影响氧化膜加工性能的主要因素是电解液中阴离子对钝化 膜的活化效应以及工艺参数优化。
系统的试验研究揭示了加工钛合金电解液和工艺参数有如 下规律。
( 1) 常用电解液一 般由卤 素盐或含 氧酸盐 组成。卤素 族中 破坏自钝化 膜能 力的顺 序为 Br- , I- > Cl- > F- , Br- , I- 在一 般浓度、温度、电压下均有较强的 活化能 力; Cl- 则在 高浓度、较 高温 度、较 高 电 压 下 活 化 能 力 较 强。 在 含 氧 酸 盐 中 只 有 NaNO 3, NaClO3, N aClO 4 对 T i 的阳极 氧化 能力较 低, 因而 可用 于电解加工。
( 2) 最 小 稳 定 加工 间 隙 缩 小。试 验 表 明 f 为 1kHz 时能维持正 常加 工的 最小 间隙 值为 0. 07mm, 而 f 提高到 10kHz 时, 最小 加工间 隙则减小 到0. 04 mm。
( 3) 小型精密叶片 采用平 面辅助 工艺 基准 或精 密定位、自位夹紧解决了直接用榫齿定位、夹持的不 稳定问题 。
钛合金叶片加工中, 工作 电压 在 20V 以 上、电解 液温 度在 25 e 以上为宜。
为避免钛合金叶片双面加工中先加工完毕的尺寸面被杂散 腐蚀, 还可采用大余量面自动先加工, 待两面余量均等后再自动 转为双面同步加工、同步到达终点的控制方案 。
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图 2 全方位电解加工叶身过程( 英国 R#R 公司) F ig. 2 Ov erall ECM blade body process a1 毛坯; b, c1 叶身型面、边缘、端面加工;
1, 21 主体电极; 3, 41 边缘加工电极; 5, 61 弹簧。 图 3) , 以使电极相对 缘板 端面也 有法 向进给 分量, 因 而可 维持 端面的恒间隙加工, 消除了二次扩张, 端 面加工精度及效率均有 提高。
( 2) 复合双动电极。电极 由叶身 主体部 分 1, 2 和 边缘 浮动 部分 3, 4 组 成( 图 3) 。边缘达 到最终 尺寸后, 主体 电极继 续进 给到型面也达到最终 尺寸为止。
90 年代国外 对 HSPECM ( kHz, Ls 级, 矩形 波) 的基 础 试验 研究表明, 此项新技术比 80 年代的工频、ms 级 PECM 有较大 提 高, 它显著改善了阳极溶解过程间隙理化特性, 提高了集中蚀除 能力, 缩 小了加工间 隙并均匀化 , 改善 了间隙流 场, 从 而提高了 ECM 整平比、复 制性和重复性。这一系列优点有望较 大地提高 ECM 精度、表面 质量, 以满足小型精密叶片的要 求, 也 使条料毛 坯加工及全方位加工易于实现。北京航空工艺研究所对小型精 密叶片进行的 HSPECM 可行性试验也证实了下述效果。
( 4) 电解液对阳极钝化膜的活化能力随电压、温度的提高而 加强。
理论和实践 业已 证实 低 浓度 复合 电解 液活 化能 力强 而均 匀, 易获 得均匀光滑 的加工面, 非加工 面杂散腐 蚀轻, 同时还有 利于小间隙加 工, 获 得较高的精 度; 另 外, 还 能较好地 解决钛合 金叶片单面加工、小余量精加工以及单双面交替加工的 难题, 是 加工钛合金叶片的较优电解液。系统筛选得出的优化电解液为 4% NaCl+ 4% NaBr , 3% NaCl+ 5% N aClO3 以及 2% N aCl+ 6% NaNO 3, 后者因成本较低, 货 源较易 得到, 故在 生产 中已被 广泛 应用。低浓度电解液导电率 较低, 加工中 工作电 流难于 达到高 电流密度, 因而不适合套料叶型加工。
( a) 加拿大 Wabal 公司 ( b) 英国 Amchem 公司 ( c) 德国 AEG 公司 图 4 电解加工小型精密叶片 Fig. 4 ECM small precise blade
图 5 不同频率脉冲电流加工的 型面蚀除区及流痕对比
Fig. 5 Comparison of erosion ar ea and flow striation of profile machined by pulse cur rent w ith differ ent frequencies 11 蚀除区; 21 未蚀除区; 31 流痕。
4 小型精密叶片电解加工技术
图 4 所示为国外 电解加工 的小型 精密叶 片, 其 特点是 叶型 超薄、型面构 成较 复杂、叶型 精度 高、缘板高 度较 大、榫头 长度 短、某 些叶片 定位 面为弧 形、材料 硬度 较高, 因而 可切 削性、刚 性、可成型性、工具可达性、定位夹持稳定性均较差, 故电解加工 是较佳方案。但采用传统的 直流电 解、多 工序加 工难于 达到高 精度。根据近年电解加工技术的新发展, 宜采用下述方 案。 411 叶身全方位电解成型
专题综述
叶片电解加工技术的新发展*
New Development of Blade ECM Technology
华南理工大学 教 授 北京航空工艺研究所 研究员
王建业 林苏文
[ 摘要] 通过对国内外的技术考察以及科研实践, 综述了叶片电解加工( ECM ) 技术的新发展。 关键词: 叶片 电解加工 型面
d1 型面、端面继续加工; e1 全部达到最终尺寸。 该方法与传统的加工 方案不同之处为:
( 1) 斜向进给。电解相对叶身轴线呈 45b或 60b方向进给( 见
图 3 斜向进给、复合双动电极( 英国 R# R 公司) F ig. 3 Oblique feeding and compound double_actio n electrode
( 1) 集中蚀除能力提高。图 5 显示了随频率的提高, 叶型上 蚀除区越来越集中到毛坯余量最大处 1 附近, 且流痕显 著减小
1998 年第 6 期
专题综述
济外廓尺寸为 90mm @ 40mm, 在自动线上采 用条料毛 坯较精锻 毛坯成本可降 低一 半, 生产准 备时 间可缩 短 9/ 10, 特 别适 合于 新机试制。80 年代以来, 在英、美、加、德等 多个国家 , 叶 片生产 中均有采用条料毛坯, 我国在新机试制中也已开始采用 , 效果良 好。对于大缘板的叶片则仍以模锻毛坯为宜。
( 2) 复合电解液中活性和钝性阴离子具有相互补偿 作用, 易 达到均匀活化溶解或均匀超钝化溶解状态。合适的配比可以使 电解液达到较优 的加工 性能, 其 中以 NaCl+ N aBr/ K Br 活 化能 力最强, N aCl+ N aClO 3 次之, NaCl+ NaN O3 再次之。
( 3) 含氧酸盐溶液在 低浓度 区活化 效应较 强, 分 解电压 低, 活化时间短。
( a) 薄型、低展弦比叶片
( b) 大型风扇叶片
图 1 电解加工钛合金压气机叶片( 美国 Anocut 公司)
Fig . 1 ECM T i alloy compressor blade
一系列难题。然而, 由于钛的自钝化性强, 电解加工时阳极表面 易生成一层致密的氧化膜, 加工过程中钝化、活化交替发生。如 果钝化过强, 钝化、活化交替过程迟滞, 就不能较快地达 到全面、 均匀的蚀除, 从而得 不到均匀、光整的 表面; 一定条件 下还会产 生局部完全 钝化而不能蚀除; 处理 不当时 还易出 现非加 工面杂 散腐蚀和导电面烧伤等缺陷。
叶身全方位电解加工在 80 年代中期首先 成功用于 R# R 公 司 CN C 全自动叶片生产线 加工镍基 涡轮叶 片及钛 合金压 气机 叶片上。型面 精度 高达 0. 076mm, 加工 节拍 为每 片 4 min。现 美、德等 国家也已应 用该方案, 近年, 该方案 也被北京 航空工艺 研究所用于新机研制, 并获得良好效果。现英、德两国已生产出 有斜向进给, 全方位电解加工叶片叶身的专用 机床。
众所周知, 叶片是影响航空发动机性能的关键零件 , 电解加 工已成为有 余量叶片毛坯叶 身加工 的主要工 艺, 叶片毛 坯精化 亦取得新的突破, 定向凝固和单晶精铸技术得到应用, 电解加工 和精铸已成 为叶片冷、热新工 艺技术 的主体。本 文重点 介绍了 电解加工在叶型加工中的发展和应用。
1 航空发动机的新发展引起的叶身 工艺变革
( 3) 轴向供液。由于电极横截面为闭合腔, 因而采用电 解液 沿叶身轴向流动代替传 统的侧 流法, 确保了 加工表 面各部 位流 场较为均匀。实践表明此法加 工过程稳定, 短路、结疤几率小。
( 4) 条料毛坯。对小扭角、窄缘板、小尺寸的叶片来说, 毛坯 采用全方位加工方案 较经济。据 R#R 公司的经验, 此方案 的经
2 钛合金叶片电解加工技术的进展
由于解决了钛合金电解加 工的技术难题, 因此, 成功地用此 工艺加工出了薄 型、低展 弦比 压气 机叶 片和 大型 风扇 叶片 ( 图 1) 。
钛合金叶片由于材 料的特 殊性难 于采用切 削加工, 也 很难 得到无余量精密毛坯( 精锻及辊轧) 。而 采用电解加工则能较好 地解决 切削加工 中遇到的效 率低、刀具磨损严 重、变 形、烧 伤等
以至消除 。图 6 显示了随频 率的提高端面过切量明 显减小、棱边清晰度 显著提 高。上述 结果 从不 同方 面揭示了 随频率的提高集中蚀除能力加强的普遍规 律。随集中蚀除能 力提高整平比亦相应提高。当加 工到全型时, 毛 坯最 大余 量处 已蚀 除 9mm, 而最 小 余量处仅 蚀除 0. 40mm 以内。
此方案 可较好地解决大 缘板端 面的加工 难点, 还可消 除此 类叶片多工 序加工时因变形、过切 和杂散 腐蚀引 起的多 工序间 的相互影响及多次定位造成的积累误差。最近北京航空工艺研 究所已用该 方法成功地试制 出数批 新机小型 精密叶 片, 加工精 度较高, 稳定性较好。 412 高频、窄脉冲电流电解加工( HSPECM)
单晶铸造
复杂且叶型通道窄, 工 具( 铣刀、磨轮、电极等) 可 达性差。 对于 二维不变截面的叶 型, 国 内外多 采用电 解套料。为 适应三 维的 叶型, 要求开 发整体结 构工艺, 多坐标展 成法及多坐 标送进、全 型复制的电解成型技 术随之应运而生。