旋印電解加工

朱 荻，王登勇，朱增偉

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 南京 210016）

機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的連接、承載部件，起著支撐轉(zhuǎn)子和固定靜子的作用（圖1）。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，機(jī)匣承受氣體負(fù)載、質(zhì)量慣性力及溫差引起的熱載荷，工作環(huán)境惡劣。機(jī)匣通常由鈦合金、高溫合金等難加工材料制成；有些機(jī)匣直徑高達(dá)1 m 以上，壁厚薄至1 mm，剛性很差；機(jī)匣外型面復(fù)雜，分布有大量形狀各異的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者從承力和輕量化考慮，對(duì)機(jī)匣的輪廓尺寸精度和壁厚均勻性有著嚴(yán)苛的技術(shù)要求。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)中不同部位的機(jī)匣[1]Fig.1 Casings located in different parts of an aero-engine[1]

機(jī)匣壁薄剛性弱、材料難加工的特點(diǎn)給其制造帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。采用常規(guī)銑削加工時(shí)不僅刀具損耗大、加工周期長(zhǎng)［2］，而且加工變形問(wèn)題突出，某型發(fā)動(dòng)機(jī)高溫鎳基合金機(jī)匣采用常規(guī)銑削后變形量高達(dá)0.46 mm［3］。為避免大型薄壁機(jī)匣銑削加工變形問(wèn)題，研究人員嘗試采用化學(xué)銑削?；姴划a(chǎn)生加工應(yīng)力，但是它采用強(qiáng)腐蝕性溶液［4］，溶液的維護(hù)非常困難，廢液會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。更重要的是，在化學(xué)銑削過(guò)程中，機(jī)匣不同部位的腐蝕速率難以精確控制，加工出的零件壁厚一致性差，難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的精度要求。

電解加工是基于陽(yáng)極溶解原理實(shí)現(xiàn)材料去除的加工技術(shù)，具有加工過(guò)程無(wú)應(yīng)力和工具損耗、不受材料力學(xué)性能限制、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)［5］，在歐美已成為機(jī)匣制造的重要手段［6］。如圖2 所示，歐美主要采用逐段加工方法，將機(jī)匣沿圓周分為若干區(qū)段，采用多個(gè)仿形塊狀電極依次加工出各個(gè)區(qū)段的型面輪廓。該方法相比于切削和化銑提高了加工效率和精度，但仍然存在以下問(wèn)題：（1）逐段加工時(shí)，各段的加工間隙很難保證一致。加工間隙受加工產(chǎn)物（陰極析出的氫氣、電解液溫升、陽(yáng)極蝕除物）影響，加工過(guò)程諸參數(shù)（加工電壓、工具進(jìn)給速度、電解液壓力）的波動(dòng)也會(huì)造成加工間隙的隨機(jī)性波動(dòng)，間隙的波動(dòng)直接影響到機(jī)匣壁厚。因此，分段加工法難以精確控制機(jī)匣壁厚的一致性。實(shí)際應(yīng)用中，分段加工壁厚一致性很難控制在0.3 mm 之內(nèi)。（2）采用逐段加工方式，相鄰區(qū)段之間會(huì)留下“接刀痕”。另外，在工具出水縫對(duì)應(yīng)的工件表面上會(huì)留下“出水口痕”。這些脊?fàn)钔蛊鸷圹E需通過(guò)后續(xù)精細(xì)加工去除，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

圖2 國(guó)外采用的機(jī)匣逐段電解加工原理圖Fig.2 Schematic diagram of block-by-block electrochemical machining of casing part used abroad

隨著新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣型面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；為了輕量化，機(jī)匣壁厚進(jìn)一步減薄，加工精度要求更為苛刻，其制造難度將顯著加大。大型薄壁機(jī)匣的高效精密制造已成為制約新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)的瓶頸，迫切需要尋求先進(jìn)的制造技術(shù)。

1 旋印電解加工技術(shù)原理與特點(diǎn)

針對(duì)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型薄壁機(jī)匣的制造難題，筆者提出了旋印電解加工技術(shù)［7-8］。旋印電解加工的基本原理如圖3 所示：工具陰極為薄壁狀回轉(zhuǎn)體，薄壁上有特定形狀鏤空窗口，加工時(shí)陽(yáng)極工件與陰極工具之間留有加工間隙，兩電極以相同的角速度逆向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)陰極工具沿兩電極中心連線方向不斷進(jìn)給，電解液從陰陽(yáng)極之間高速流過(guò)。在施加低壓直流電壓后，陽(yáng)極表面大部分區(qū)域材料被電化學(xué)溶解去除，而陰極窗口所對(duì)應(yīng)區(qū)域的材料不被溶解即形狀保持不變，隨著加工的持續(xù)逐漸“長(zhǎng)”出凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。按照兩電極旋轉(zhuǎn)、工具外輪廓形狀近似轉(zhuǎn)印到工件上的過(guò)程特點(diǎn)，將這一技術(shù)稱為旋印電解加工。

圖3 旋印電解加工原理圖Fig.3 Principle of counter-rotating electrochemical machining

與歐美等國(guó)采用的逐段電解加工法相比，旋印電解加工在原理上具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：（1）材料在對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)程中被逐層溶解，每一層的厚度可控制在微米尺度，因此壁厚可以精確控制。（2）加工過(guò)程中使用回轉(zhuǎn)體工具電極，無(wú)須更換電極就可實(shí)現(xiàn)全型面加工。加工表面光滑連續(xù)，無(wú)“出水痕”“接刀痕”，無(wú)須后續(xù)去除。（3）工件表面材料被逐層蝕除，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力得到緩慢均勻釋放，避免了逐段加工方法因局部材料去除多而造成變形。

2 科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)

旋印電解加工法是一種全新的加工模式，其工件成形過(guò)程、材料電化學(xué)溶解行為、工具電極結(jié)構(gòu)、電解液供液方式以及機(jī)床裝備都不同于常規(guī)電解加工。欲實(shí)現(xiàn)旋印電解加工，需要解決若干基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要有旋印電解加工成型規(guī)律、陰極工具設(shè)計(jì)方法、大占空比電化學(xué)溶解機(jī)制、電解液流場(chǎng)設(shè)計(jì)，以及研發(fā)特殊的機(jī)床裝備。

2.1 旋印電解加工成型規(guī)律與陰極工具設(shè)計(jì)

旋印電解加工成形過(guò)程與常規(guī)電解加工存在顯著差異。筆者建立了旋印電解加工電極運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和材料溶解數(shù)學(xué)模型，將電極運(yùn)動(dòng)過(guò)程等效為陰極工具自轉(zhuǎn)、繞工件中心公轉(zhuǎn)、沿連心線方向進(jìn)給3個(gè)分運(yùn)動(dòng)的合成，通過(guò)仿真獲得了陽(yáng)極工件表面凸臺(tái)輪廓成形過(guò)程，揭示了旋印電解加工間隙演變規(guī)律和陽(yáng)極輪廓成形規(guī)律［9-10］。研究發(fā)現(xiàn)，在恒速進(jìn)給條件下，旋印電解加工在經(jīng)歷初始過(guò)渡階段后，會(huì)進(jìn)入準(zhǔn)平衡態(tài)加工，在該狀態(tài)下材料沿徑向的蝕除速率始終略高于陰極工具進(jìn)給速率，導(dǎo)致加工間隙近似呈線性緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；凸臺(tái)成形輪廓與陰極工具運(yùn)動(dòng)軌跡密切相關(guān)，通過(guò)選擇不同的陰極工具半徑能夠分別獲得側(cè)壁為正錐、豎直、倒錐的凸臺(tái)輪廓（圖4）。

圖4 旋印電解加工數(shù)學(xué)理論模型及成形規(guī)律Fig.4 Mathematical model and shaping regularity of counter-rotating electrochemical machining

通過(guò)對(duì)不同寬度的凸臺(tái)輪廓仿真研究發(fā)現(xiàn)，不同寬度下的凸臺(tái)輪廓及所對(duì)應(yīng)的陰極窗口運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò)旋轉(zhuǎn)一定的角度均能夠重合。為此，針對(duì)具有變截面復(fù)雜形狀的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)提出基于角度偏置的變截面陰極窗口輪廓快速設(shè)計(jì)方法，根據(jù)某一寬度凸臺(tái)輪廓與陰極窗口尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可計(jì)算獲得任一截面窗口尺寸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陰極窗口輪廓的快速設(shè)計(jì)（圖5）。采用所設(shè)計(jì)的陰極工具進(jìn)行加工試驗(yàn)研制，實(shí)現(xiàn)了工件表面圓柱形和“心形”凸臺(tái)的精密加工，凸臺(tái)輪廓精度可控制在±0.1 mm 以內(nèi)［8，11］。

圖5 旋印電解加工陰極工具設(shè)計(jì)Fig.5 Cathode design in counter-rotating electrochemical machining

2.2 鈦合金等難加工材料脈動(dòng)態(tài)電化學(xué)溶解機(jī)理與點(diǎn)蝕抑制

在旋印電解加工中，陽(yáng)極工件表面旋入加工區(qū)后開始溶解，旋出加工區(qū)后停止溶解，就工件表面特定一點(diǎn)而言，材料隨著電極的旋轉(zhuǎn)處于電流密度交替變化的脈動(dòng)態(tài)溶解狀態(tài)，這與常規(guī)拷貝式電解加工的小間隙、高電流密度溶解過(guò)程存在很大差異。研究建立了旋印電解脈動(dòng)態(tài)溶解試驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建了相應(yīng)的溶解特性理論模型［12］（圖6），揭示了材料在交變電流下溶解表面鈍化→點(diǎn)蝕→鈍化演變機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金等易鈍性材料在對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)程中受鈍化作用影響顯著，加工表面易產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差。

圖6 鈦合金材料在交替電流密度下溶解特性模型Fig.6 Model of anodic dissolution characteristics of titanium alloy at alternating current densities

為抑制鈦合金加工表面點(diǎn)蝕，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了輔助電極電場(chǎng)調(diào)控的創(chuàng)新方法［13］，通過(guò)在非加工區(qū)周圍合理配置具有更高電位的輔助電極，將非加工區(qū)工件表面轉(zhuǎn)“陽(yáng)”為“陰”，有效抑制了鈦合金鈍化作用，使得加工表面點(diǎn)蝕得到消除，顯著提升了加工表面質(zhì)量（圖7）。

圖7 輔助電極電場(chǎng)調(diào)控抑制鈦合金點(diǎn)蝕原理及效果Fig.7 Principle and effect of electric field regulation of auxiliary electrode on inhibiting pitting corrosion of titanium alloy

2.3 對(duì)轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)雜間隙內(nèi)電解液流場(chǎng)分布特性與優(yōu)化設(shè)計(jì)

電解液流場(chǎng)分布狀態(tài)是影響電解加工材料溶解過(guò)程的關(guān)鍵因素。研究團(tuán)隊(duì)建立了表征對(duì)轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)雜變間隙內(nèi)電解液流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，揭示了工件凸臺(tái)與工具窗口“嚙合”過(guò)程中流場(chǎng)分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，由于凸臺(tái)的阻擋繞流作用，采用側(cè)流式供液模式時(shí)，凸臺(tái)背液區(qū)的流速顯著下降，局部還會(huì)出現(xiàn)“渦流”（圖8），會(huì)使得這個(gè)區(qū)域加工產(chǎn)物不易排出，影響凸臺(tái)背液區(qū)的材料溶解，甚至?xí)?dǎo)致局部發(fā)生短路燒傷現(xiàn)象（圖9（a））。

圖8 旋印電解加工間隙內(nèi)流場(chǎng)演變過(guò)程Fig.8 Evolution of flow field within inter-electrode gap during counter-rotating electrochemical machining

為此，研究團(tuán)隊(duì)提出側(cè)流+內(nèi)部輔助供液流場(chǎng)加工新方法［14］（圖10），通過(guò)在陰極工具內(nèi)部添加輔助供液流道，強(qiáng)化凸臺(tái)背液區(qū)加工產(chǎn)物的輸運(yùn)過(guò)程，促進(jìn)材料高效均勻溶解，實(shí)現(xiàn)了高凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的高效精密加工（圖9（b）），顯著提升了加工穩(wěn)定性和精度。

圖9 加工試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental results

圖10 側(cè)流+內(nèi)部輔助供液流場(chǎng)加工示意圖Fig.10 Schematic diagram of lateral fluid flow pattern with auxiliary internal fluid

3 錐表面和內(nèi)表面旋印電解加工

在某些特殊的機(jī)匣結(jié)構(gòu)中，存在著錐表面或內(nèi)表面的凸臺(tái)形式。針對(duì)此類機(jī)匣零件，開展了錐表面和內(nèi)表面旋印電解加工技術(shù)研究。

3.1 錐表面旋印電解加工

圖11 錐表面旋印電解加工示意圖Fig.11 Schematic diagram of counter-rotating electrochemical machining of cone surface

圖12 錐形陰極窗口輪廓設(shè)計(jì)Fig.12 Design of the cathode window for conical part

匣，設(shè)計(jì)并制造出相應(yīng)的錐形陰極工具（圖13（a）），并利用旋印電解加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜型面的一次性高效精密加工（圖13（b））。可以看出，凸臺(tái)端面邊緣輪廓分明，成型質(zhì)量好，機(jī)匣最小壁厚為1 mm，壁厚誤差為0.05 mm，電解加工周期為183 min。

圖13 錐表面旋印電解加工陰極工具及加工樣件Fig.13 Cathode tool and machined workpiece for counterrotating electrochemical machining of the cone surface

3.2 內(nèi)表面旋印電解加工

圖14 內(nèi)表面旋印電解加工原理圖Fig.14 Schematic diagram of counter-rotating electrochemical machining of inner surface

圖15 不同轉(zhuǎn)速比下陰極窗口輪廓點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.15 Motion trajectories of cathode window contour points at different speed ratios

圖16 內(nèi)表面旋印電解加工樣件Fig.16 Machined workpiece for counter-rotating electrochemical machining of inner surface

4 機(jī)床裝備與典型樣件

為滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型薄壁機(jī)匣的制造需求，研究團(tuán)隊(duì)突破了回轉(zhuǎn)主軸高精密同步對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制、大負(fù)載低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制、超大電流旋轉(zhuǎn)引電等一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型旋印電解機(jī)床裝備（圖17）。機(jī)床具備直徑Φ1.2 m、高1.2 m 大型薄壁機(jī)匣的加工能力。

圖17 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型旋印電解加工機(jī)床Fig.17 Developed large-scale counter-rotating electrochemical machine tool with independent intellectual property rights

在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了典型薄壁機(jī)匣樣件的精密加工，研制出新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)柵格結(jié)構(gòu)外涵機(jī)匣縮比樣件（圖18（a）），機(jī)匣最小壁厚1.1 mm，壁厚誤差小于0.08 mm，相比于化學(xué)銑削加工（壁厚誤差大于0.6 mm），壁厚精度得到大幅度提升；研制出新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈷基合金雙層壁機(jī)匣樣件（圖18（b）），機(jī)匣直徑約Φ780 mm，最小壁厚1.5 mm，表面擾流柱數(shù)量多達(dá)6 000 余個(gè)，解決了目前其他方法難以制造的卡脖子難題。

圖18 新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁機(jī)匣樣件Fig.18 Machined thin-walled casing workpieces of new type of aeroengine

5 結(jié) 論

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形嚴(yán)重、壁厚精度差等制造瓶頸問(wèn)題，筆者提出了旋印電解加工技術(shù)，采用回轉(zhuǎn)體電極作為陰極工具，通過(guò)工件與工具的同步對(duì)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極工件的逐層均勻溶解，實(shí)現(xiàn)大型薄壁機(jī)匣的無(wú)變形精密加工成形。本文主要研究工作總結(jié)如下：

（1）建立了旋印電解加工數(shù)學(xué)模型，揭示了準(zhǔn)平衡態(tài)加工間隙演變規(guī)律和陽(yáng)極輪廓成形規(guī)律；提出變截面陰極窗口輪廓快速設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了凸臺(tái)輪廓成形精度控制。

（2）建立了旋印電解脈動(dòng)態(tài)溶解試驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建了鈦合金等難加工材料溶解特性理論模型，揭示了材料在交變電流下溶解表面鈍化→點(diǎn)蝕→鈍化演變機(jī)理；發(fā)明了輔助電極電場(chǎng)調(diào)控方法，消除了鈦合金加工點(diǎn)蝕現(xiàn)象，顯著提升了加工表面質(zhì)量。

（3）建立了對(duì)轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)雜變間隙內(nèi)電解液流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，揭示了工件凸臺(tái)與工具窗口“嚙合”過(guò)程中流場(chǎng)分布特性；提出側(cè)流+內(nèi)部輔助供液流場(chǎng)加工方法，實(shí)現(xiàn)了大深度凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的高效精密加工，顯著提升了加工穩(wěn)定性和精度。

（4）研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型旋印電解機(jī)床裝備，突破了回轉(zhuǎn)主軸高精密同步對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制、大負(fù)載低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制、超大電流旋轉(zhuǎn)引電等一系列關(guān)鍵技術(shù)；實(shí)現(xiàn)了錐表面、內(nèi)表面等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁機(jī)匣樣件的精密加工。