上海航天精密機(jī)械研究所 上海 201600

1 電解加工原理與特點(diǎn)

電解加工是利用金屬在電化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生陽極溶解的原理，將零件加工成形的一種工藝方法[1-2]。電解加工如圖1所示,陰極和陽極之間連接電源,工具接陰極,工件接陽極,陰極和陽極兩者之間保持較小的間隙,電解液以一定壓力從加工間隙內(nèi)高速流過。

▲圖1 電解加工

電解加工方法具有如下優(yōu)點(diǎn):① 可以加工任意高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性的導(dǎo)電材料;② 加工速度不受加工面積的影響,大面積加工時加工效率高;③ 利用金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)失去電子來去除材料,不存在毛刺等缺陷;④ 加工過程中陰極和陽極不接觸,不存在機(jī)械切削力,加工的零件不會產(chǎn)生變形；⑤ 加工過程屬于冷加工,表面不會產(chǎn)生淬硬層等[3-4]。這些顯著優(yōu)點(diǎn)使電解加工成為航空航天制造業(yè)中的關(guān)鍵加工技術(shù)之一。

目前,電解加工技術(shù)在航空航天產(chǎn)品的制造加工中僅限于一些特定的零部件加工,大部分零部件的加工還是采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)。事實(shí)上,在航空航天領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)相比較而言，電解加工技術(shù)在高硬度材料加工、薄壁零件加工、整體復(fù)雜構(gòu)件加工和微小孔加工等方面優(yōu)勢巨大。

2 高硬度材料加工

隨著航空航天業(yè)的發(fā)展,對航空航天產(chǎn)品零部件輕量化、高強(qiáng)度化的要求越來越高,因此,高溫合金和鈦合金等比強(qiáng)度大、硬度高的難加工材料被廣泛應(yīng)用。一般的刀具無法加工高硬度、高強(qiáng)度的材料,所以需要研制開發(fā)強(qiáng)度高于被加工材料,同時耐高溫、耐磨損的刀具,加工成本大幅增加。此外,高硬度、高強(qiáng)度材料切削加工時的切削力很大,對機(jī)床的強(qiáng)度和剛度都提出了更高的要求。電解加工可以加工任意高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性的導(dǎo)電材料,為難加工材料的加工提供了一種方向,很多專家學(xué)者對此開展了大量研究。

劉勇等[5]針對鎳基高溫合金進(jìn)行了一系列微細(xì)電解加工工藝試驗(yàn),通過優(yōu)化參數(shù)，成功加工出一系列槽寬25 μm的典型微結(jié)構(gòu)。葛媛媛等[6]針對GH4169鎳基高溫合金材料電解加工ηω-i特性曲線(η為電流效率，ω為體積電化當(dāng)量，i為電流密度)的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到了準(zhǔn)確的ηω-i特性曲線,為GH4169材料的電解加工提供了理論依據(jù)。沈崢嶸[7]針對鎳基鑄造高溫合金開展了電解磨削復(fù)合加工技術(shù)的研究,分析了該技術(shù)的加工原理,探討了該材料電解磨削加工質(zhì)量的影響因素。張美麗等[8]對TC4鈦合金進(jìn)行了電解加工試驗(yàn),對樣件進(jìn)行了分析、比較,研究了影響表面質(zhì)量的工藝因素。楊振文等[9]通過分析鈦合金電解加工時金屬基體表面點(diǎn)蝕和鈍化的過程,優(yōu)選出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氯化鈉和10%硝酸鈉的混合電解液,實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金異形型腔的高效加工。戴一通[10]基于電容模型建立了鈦合金高頻窄脈沖電解加工的數(shù)學(xué)模型,并開展了仿真和試驗(yàn),掌握了航空航天難加工材料精細(xì)電解加工的原理。

電解加工技術(shù)去除材料的方式?jīng)Q定了其加工對象可以是任意高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性的材料,解決了傳統(tǒng)加工的技術(shù)瓶頸,但加工材料的特性會影響電解加工的精度和穩(wěn)定性,因此,高強(qiáng)度、高硬度材料的特性研究對于電解加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展是非常重要的。

3 薄壁零件加工

航空航天產(chǎn)品中有很多零部件是薄壁零件,如機(jī)匣、艙體等。薄壁零件的特點(diǎn)一般是尺寸大、壁厚薄、壁厚差大,屬于典型的弱剛性結(jié)構(gòu)。采用一般的數(shù)控床進(jìn)行銑削加工，難度很大,主要在于材料的大量去除會引起變形,降低加工精度。而采用電解加工的方法,在加工過程中加工工具和被加工零件不接觸,不會產(chǎn)生切削力,零件不會產(chǎn)生變形,零件表面無殘余應(yīng)力和毛刺。因此,電解加工技術(shù)在薄壁零件的加工中優(yōu)勢明顯。機(jī)匣類薄壁零件如圖2所示。

▲圖2 機(jī)匣類薄壁零件

李紅英等[11]以航空發(fā)動機(jī)薄壁機(jī)匣為對象,進(jìn)行了電解加工試驗(yàn),取得了滿意的工藝效果,表明電解加工技術(shù)在加工薄壁零件表面凸臺結(jié)構(gòu)方面具有很大的工藝優(yōu)勢。朱浩等[12]提出了用旋印電解加工方法來解決薄壁零件機(jī)械加工中的變形問題,通過對加工過程的仿真分析,初步明確了薄壁零件上凸臺成形的規(guī)律,同時開展了試驗(yàn)研究。劉金鑫[13]介紹了利用電解加工技術(shù)在壁厚為1.1 mm的薄壁零件上加工八個槽的方法。李寒松等[14]研究了一種雙工具陰極電解磨銑加工系統(tǒng)及加工復(fù)雜薄壁的方法,這一方法對提高薄壁結(jié)構(gòu)的加工精度和加工柔性具有十分重要的意義。

電解加工技術(shù)避免了薄壁零件加工易變形的問題。目前,薄壁回轉(zhuǎn)體的旋印電解加工技術(shù)已經(jīng)起步,能完成回轉(zhuǎn)體表面凸臺的加工。未來,該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域零部件加工中的應(yīng)用前景十分廣闊。

4 整體復(fù)雜構(gòu)件加工

整體復(fù)雜構(gòu)件現(xiàn)今多應(yīng)用于航空、航天及軍事裝備的發(fā)動機(jī)制造中,因體積小、質(zhì)量輕及可靠性高的特點(diǎn)，對航空、航天及軍事裝備的發(fā)展有巨大的推動作用。整體復(fù)雜構(gòu)件由于幾何結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,采用傳統(tǒng)的車削、銑削等加工技術(shù)，雖然能夠取得較高的加工精度,但是加工效率低,成本較高,并且對機(jī)床的性能要求高,而電解加工卻能彌補(bǔ)這些不足。

整體葉盤是發(fā)動機(jī)的核心部件之一,其質(zhì)量決定了發(fā)動機(jī)的性能和壽命,采用整體葉盤結(jié)構(gòu)是提高發(fā)動機(jī)推重比和可靠性的關(guān)鍵措施。整體葉盤如圖3所示。

▲圖3 整體葉盤

國內(nèi)外很多專家學(xué)者針對電解加工技術(shù)在整體葉盤加工中的應(yīng)用開展了大量研究。徐慶[15]將整體葉盤的電解加工分為葉柵通道預(yù)加工和葉片型面精密加工兩個步驟,加工出了滿足加工精度的整體葉盤。蘇文飛[16]針對較大尺寸葉柵通道的電解預(yù)加工方法開展研究,以整體葉盤大尺寸扭曲通道為加工對象,通過優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計了工具陰極側(cè)面輪廓,實(shí)現(xiàn)了扭曲通道工具陰極的優(yōu)化設(shè)計。張志金等[17]開展了整體葉盤扭曲葉片的電解預(yù)加工試驗(yàn)研究，通過理論分析設(shè)計了整體式加工陰極,實(shí)現(xiàn)了整體葉盤大扭曲葉片的小余量一次性成形加工。龔婷等[18]根據(jù)整體葉盤多通道電解加工三軸運(yùn)動的特點(diǎn),利用最小二乘法確定管狀工具的運(yùn)動位置,獲取聯(lián)動三軸各自的加工參數(shù),通過加工試驗(yàn)加工出符合要求的葉間通道。萬龍凱[19]針對整體葉盤型面精密電解加工,提出了斜置式整體葉盤型面電解加工方法，以陰極進(jìn)給方向與葉片型面各點(diǎn)法線方向夾角中的最大值為評判指標(biāo),優(yōu)化得到整體葉盤加工時的最優(yōu)斜置角,提高了電解加工的成形精度。朱鵬翔等[20]針對整體葉輪葉間槽的數(shù)控電解加工開展了試驗(yàn)研究,對電壓、電解液壓力等加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通用電氣公司利用電解加工技術(shù)完成了發(fā)動機(jī)鈦合金整體葉盤的加工,提高了發(fā)動機(jī)葉盤和葉片的加工效率[21]。MTU公司采用振動電解加工技術(shù),完成了整體葉盤的高精度加工[22]。

整體復(fù)雜構(gòu)件采用電解加工，降低了加工成本,提高了使用可靠性,實(shí)現(xiàn)了輕量化。但是，影響電解加工的因素眾多,很難保證加工的精度和重復(fù)精度。整體復(fù)雜構(gòu)件的電解加工工藝還有待進(jìn)一步研究和探索。

5 微小孔加工

航空航天領(lǐng)域的許多零部件上需要進(jìn)行微小孔加工,如發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜孔、火焰筒氣膜孔等,這些孔的直徑在0.3～0.5 mm之間,深度達(dá)到10 mm,有的深徑比超過了20∶1[23]。冷卻氣膜孔如圖4所示。目前，微小孔的加工一般采用機(jī)械鉆削、電火花和激光等加工方法。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆削加工存在熱變形、毛刺等問題,電火花加工和激光加工會生成微裂紋和重鑄層等。采用電解加工的方法，可避免產(chǎn)生上述缺陷。目前，主要采用管電極電解加工和電液束電解加工兩種方法加工微小孔。

韋磊[24]設(shè)計相應(yīng)的加工裝置，分析加工參數(shù)對加工精度的影響規(guī)律,利用優(yōu)化后的參數(shù)加工出側(cè)面間隙小于40 μm的微小孔。劉建等[25]介紹了掩膜電解加工微小群孔的技術(shù),同時通過優(yōu)化加工參數(shù),提高了微小群孔的加工精度和結(jié)構(gòu)的均勻性。許榮超[26]對管電極電解加工的流場進(jìn)行了仿真分析,獲得了保證加工穩(wěn)定性的合適進(jìn)口壓力，同時開展了管電極電解加工深小孔試驗(yàn),研究了脈沖頻率、占空比等加工參數(shù)對加工精度的影響。賈繼欣[27]針對毛細(xì)管電極電液束電解加工開展了微小孔的加工試驗(yàn),研究了加工間隙、進(jìn)給速度和進(jìn)口壓力等加工參數(shù)對加工精度的影響。通用電氣公司最早將電液束電解加工技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)微小孔的加工中,實(shí)現(xiàn)了深徑比為50∶1的微小孔加工。羅爾斯·羅伊斯公司通過電液束電解加工實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片上深徑比為37.5∶1的微小孔加工,并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的生產(chǎn)[28]。

電解加工技術(shù)為大深徑比微小孔的加工提供了方法,但需要保證加工過程中加工產(chǎn)物順利從微小孔中排出,避免出現(xiàn)短路現(xiàn)象。此外，還需要保證在高速電解液的沖刷下,微細(xì)電極加工的微小孔軸線直線度，并保證加工后微小孔的錐度。以上問題仍是目前微小孔電解加工的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

6 結(jié)束語

電解加工技術(shù)因自身的顯著優(yōu)點(diǎn)而成為航空航天制造業(yè)中的一種關(guān)鍵加工技術(shù),在高硬度材料、薄壁零件、整體復(fù)雜構(gòu)件和微小孔加工方面體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。專家學(xué)者對電解加工已經(jīng)開展了大量科學(xué)研究,獲得了不少成果,一些已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)加工中。未來,隨著電解加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,電解加工將能適用于各種零部件產(chǎn)品,應(yīng)用前景廣闊。