4169）葉片為對象，開展了葉片進(jìn)排氣邊微量脈沖切向電解加工試驗(yàn)研究，試驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 微量脈沖切向電解加工參數(shù)Table 2 Tangential feeding electrochemical machining parameters with micro energy pulse

整個(gè)進(jìn)排氣邊微量脈沖切向電解加工過程穩(wěn)定，無火花放電以及短路等不良現(xiàn)象。加工完成后獲得了理想的進(jìn)排氣邊輪廓，如圖9 所示。采用等距采樣的測量方法，從葉盆側(cè)翻過進(jìn)排氣邊到葉背側(cè)方向，依次對進(jìn)氣邊和排氣邊測量線2 處的加工圓弧進(jìn)行測量，圓弧采樣距離為0.2 mm，經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)檢測獲得了葉片進(jìn)排氣邊的誤差分布?？梢钥闯?，進(jìn)氣邊輪廓度誤差為– 0.034～0.041 mm，排氣邊輪廓度誤差為– 0.038～0.034 mm。同時(shí)，在測量線2 位置切割葉片后，使用數(shù)字顯微鏡觀察進(jìn)排氣邊輪廓的橫截面，可以看出葉片進(jìn)排氣邊圓弧平滑，未出現(xiàn)尖銳、平鈍或者偏頭等形狀突變現(xiàn)象。

圖9 帶有進(jìn)排氣邊結(jié)構(gòu)的完整葉片F(xiàn)ig.9 Machining results of the complete blade with leading and trailing edges

4 結(jié)論

（1）本文提出了葉片脈動(dòng)分步精密電解加工方法，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜型面葉片/整體葉盤的精密電解加工，有效提升了葉型全輪廓的加工精度。

（2）針對葉身型面加工提出了脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工策略，進(jìn)一步提升了葉片表面的輪廓精度和表面質(zhì)量。結(jié)果表明，葉盆型面和葉背型面的表面粗糙度分別為Ra0.333 μm 和Ra0.287 μm，輪廓度加工誤差分別為– 0.013～0.025 mm 和– 0.003～0.030 mm。

（3）針對進(jìn)排氣邊加工提出了一種微量脈沖切向電解加工方法，進(jìn)一步提升了葉片進(jìn)排氣邊加工精度。結(jié)果表明，進(jìn)氣邊輪廓度誤差為– 0.034～0.041 mm，排氣邊輪廓度誤差為– 0.038～0.034 mm。

（4）提出了一種電解液主動(dòng)分流式徑向流動(dòng)模式，有效消除了傳統(tǒng)徑向流動(dòng)模式中被動(dòng)分流與流量分布不均的問題，進(jìn)一步提升了葉身型面脈動(dòng)態(tài)變參數(shù)電解加工的穩(wěn)定性。