雷廷玲，黃明濤，張明岐，褚玉程，程小元

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

鈦合金整體葉盤葉型精密振動電解加工實驗研究

雷廷玲，黃明濤，張明岐，褚玉程，程小元

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

針對鈦合金整體葉盤葉柵通道狹窄、葉片型面復(fù)雜、扭轉(zhuǎn)角度大等特點，采用片狀電極對葉片型面進行雙面同步精密振動電解加工。分析了電解加工參數(shù)對葉片加工精度和表面質(zhì)量的影響，通過正交試驗確定了合理的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了整體葉盤的葉片葉身型面、根部R角及葉間流道的一次電解成形，型面誤差為-0.023～0.040 mm，表面粗糙度為Ra0.53 μm，達到了設(shè)計要求。對電解加工葉片型面試件的組織形貌進行掃描電鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕和選擇性腐蝕造成的點蝕現(xiàn)象。

振動電解加工；鈦合金；整體葉盤；葉型加工

采用整體構(gòu)件已成為先進航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢，葉盤作為航空發(fā)動機的重要部件也越來越多地采用整體設(shè)計。整體葉盤結(jié)構(gòu)件減少了榫頭、榫槽和鎖緊裝置等連接結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)大為簡化，重量減輕、零件數(shù)減少，同時避免了榫頭的氣流損失，推重比和可靠性明顯提高[1]。但整體葉盤普遍采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，且葉間通道狹窄、葉型薄，一次需加工出幾十個密集的葉片，并保證所有葉片型面、進排氣邊緣、根部R角和葉間流道全部合格，對制造工藝的要求十分苛刻。

電解加工是國內(nèi)外重點研究的整體葉盤加工方法，國外已成功應(yīng)用于整體葉盤精加工[2]。Klocke等[3-4]綜合分析了多種整體葉盤加工方式，其中，電解加工是制備葉盤最具成本效益的方法，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

國內(nèi)傳統(tǒng)電解加工技術(shù)存在的主要問題是精度較低，無論是葉盤套料加工、數(shù)控電解加工[5-6]還是電解磨削[7]，都難以滿足整體葉盤精加工的要求。葉盤套料加工主要用于葉盤粗加工，可快速加工出葉間通道，但精度不高，只能加工等截面葉片整體葉盤，不能加工變截面扭曲葉片[8]。數(shù)控電解加工[9-10]包括直線刃陰極擺動法、球形陰極展成電解加工、數(shù)控電解銑等，不僅對數(shù)控水平要求高，而且成形規(guī)律復(fù)雜，對于大扭角葉片存在過切和干涉現(xiàn)象。電解磨削對自由曲面的加工效果不佳，密集葉片的磨削加工過程同樣存在干涉現(xiàn)象。

本文采用高頻窄脈沖電流振動電解加工技術(shù)，通過片狀電極的雙面同步進給加工整體葉盤葉型，實現(xiàn)了葉身型面、根部R角、葉間流道的一次性加工。該工藝過程簡單，重復(fù)精度和加工精度穩(wěn)定性高，且成本低、加工效率高。

1 精密振動電解加工原理及工藝分析

1.1 加工原理

精密振動電解加工技術(shù)是在傳統(tǒng)直流/脈沖電解加工基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其加工原理見圖1。采用高頻窄脈沖電源，加工電極進給的同時作往復(fù)振動[11]，電源的脈沖輸出與電極的振動相匹配。在電極振動過程中，電極與工件處于小間隙時通電加工，以提高加工精度；而在大間隙處斷電、沖刷，及時帶走電解產(chǎn)物，使電解液得到不斷更新。高頻脈沖電源的集中腐蝕能力強，可顯著提高加工定域性。采用振動電極和脈沖電流改善了間隙中加工狀況的理化特性，解決了小間隙加工電解產(chǎn)物和熱量排出困難、加工過程易短路、燒傷等問題，使加工能穩(wěn)定進行。與傳統(tǒng)直流電解加工相比，振動電解加工大幅提高了成形精度和表面加工質(zhì)量。

圖1 振動電解加工原理

1.2 驗證件電解加工工藝分析

采用片狀電極對整體葉盤扇形段葉型的葉盆、葉背進行雙面同步精密振動電解加工，電極型面采用反求法陰極零電位等勢線來擬合[12]，并預(yù)先套料加工出葉柵通道。精密振動電解加工過程原理見圖2，采用PO250 BF型五軸聯(lián)動精密振動電解加工中心，通過電極與葉盤運動及復(fù)合進給，實現(xiàn)葉盆、葉背型面及葉根R角的同步一次性加工成形。加工前，利用Z、C、Y、X1、X2五軸聯(lián)動使目標(biāo)葉片旋轉(zhuǎn)進入葉盆、葉背電極之間。加工過程中，葉盆、葉背電極分別沿X1、X2方向相向振動進給，Z軸向下進給，從而產(chǎn)生向葉根方向的運動分量。電解液流場采用從葉尖向葉根的徑向流動方式。當(dāng)一個葉片加工完成后，電極沿原路徑旋轉(zhuǎn)退出，B軸自動分度，重復(fù)上述過程，直至所有葉片加工完成。

圖2 扇形段振動電解加工過程示意圖

2 主要參數(shù)對加工質(zhì)量的影響

由于精密振動電解加工采用脈沖電源，加工時陰極往復(fù)振動，所以影響加工質(zhì)量和精度的因素眾多。

2.1 振動頻率和振幅

電極振動頻率F和振幅S對加工效率的影響較小，但對加工精度和表面質(zhì)量的影響稍大。振動頻率提高，意味著相同時間內(nèi)大間隙沖刷次數(shù)的增加，而振幅的提高使電解液沖刷的間隙得以擴大，這些都有利于電解產(chǎn)物和熱量充分排出；同時，電極振動相當(dāng)于不斷拉大加工間隙進行短路保護，提高了小間隙加工的穩(wěn)定性，易于加工出表面光整的零件。振動頻率和振幅對表面質(zhì)量的影響見圖3和圖4。

圖3 不同振動頻率加工TC17葉片的表面粗糙度變化曲線

圖4 不同振幅加工TC17葉片的表面粗糙度變化曲線

然而，過大的振動頻率和振幅不僅對裝備系統(tǒng)要求高，且會引起電解液的壓力波動，在實際加工過程中可能引發(fā)葉片顫動造成局部短路燒傷，在葉片葉尖處該現(xiàn)象尤為明顯。

2.2 脈沖電源參數(shù)

脈沖電源參數(shù)包括電壓U、脈沖頻率f、占空比i（或脈寬Tpon和脈間Tpoff）、脈沖開通角θon和關(guān)閉角θoff（或?qū)ń铅拢⒚}沖個數(shù)n等。參數(shù)取值會相互影響，如圖5所示，在一個振動周期內(nèi)，脈沖開通角和關(guān)閉角的設(shè)置應(yīng)滿足式（1），使每個脈沖輸出完整而不被截斷：

式中：T=（θoff-θon）/（360·F）

圖5 一個振動周期內(nèi)的脈沖電流示意圖

其中，脈寬大小（或脈沖頻率）是對加工影響最大的因素，脈沖電源的參數(shù)選取可簡化為脈寬和脈間大小、脈沖個數(shù)并取合適的脈沖開通角和關(guān)閉角。

如圖6b～圖6f所示，在不同脈寬下振動電解加工圖6a所示的圖案。其中，圖6b～圖6d的進給速度相同，脈沖寬度不同；而圖6b、圖6e、圖6f的加工速度不同，但最終加工間隙都很小?？煽闯?，短脈沖加工間隙小，加工出的圖案清晰，細節(jié)豐富；隨著脈寬增大，加工間隙逐漸增大，加工出的圖案細節(jié)缺失嚴(yán)重。使用窄脈沖進行電解加工，雙電層的極化被局限在電極端部極窄的范圍內(nèi)。距離工具電極很近的加工區(qū)極化強，電流密度大，工件蝕除量大；而較遠的區(qū)域極化弱，幾乎不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。因此，窄脈寬或高頻脈沖可顯著提高加工的定域性，縮小加工間隙，從而提高加工精度。窄脈寬、小進給速度適合精加工，而寬脈沖所允許的加工速度高，適合預(yù)加工去除大部分余量。

理論上，采用頻率越高、脈寬越窄的脈沖電流加工出的表面質(zhì)量越好，但實際上，過窄脈沖會影響加工的穩(wěn)定性。由于脈沖電源的特性決定了脈沖電源的上升沿是傾斜的，如圖7所示，隨著脈寬的減小，脈沖上升沿所占的比例逐漸增加，并有可能使整個脈沖都處于上升沿，只能發(fā)生非常微弱的電化學(xué)溶解，從而造成間隙過小及短路燒傷。

圖6 不同脈寬振動電解加工TC17效果圖

同時，窄脈寬（或高脈沖頻率）還能有效抑制因流場不均引起的流痕和由雜散引起的非加工表面的腐蝕等現(xiàn)象。如圖8a所示，采用不同脈沖寬度振動電解加工3 mm淺孔，加工時間為50 min，電解液采用內(nèi)流式，流動方向如虛線所示，并保證非加工面完全浸入電解液。從圖8b～圖8d可看出，隨著脈寬的降低，試件表面腐蝕深度和范圍明顯減小。由于內(nèi)流式供液方式的流場呈放射狀，采用大脈寬或低脈沖頻率電解加工的表面流痕明顯，隨著脈寬變窄，有利于提高加工定域性，流痕逐漸集中在中間極窄的區(qū)域，使表面質(zhì)量明顯提高。電解加工鈦合金葉片過程中，采用窄脈沖有利于減少對非加工表面及相鄰已加工葉片的雜散腐蝕，同時減少由于葉片彎扭、截面形狀變化等引起的流場不均所產(chǎn)生的流痕。

圖7 不同脈寬的脈沖波形

圖8 不同脈寬電解淺孔效果圖

此外，必須合理劃分脈沖的開斷，使電解加工在電解液相對干凈的情況下進行。如圖5所示，電極從0°振動到開通角θon脈沖開啟，電解加工開始，直至電極振動至關(guān)閉角θoff，結(jié)束一個振動周期的加工。由于前導(dǎo)通角（θon～180°）范圍內(nèi)的電解液比后導(dǎo)通角（180°～θoff）干凈，所以一般設(shè)前導(dǎo)通角為后導(dǎo)通角的二倍，以充分利用前半程相對干凈的電解液。

3 加工參數(shù)的確定

采用NaNO3和NaCl為主的復(fù)合電解液，對葉片型面進行正交試驗，因素和水平見表1。其他試驗參數(shù)如下：陰極振幅0.3 mm，脈沖占空比1∶2，每個振動周期輸出三個脈沖，電解液恒溫24℃，電解液壓力0.8 MPa。加工葉片要求型面誤差為±0.05 mm，表面粗糙度值低于Ra0.6 μm。

表1 因素水平表

正交試驗結(jié)果見表2。對該結(jié)果進行綜合評分，計算表明采用參數(shù)為A3B2C2D3的組合（即：振動頻率40 Hz、電壓24 V、脈沖頻率2000 Hz、進給速度0.06 mm/min），獲得的加工精度和表面質(zhì)量最佳（圖9）。圖10是采用上述參數(shù)組合電解加工的葉片，其型面誤差為-0.023～0.040 mm，表面粗糙度為Ra0.53 μm，根部R角及非加工表面無雜散腐蝕。

表2 正交試驗結(jié)果

4 試件組織分析

大量事實表明，多數(shù)航空航天零件的失效往往從零件表面開始并向內(nèi)部進行擴展，晶間腐蝕和選擇性腐蝕造成的點蝕是傳統(tǒng)電解加工常見的表面質(zhì)量問題。顯微觀察加工表面的金相組織發(fā)現(xiàn)，晶粒間的分界面可能被腐蝕出縫隙，該現(xiàn)象稱為晶間腐蝕；而點蝕是由于鈦合金材料中不同金相組織的電極電位不同而產(chǎn)生“選擇性溶解”，鈦合金是多晶體，它包含多種金屬組織，不同金屬組織的電化學(xué)電位是不一致的，這使得電解加工過程中不同金屬組織的溶解速度也不一致，從而產(chǎn)生點蝕。

圖9 電解加工后的TC17扇形段

圖10 采用優(yōu)化參數(shù)電解加工的葉片

如圖11所示，通過掃描電鏡觀察采用優(yōu)化參數(shù)組合的電解加工葉片表面，并未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕及局部點蝕。對此原因分析如下：加工過程中，電流密度大，最高可達60 A/cm2；在高電流密度下，各種金相組織的溶解速度差異會變小，從而相對減少了選擇性溶解造成的點蝕和晶間腐蝕現(xiàn)象；高頻窄脈沖加工的定域性強，有利于獲得良好的表面質(zhì)量；采用NaNO3和NaCl為主的低濃度復(fù)合電解液，非線性電解液NaNO3使材料中各相能均勻溶解，減輕點蝕和晶間腐蝕的發(fā)生；振動電解能獲得相對干凈的電解液，也有利于減少點蝕。

圖11 試樣形貌SEM掃描圖

5 結(jié)束語

針對大扭轉(zhuǎn)角整體葉盤，采用片狀電極的雙面同步進給精密振動電解加工工藝，可一次性加工出滿足精度和表面粗糙度要求的葉片型面、根部R角及葉間流道，而進排氣邊緣和葉間流道的接合部經(jīng)簡單修形就能滿足要求。實際加工中，葉型加工面積為45 cm2，完成一個葉型的電解加工需50 min。

實驗結(jié)果表明，采用精密振動電解加工技術(shù)加工整體葉盤，復(fù)雜型面可一次成形，重復(fù)精度高，無切削應(yīng)力和刀具磨損。與傳統(tǒng)機械切削加工相比，大大提高了加工效率和精度。精密振動電解加工技術(shù)在難切削材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工，特別是在整體葉盤精加工方面，具有光明的應(yīng)用前景。

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Experimental Study on Vibration Electrochemical Machining of Titanium Alloy Blades

LEI Tingling，HUANG Mingtao，ZHANG Mingqi，CHU Yucheng，CHENG Xiaoyuan
（Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

Considering the narrow passage，complicated blade profile and large skew angle typical of titanium alloy blisk，a processing that conducted on double-face synchronous feeding vibration electrochemical machining was used to shape titanium alloy blade.The suitable machining parameters was determined by orthogonal test and analyzing the influence of electrochemical machining parameters on the processing quality and precision of blade.The Forming a one-time of blades profile and root are achieved.Blades were produced with profile tolerance-0.023～0.040 mm and roughness Ra0.53 μm. The intergranular corrosion and pitting was not observed through microanalysis on the blade specimens.

vibrating electrochemical machining；titanium alloy；blisk；blade surface marching

TG662

A

1009-279X（2017）02-0028-05

2016-12-15

雷廷玲，男，1991年生，碩士研究生。