電加工工藝在航空制造中的應用綜述

鄭鵬

（西安嘉隆機械設備有限公司，陜西 西安 710021）

電加工作為一種特種加工工藝，從發(fā)明到現(xiàn)在經(jīng)過了70余年的發(fā)展與研究，已從初期一般的穿孔切割、電火花表面強化、外形粗加工等邁向了更高級的階段。如今，因其在高硬度、異形、高精度等零件加工方面的出色表現(xiàn)，已廣泛用于機械制造的大行業(yè)中，特別是航空航天、軍品制造業(yè)。

1 電火花成型加工

1.1 加工原理研究

楊曉東、唐嘉靖[1]建立了一種有限元法（FEM）對放電坑形成熱液耦合數(shù)值模型進行了分析，該分析闡明了放電加工（EDM）中放電坑形成和材料去除過程。結(jié)果顯示：在電火花工作通電后不久，極高的熱功率密度導致物質(zhì)的熔化和蒸發(fā)，然后去除電極材料，在電極表面形成放電坑。在加工過程中，電極材料同時存在固體、液體、氣體三種形態(tài)，加熱區(qū)形成的流濺物質(zhì)則是材料被加工成型的機理之一。

J.F.Liu、Y.B.Guo[2]提出了一種新的解釋大量隨機放電的建模方法。隨著高頻隨機放電現(xiàn)象的出現(xiàn)，頂表面和地下表面的溫度歷史分布均表現(xiàn)出脈沖特性。表層以下溫度梯度較大，深層地下溫度梯度逐漸減小。

在電火花加工過程中，“白層”（WL）和熱影響區(qū)（HAZ）內(nèi)存在著復雜的相變。Liu[3]提出了一種數(shù)值方法來預測和分析電火花加工中WL和HAZ的形成機理以及相應的相變。隨著放電時間越長，馬氏體的體積分數(shù)就越大。且較高的放電能量會導致較厚的白層。

Krishna Kumar Saxena[5]利用多種方法相結(jié)合，對碳化硅微電火花加工的加工表面進行了表述，研究了材料去除和材料遷移機理。結(jié)果顯示，經(jīng)微加工的表面存在微尺寸的隕石坑、碎片、再生物質(zhì)和微空洞，表面粗糙度較高；且火花放電過程中材料的遷移是雙向的。

Wiessner[6]使用發(fā)射光譜模擬和電參數(shù)測量等方法，針對電火花在不同的介質(zhì)加工條件下產(chǎn)生的等離子體的性質(zhì)進行了研究。在石油和空氣中進行的電火花加工放電具有非常相似的電子溫度，但電子密度有很大的不同。此外，研究表明空氣中的等離子體主要由電極材料組成，而油中的電火花等離子體主要由介質(zhì)組成。

1.2 應用案例及發(fā)展趨勢

1.2.1 應用于氣膜冷卻孔的加工

氣膜冷卻結(jié)構(gòu)在降低葉片工作溫度，提高發(fā)動機性能上有著至關(guān)重要的作用，而氣膜孔則是氣膜結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分[7]。近年來發(fā)動機渦輪進口溫度提高了約500 k，渦輪葉片和導向葉片的高效冷卻技術(shù)就占了其中60%～70%[8]。佟浩等[9]提出了一種采用方形棒狀工具電極的擴散結(jié)構(gòu)電火花分塊成形加工工藝，解決了傳統(tǒng)電火花加工二次裝夾誤差以及小加工間隙加工液更新和排屑的問題，并通過對國內(nèi)外近十年的文獻分析，介紹了電火花成形加工在氣膜孔穿孔上的最新進展和創(chuàng)新思想。

1.2.2 應用于整體結(jié)構(gòu)葉盤加工

在現(xiàn)在航空發(fā)動機設計中，整體葉盤已經(jīng)成為了典型的整體結(jié)構(gòu)部件，它將葉片和葉盤設計為一體，直接加工成形，與傳統(tǒng)的加工完葉片和葉盤最后再組裝相比，減少了裝配時的誤差，同時省去了鎖緊裝置的加工，避免了氣流損失、減少了加工難度，并大大提高了發(fā)動機的可靠性能。組合電加工技術(shù)研究室梁為等[10]介紹了一種精密成形加工（EDM）和電子束熔融成形加工（EBM）制造整體葉盤的方法。其采用電子束熔融成形粗加工，再用電火花精加工葉片，如圖1；張志金等[11]介紹了一種由北京電加工研究所研制的一種精密數(shù)控電火花成型機（A30），在特定的工藝下，能夠有效地解決整體葉輪特別是大扭曲的葉輪型面和發(fā)動機整體閉式葉輪、帶葉冠整體渦輪盤等在電火花加工過程中的問題。

圖1 電火花加工整體葉盤

1.2.3 應用于導向葉片封嚴槽加工

在導向葉片的大小緣板上加工出封嚴槽能有效解決發(fā)動機封嚴效果不好，漏氣造成的損失，但封嚴槽的槽深較深，寬度較寬，而且精度要求較高，加上本身葉片的復雜結(jié)構(gòu)，導致了封嚴槽的加工難度，成型電火花加工后的導向葉片封嚴槽，如圖2所示。因此，在航空發(fā)動機導向葉片上的封嚴槽加工中同樣廣泛采用了電火花加工方法[12-14]。Maradia[15]介紹了一種將放電加工和電火花打孔加工組合的加工方式，實現(xiàn)了復雜形狀的封嚴槽加工。任鳳英另一項研究提出了一種利用兩個電極同時加工大緣板和小緣板封嚴槽的方法，大大提高了加工效率，同時，還提出了把紫銅電級更換成銅鎢合金，因銅鎢合金的強度大，變形小的特點，加工出的封嚴槽精度和合格率都有較大的提高。

圖2 成型電火花加工后的導向葉片封嚴槽

2 電化學加工

2.1 加工原理

電化學加工涉及多個物理場的耦合。其加工原理是利用陰陽兩極在電解液中的放電來實現(xiàn)加工，陰極為工具與電源負極相連，陽極為工件與電源正極相連。工具的形狀與所需加工工件形狀一致。在加工中，電解液在陰陽兩極間流動，工具陰極向工件進給的過程中會產(chǎn)生化學反應，工件在電化學反應過程中被電解。隨著工件材料的不斷溶解，陰極不斷地向陽極進給，陰極工具便將工件表面逐漸腐蝕成形。

2.2 應用案例

2.2.1 應用于異形腔體加工

閉式構(gòu)件在航空航天、武器裝備等高端制造領(lǐng)域應用廣泛，其具有較小的體積、緊湊的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量輕、可靠性好等優(yōu)點[16]，目前國外均將閉式結(jié)構(gòu)設計作為高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)探究的方向[17]。閉式結(jié)構(gòu)作為全世界的加工難點，主要有鑄造、數(shù)控、電加工等，但復雜的結(jié)構(gòu)和材料特性導致采用數(shù)控加工成本高且效率低，鑄造加工則難以保證較好的精度，目前更多的是采用電加工工藝。李博等[18]通過前期采用電加工方式對不銹鋼材料腔體進行加工（圖3）的試驗研究，得出最佳加工電壓為16 V，并且加工時間較單純采用電火花加工提高了近10倍。

圖3 完成腔體加工的樣件

2.2.2 應用于葉片、渦輪等的加工尹飛鴻[19]介紹了一種展成法電解加工工藝，該方法按照計算機指令加工，使形狀簡單的工具陰極進行復雜的展成成型運動，從而加工出復雜的工件。圖4為展成法電解加工的整體渦輪和葉片。這種方法應用于鈦合金葉片、航空發(fā)動機扭曲變截面整體渦輪、螺旋槳型面等。朱永偉等[20]分析研究了大扭曲度整體渦輪葉片型面利用展成電解加工時的成形規(guī)律，對多軸聯(lián)動數(shù)控編程程序進行了優(yōu)化，并對整體渦輪葉片進行了展成電解加工試驗，結(jié)果顯示：加工穩(wěn)定性很好，型面精度符合要求。

圖4 展成電解加工整體渦輪和葉片

2.3 應用過程優(yōu)化分析

電化學加工作為一種常規(guī)的制造技術(shù)，其主要優(yōu)點是材料去除率高，無刀具磨損，表面質(zhì)量好，無白層，無機械影響區(qū)域。在制造擴散器等航空部件時也因其經(jīng)濟、高效而被廣泛應用。擴散器通常由鎳基和鈦基合金制成，是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，朱棟等[21]對電化學加工中電解液的幾種流動模式對航空發(fā)動機擴散器加工的影響進行了研究，仿真模擬結(jié)果顯示：電解質(zhì)從前緣向后緣流動的模式下工藝穩(wěn)定，擴散樣品無流動標志。

電解加工作為航空發(fā)動機葉片中的重要加工方法，葉片電解加工工具陰極的設計與修正是提高葉片精度的關(guān)鍵技術(shù)，其采用了一種優(yōu)化算法的誤差反向傳播網(wǎng)絡（Back propagation，BP）技術(shù)，建立了基于優(yōu)化BP算法的數(shù)字化陰極修正網(wǎng)絡模型，通過試驗得出結(jié)論：在通過該加工工藝后，葉片的葉根和葉尖部位的精度提高了0.09 mm。其同時建立的變間隙陰極修正法數(shù)學模型，以分析加工間隙與陰極修正量的對應關(guān)系并進行了葉片電解試驗，結(jié)果表面在經(jīng)過3次修正后，葉片精度提高到0.05 mm[22-23]。

為了實現(xiàn)噴氣發(fā)動機的重量減輕和提高熱效率，Ti-6Al-4V和Inconel718等硬質(zhì)合金通常用于航空發(fā)動機的制造部件，Klocke F[24]利用WZL的基礎(chǔ)研究平臺，對應用于航空制造中的幾種鈦基合金和鎳基合金的進料速率-電流密度曲線進行了研究。根據(jù)法拉第定律，將實驗結(jié)果與理論進行了比較，結(jié)果顯示：對于鈦材料，有效材料去除率≈1.78 mm3；對于鎳基合金，材料的微觀結(jié)構(gòu)越細，其電化學加工性越好。所有分析的超合金均具有良好的加工性能，有效材料去除率為1.51～2.13 mm3。

伽馬鈦鋁化物（γ-TiAl）因其優(yōu)良的耐腐蝕性能、抗氧化性能和低密度性能，不斷地被應用到航空制造中，Klocke F[25]等研究了PECM（精密電化學加工）加工γ-TiAlTi-48Al-2Cr-2Nb試件的高循環(huán)疲勞（HCF）特性。在試件表面采用PEO（等離子體電解氧化）生成陶瓷層，可以提高材料的耐腐蝕性和耐熱性，并且對材料的疲勞特性沒有影響。

3 激光加工

美國研究開發(fā)的用皮秒激光直接加工帶熱障涂層的渦輪葉片異型氣膜冷卻孔的技術(shù)，避免了納秒激光、電火花二次加工方式導致的孔壁再鑄層、熱障涂層崩裂等缺陷，而且提高了加工效率[26]。GE公司研發(fā)中心在上世紀末對超快激光加工氣膜冷卻孔進行了研究，驗證了更短的激光脈沖寬度可以加工出更好質(zhì)量的小孔[27]。

Feng等[28]針對葉片氣膜冷卻孔加工，研究了在單晶鎳基高溫合金上用飛秒激光加工小孔，可以得到?jīng)]有組織缺陷的小孔。德國漢諾威激光中心同樣也應用飛秒激光在金屬材料上進行了沖擊加工小孔研究，結(jié)果表明，飛秒激光沖擊加工小孔能獲得無再鑄層的孔壁[29]。

LUMEAR公司在發(fā)動機葉片上開展了皮秒激光加工單晶渦輪葉片氣膜孔加工驗證[30]，應用脈沖寬度為10ps的激光，能夠得到孔形和孔壁質(zhì)量很高的零件，且孔壁異常光滑。

中國航空制造技術(shù)研究院研究員張曉兵等[31]，對超快激光加工葉片氣膜冷卻孔技術(shù)進行了研究，超快激光加工可以獲得孔壁幾乎無再鑄層的小孔，且針對表面有熱障涂層的葉片，不但可以實現(xiàn)先涂層后制孔，而且可以保證涂層無分層、開裂、明顯崩塊等缺陷。

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司李杰等[32]，采用飛秒激光微加工技術(shù)與實時穿透感知技術(shù)和葉片自適應定位技術(shù)相結(jié)合后，實現(xiàn)了發(fā)動機單晶渦輪工作葉片的氣膜孔制造。

4 組合加工

航空發(fā)動機中零件種類繁多，各類型的動靜葉葉片，各種復雜的型面和各類材料不一致，導致不可能只采用一種方法就能解決各種復雜結(jié)構(gòu)件和葉片所面臨的加工問題，必須根據(jù)零件產(chǎn)品的原材料、形狀和具體結(jié)構(gòu)選擇合適的加工方法。

陳陽等[33]介紹了一種激光加工和電火花加工組合加工某機高壓渦輪導向葉片進排氣邊氣膜孔的方法，與傳統(tǒng)的單獨采用激光加工或電火花加工比較，不僅提高了加工效率，而且有效地解決了氣膜孔位置度難以保證的問題，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。趙建社等[34]對幾種典型的閉式整體構(gòu)件的整體制造進行了研究，通過試驗對加工方案進行驗證，得出結(jié)論：采用組合電加工技術(shù)相對于單獨采用電火花加工綜合效率提高了40%，而且電極損耗也明顯改善。

目前的先進航空發(fā)動機渦輪葉片設計中，為了提高葉片的耐高溫性、耐腐蝕性和可靠性，多為帶有熱障涂層的金屬基材料，王志浩[35]等利用電鍍金剛石鉆削與電火花小孔加工組合加工的方法，對表面涂覆氧化鋯的鈦合金復合材料采用間歇性放電的梳狀波連續(xù)打孔加工，得出結(jié)論：應用該組合加工解決了之前二次加工孔難以精確定位，難以保證金屬基體孔與涂層孔空間位置同軸及尺寸一致的問題。Jerzy Kozak[36]等研究了一種磨料放電研磨工藝（AEDG），把電火花加工和磨削加工組合起來，和傳統(tǒng)磨削相，該工藝降低了磨削力，減少了刀具損耗，對一些難加工材料的去除率也有明顯提高。

5 電加工發(fā)展趨勢

近年來，各大高校提出的電加工新工藝，如：清華大學寇兆軍提出的移動式電弧銑削、上海交通大學康小明設計的使用簡化電極加工某閉式整體葉盤工藝等，以及應用于非導電材料領(lǐng)域的沉淀工藝都給未來電加工的發(fā)展指出了方向。但電加工因其復雜的加工機理，許多設想成果需要借助大量的試驗模擬來完成。所以，不斷地對電加工機理進行深入研究，并根據(jù)模擬結(jié)果來指導實際生產(chǎn)，精細化模擬與實際的差別，不斷開發(fā)新工藝，提高電加工的穩(wěn)定性和精度，實現(xiàn)自動化和數(shù)字化將是電加工技術(shù)未來的發(fā)展方向。

6 總結(jié)

電加工技術(shù)現(xiàn)如今發(fā)展迅速，并且廣泛地應用在了航空及國防工業(yè)領(lǐng)域，除以上提到的電加工工藝，還有許多諸如：電弧加工、超聲加工、細微電化學加工和高能束流加工同樣在航空制造中發(fā)揮著舉足輕重的作用。電加工技術(shù)因其特殊的加工特性，能有效解決傳統(tǒng)加工手段不能或難以解決的制造難題。并且，隨著我國航空技術(shù)的發(fā)展，未來電加工技術(shù)同樣會在該領(lǐng)域發(fā)揮它獨特的優(yōu)勢，成為航空制造技術(shù)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。