电解加工在航空航天领域的应用研究

上海航天精密机械研究所 上海 201600

1 电解加工原理与特点

电解加工是利用金属在电化学反应中发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的一种工艺方法[1-2]。电解加工如图1所示,阴极和阳极之间连接电源,工具接阴极,工件接阳极,阴极和阳极两者之间保持较小的间隙,电解液以一定压力从加工间隙内高速流过。

▲图1 电解加工

电解加工方法具有如下优点:① 可以加工任意高硬度、高强度、高韧性、高脆性的导电材料;② 加工速度不受加工面积的影响,大面积加工时加工效率高;③ 利用金属发生电化学反应失去电子来去除材料,不存在毛刺等缺陷;④ 加工过程中阴极和阳极不接触,不存在机械切削力,加工的零件不会产生变形；⑤ 加工过程属于冷加工,表面不会产生淬硬层等[3-4]。这些显著优点使电解加工成为航空航天制造业中的关键加工技术之一。

目前,电解加工技术在航空航天产品的制造加工中仅限于一些特定的零部件加工,大部分零部件的加工还是采用传统的机械加工技术。事实上,在航空航天领域，与传统的机械加工技术相比较而言，电解加工技术在高硬度材料加工、薄壁零件加工、整体复杂构件加工和微小孔加工等方面优势巨大。

2 高硬度材料加工

随着航空航天业的发展,对航空航天产品零部件轻量化、高强度化的要求越来越高,因此,高温合金和钛合金等比强度大、硬度高的难加工材料被广泛应用。一般的刀具无法加工高硬度、高强度的材料,所以需要研制开发强度高于被加工材料,同时耐高温、耐磨损的刀具,加工成本大幅增加。此外,高硬度、高强度材料切削加工时的切削力很大,对机床的强度和刚度都提出了更高的要求。电解加工可以加工任意高硬度、高强度、高韧性、高脆性的导电材料,为难加工材料的加工提供了一种方向,很多专家学者对此开展了大量研究。

刘勇等[5]针对镍基高温合金进行了一系列微细电解加工工艺试验,通过优化参数，成功加工出一系列槽宽25 μm的典型微结构。葛媛媛等[6]针对GH4169镍基高温合金材料电解加工ηω-i特性曲线(η为电流效率，ω为体积电化当量，i为电流密度)的内在规律进行了试验研究,得到了准确的ηω-i特性曲线,为GH4169材料的电解加工提供了理论依据。沈峥嵘[7]针对镍基铸造高温合金开展了电解磨削复合加工技术的研究,分析了该技术的加工原理,探讨了该材料电解磨削加工质量的影响因素。张美丽等[8]对TC4钛合金进行了电解加工试验,对样件进行了分析、比较,研究了影响表面质量的工艺因素。杨振文等[9]通过分析钛合金电解加工时金属基体表面点蚀和钝化的过程,优选出质量分数为20%氯化钠和10%硝酸钠的混合电解液,实现了TC4钛合金异形型腔的高效加工。戴一通[10]基于电容模型建立了钛合金高频窄脉冲电解加工的数学模型,并开展了仿真和试验,掌握了航空航天难加工材料精细电解加工的原理。

电解加工技术去除材料的方式决定了其加工对象可以是任意高硬度、高强度、高韧性、高脆性的材料,解决了传统加工的技术瓶颈,但加工材料的特性会影响电解加工的精度和稳定性,因此,高强度、高硬度材料的特性研究对于电解加工技术的应用和发展是非常重要的。

3 薄壁零件加工

航空航天产品中有很多零部件是薄壁零件,如机匣、舱体等。薄壁零件的特点一般是尺寸大、壁厚薄、壁厚差大,属于典型的弱刚性结构。采用一般的数控床进行铣削加工，难度很大,主要在于材料的大量去除会引起变形,降低加工精度。而采用电解加工的方法,在加工过程中加工工具和被加工零件不接触,不会产生切削力,零件不会产生变形,零件表面无残余应力和毛刺。因此,电解加工技术在薄壁零件的加工中优势明显。机匣类薄壁零件如图2所示。

▲图2 机匣类薄壁零件

李红英等[11]以航空发动机薄壁机匣为对象,进行了电解加工试验,取得了满意的工艺效果,表明电解加工技术在加工薄壁零件表面凸台结构方面具有很大的工艺优势。朱浩等[12]提出了用旋印电解加工方法来解决薄壁零件机械加工中的变形问题,通过对加工过程的仿真分析,初步明确了薄壁零件上凸台成形的规律,同时开展了试验研究。刘金鑫[13]介绍了利用电解加工技术在壁厚为1.1 mm的薄壁零件上加工八个槽的方法。李寒松等[14]研究了一种双工具阴极电解磨铣加工系统及加工复杂薄壁的方法,这一方法对提高薄壁结构的加工精度和加工柔性具有十分重要的意义。

电解加工技术避免了薄壁零件加工易变形的问题。目前,薄壁回转体的旋印电解加工技术已经起步,能完成回转体表面凸台的加工。未来,该技术在航空航天领域零部件加工中的应用前景十分广阔。

4 整体复杂构件加工

整体复杂构件现今多应用于航空、航天及军事装备的发动机制造中,因体积小、质量轻及可靠性高的特点，对航空、航天及军事装备的发展有巨大的推动作用。整体复杂构件由于几何结构形状复杂,采用传统的车削、铣削等加工技术，虽然能够取得较高的加工精度,但是加工效率低,成本较高,并且对机床的性能要求高,而电解加工却能弥补这些不足。

整体叶盘是发动机的核心部件之一,其质量决定了发动机的性能和寿命,采用整体叶盘结构是提高发动机推重比和可靠性的关键措施。整体叶盘如图3所示。

▲图3 整体叶盘

国内外很多专家学者针对电解加工技术在整体叶盘加工中的应用开展了大量研究。徐庆[15]将整体叶盘的电解加工分为叶栅通道预加工和叶片型面精密加工两个步骤,加工出了满足加工精度的整体叶盘。苏文飞[16]针对较大尺寸叶栅通道的电解预加工方法开展研究,以整体叶盘大尺寸扭曲通道为加工对象,通过优化设计方法设计了工具阴极侧面轮廓,实现了扭曲通道工具阴极的优化设计。张志金等[17]开展了整体叶盘扭曲叶片的电解预加工试验研究，通过理论分析设计了整体式加工阴极,实现了整体叶盘大扭曲叶片的小余量一次性成形加工。龚婷等[18]根据整体叶盘多通道电解加工三轴运动的特点,利用最小二乘法确定管状工具的运动位置,获取联动三轴各自的加工参数,通过加工试验加工出符合要求的叶间通道。万龙凯[19]针对整体叶盘型面精密电解加工,提出了斜置式整体叶盘型面电解加工方法，以阴极进给方向与叶片型面各点法线方向夹角中的最大值为评判指标,优化得到整体叶盘加工时的最优斜置角,提高了电解加工的成形精度。朱鹏翔等[20]针对整体叶轮叶间槽的数控电解加工开展了试验研究,对电压、电解液压力等加工参数进行了优化。通用电气公司利用电解加工技术完成了发动机钛合金整体叶盘的加工,提高了发动机叶盘和叶片的加工效率[21]。MTU公司采用振动电解加工技术,完成了整体叶盘的高精度加工[22]。

整体复杂构件采用电解加工，降低了加工成本,提高了使用可靠性,实现了轻量化。但是，影响电解加工的因素众多,很难保证加工的精度和重复精度。整体复杂构件的电解加工工艺还有待进一步研究和探索。

5 微小孔加工

航空航天领域的许多零部件上需要进行微小孔加工,如发动机涡轮叶片气膜孔、火焰筒气膜孔等,这些孔的直径在0.3～0.5 mm之间,深度达到10 mm,有的深径比超过了20∶1[23]。冷却气膜孔如图4所示。目前，微小孔的加工一般采用机械钻削、电火花和激光等加工方法。传统的机械钻削加工存在热变形、毛刺等问题,电火花加工和激光加工会生成微裂纹和重铸层等。采用电解加工的方法，可避免产生上述缺陷。目前，主要采用管电极电解加工和电液束电解加工两种方法加工微小孔。

韦磊[24]设计相应的加工装置，分析加工参数对加工精度的影响规律,利用优化后的参数加工出侧面间隙小于40 μm的微小孔。刘建等[25]介绍了掩膜电解加工微小群孔的技术,同时通过优化加工参数,提高了微小群孔的加工精度和结构的均匀性。许荣超[26]对管电极电解加工的流场进行了仿真分析,获得了保证加工稳定性的合适进口压力，同时开展了管电极电解加工深小孔试验,研究了脉冲频率、占空比等加工参数对加工精度的影响。贾继欣[27]针对毛细管电极电液束电解加工开展了微小孔的加工试验,研究了加工间隙、进给速度和进口压力等加工参数对加工精度的影响。通用电气公司最早将电液束电解加工技术应用于发动机微小孔的加工中,实现了深径比为50∶1的微小孔加工。罗尔斯·罗伊斯公司通过电液束电解加工实现了涡轮叶片上深径比为37.5∶1的微小孔加工,并且实现了机床的生产[28]。

电解加工技术为大深径比微小孔的加工提供了方法,但需要保证加工过程中加工产物顺利从微小孔中排出,避免出现短路现象。此外，还需要保证在高速电解液的冲刷下,微细电极加工的微小孔轴线直线度，并保证加工后微小孔的锥度。以上问题仍是目前微小孔电解加工的重点研究内容。

6 结束语

电解加工技术因自身的显著优点而成为航空航天制造业中的一种关键加工技术,在高硬度材料、薄壁零件、整体复杂构件和微小孔加工方面体现出巨大优势。专家学者对电解加工已经开展了大量科学研究,获得了不少成果,一些已经应用于实际的生产加工中。未来,随着电解加工技术的进一步发展,电解加工将能适用于各种零部件产品,应用前景广阔。