航空發動機整流器精密振動電解加工技術研究*

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

航空發動機增推減重是航空動力不懈追求的目標[1]。新一代先進航空發動機采用大量復雜整體結構零件，簡化結構、減輕重量，省去了大量零組件裝配工序，提高了發動機整體性能，但同時增加了復雜整體結構的加工難度[2–3]。

整流器是航空發動機壓氣機靜子的重要部件，其制造精度直接影響壓氣機的工作性能和效率[4]。在新一代先進航空發動機研制中，采用整體加工成形的整流器，結構形式類似整體葉環，主要特點包括： （1）葉柵密集，流道空間狹窄，結構開敞性差；（2）葉片形狀復雜，葉型彎扭、輕??；（3）材料一般為鎳基高溫合金、金屬間化合物等難加工材料。機械加工過程中刀具可達性差，接刀、顫振問題嚴重，葉型無法實現平滑過渡，加工效率低，刀具費用大，葉片表面質量難以保證，采用單一的機械加工方法難以解決此類零件的加工難題[2]。根據結構件的具體情況選擇合適的加工方法，甚至是多種方法的組合才能形成最經濟合理的工藝路線[5]。

電解加工具有許多獨特的優點，如無工具損耗、與材料硬度無關、生產率高、表面質量好、可加工三維復雜形狀等[6]。國內外的研究與實踐表明，電解加工是鎳基高溫合金等難加工材料復雜整體結構實現低成本、高效率加工的重要技術途徑[7–8]。但是電解加工過程中會產生大量的電解產物、氣泡和焦耳熱，使電解液電導率在流動方向上發生變化，致使材料溶解速度變得不均勻。某些情況下，電解液流場中會出現空穴、死水區、分離流等，使加工過程穩定性難以保證，甚至會發生短路燒傷等現象，嚴重時會導致工件報廢[9]。

電解加工的成型精度與加工間隙的大小有關。加工間隙越小、分布越均勻時，加工出的型面與陰極的型面的一致性越好，加工精度越高。精密振動電解加工在脈沖電解加工基礎上引入了陰極振動，采用了小間隙加工、大間隙沖刷的加工方式，提高了小間隙加工的傳質水平，解決了直流或脈沖電解加工中出現的均化流場困難、溶解速度不均等問題，使得加工復雜的三維型面時也能達到較小和穩定的加工間隙，提高了加工精度，相比傳統電解加工能夠獲得更好的成形精度和表面質量[10–11]。

采用精密振動電解加工技術，利用葉盆/葉背電極雙面同步進給加工方法，通過高頻脈沖與低頻振動耦合、陰極型面數據批量優化處理、流場仿真物理模型建立與分析，結合正交試驗驗證，得到了優化的工藝參數，實現了GH4169高溫合金壓氣機整流器的高效精密加工。工藝過程穩定，加工精度和表面質量滿足技術指標。

關鍵工藝問題分析

電解加工的核心問題是如何達到均勻、穩定的小間隙加工狀態，這是獲得高精度、高效率、高表面質量的根本途徑，也是電解加工所追求的目標[12]。具有葉柵密集、流道空間狹窄、結構開敞性差特點的航空發動機整流器精密振動電解加工的關鍵工藝問題主要包括高頻脈沖電源脈沖電流的輸出與陰極振動的精確匹配、陰極加工型面各點法向矢量確定與角度差異條件下的間隙偏離計算、狹窄流道空間內加工陰極與整流器葉片間的均勻化流場設計。

1 高頻脈沖與低頻振動耦合參數選取原則

精密振動電解加工采用高頻脈沖與低頻振動耦合的方式，如圖1所示，脈沖頻率與振動頻率對加工精度也會產生影響。陰極振動會在加工間隙內產生脈動壓力波，有助于改善流場特性，減小電解液中的空穴，增強電解液的更新，降低濃差極化；脈沖頻率越高，脈沖電流的擾動作用更強，有利于抑制加工界面的電化學極化，提高活性。因此，選擇合理的振動頻率與脈沖參數有利于獲得較高的加工精度。

圖1 精密電解加工原理Fig.1 Principle of precision electrochemical machining

精密振動電解加工中的脈沖參數包括陰極振動到最低點附近時，脈沖電源開通角度θon；陰極離開最低位置附近時，脈沖電源關斷角度θoff；脈沖寬度ton、脈沖間歇toff、脈沖數量n、陰極振動頻率f、單個振動循環的加工時間t，滿足式（1）。單個振動循環周期內，上述參數設置應滿足式（2），以保證每個脈沖均能完整輸出。

2 陰極加工型面優化設計

電解加工的成形規律與平衡狀態下的加工間隙有關。在平衡狀態下，電極的進給速度與工件的溶解速度達到動態平衡，如圖2所示（其中Vθ為電極進給速度，Vf為電極上各點的法向進給速度）。根據電解加工的相關理論，工件上M點溶解速度與電極進給速度相等，N點溶解速度等于電極進給速度在N點法向上的分速度。M點處的法向間隙Δn與N點處的法向間隙Δb存在幾何關系：

其中，Δn為加工間隙；η為電流效率；ω為體積電化學當量；κ為電導率；UR為間隙電解液中的電壓降；為陰極進給速度；θ為陰極進給速度與工件表面法線方向的夾角。

圖2 電解加工平衡狀態示意圖Fig.2 Schematic diagram of equilibrium state in electrochemical machining

式（3）為常見的陰極設計方法cosθ計算法的理論基礎。然而，電解加工中的材料蝕除受到電場、流場、化學場等多個物理場的影響，過程復雜。在實際加工中，Δn受到的擾動較多，導致工件表面的成形精度存在一定的誤差。從式（3）可得出，Δn的擾動在N點會被放大1/cosθ倍。因此，當θ角度過大時，N點的加工精度顯著下降。通常認為，當θ> 60°時，法向間隙計算誤差過大，不能滿足實際加工的要求，需不斷迭代修正[13]。

對cosθ計算法提出了優化改進，采用分段計算方式，不同范圍的θ角度對應不同的計算方法，如圖3所示。并依此設計了陰極加工型面優化設計軟件（圖4），大幅提高了加工型面設計可靠性和效率，減少了迭代次數。

圖3 陰極計算方法Fig.3 Calculation method of cathode shape

圖4 陰極優化設計軟件Fig.4 Calculation software of cathode shape

3 電解液流場均勻化設計

精密電解加工過程中，電解液流場狀態會隨著葉盆、葉背型面加工陰極的運動進給而產生變化。而整體整流器的葉片厚度較小，在高速流場的沖刷下容易產生變形和顫振，造成加工間隙的波動，降低加工精度，甚至導致短路。因此，電解液流場設計時需要全面考慮加工過程中流場狀態變化的問題[14]。

葉型電解加工時，流場布局一般有徑向流動和側向流動兩種方式（圖5）。沿葉尖方向的徑向流動方式目前在加工整體葉盤葉型中較多采用，這種流動方式流程雖然相對較長，但因沿流動方向的葉型型面變化小，對電解液流動的阻力較小，有利于加工過程中電解液的流動，可獲得較為穩定的加工流場，同時保證流場均勻性的工裝結構簡單。而在葉柵密集、流道空間狹窄的整流器葉片加工中，電解液流場只能采用側向流動方式。在電解液側向流動時，進液的一側由于電解液與前緣點撞擊，會產生激波振動，局部的沖刷方向與流速分散，控制較困難；出液一側的邊緣處，電解液活性相對較差，導致沿程間隙發生變化，而在電解液離開加工區域的瞬間，壓力場突變，會出現混氣、渦流等，對出液處的流場狀態產生影響。因此，對電解加工過程中的流場進行了仿真分析，以期獲得理想的加工流場狀態。

圖5 葉片型面加工電解液流動方式示意圖Fig.5 Schematic diagram of electrolyte flow mode in blade machining

采用加工陰極與進液裝置、葉型等組合設計的方法，使葉盆、葉背加工陰極和進水裝置在加工過程中形成一個相對封閉的腔，即加工過程中的電解液流道。建立了流場仿真物理模型，如圖6所示。

為了簡化流場仿真的計算過程，對流場物理模型做出以下假設：

（1）加工間隙中的電解液為不可壓縮的連續流體，電解液的黏度系數為常值。

（2）電解液的剪切應力與剪切應變遵循牛頓內摩擦定律。

（3）加工過程無熱量產生，無熱量傳遞，電解液的溫度保持恒定。

（4）忽略陽極上產生的氣泡和電解產物對流場的影響。

（5）忽略陰極振動導致的加工間隙改變。

假設陰陽極之間電解液的流場狀態為完全湍流，忽略分子黏性的影響。使用流場控制方程為連續性方程和Navier–Stokes方程，采用標準k–ε湍流模型[15]進行求解，不考慮重力的影響，標準k–ε模型為

其中，ε為耗散率；ρ為密度；k為湍流能；σk和σε為湍動能k的湍流普朗特數；μ為動力黏度；Gk表示平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb表示由于浮力影響引起的湍動能產生；C1ε、C3ε、C2ε均為默認值常數；湍流黏性系數

流場仿真參數如表1所示。

流場仿真計算結果如圖7所示。從圖7（a）流速分布圖中可以看出，加工間隙中的電解液流速無明顯波動，流速分布均勻，葉盆與葉背加工間隙中的電解液流速基本相同。從圖7（b）電解液壓力分布圖中可看出，沿電解液入口往電解液出口方向，電解液壓力呈梯度下降分布，葉盆與葉背加工間隙中的電解壓力分布一致性較高。

圖6 流場仿真物理模型截面示意圖Fig.6 Schematic diagram of physical model cross section of flow field simulation

由以上仿真結果可得，采用上述陰極和電解液側向流動方式，電解液入口壓力0.6MPa時，葉片兩側的電解液流場分布均勻性和一致性較好。加工過程中，電解液對葉片兩側的壓力能夠保持平衡，不會產生變形和顫振，保證了加工間隙狀態的穩定，有利于提高加工精度和表面質量。

整流器精密振動電解加工試驗

1 試驗對象及設備

試驗對象為某型航空發動機整流器，材料為GH4169，葉柵高度約31mm，寬度約10mm。

試驗在精密振動電解試驗設備上進行。該設備采用高頻窄脈沖電源，具有完善的納秒級短路保護系統，可確保加工過程中設備、電極及工件的安全性。設備振動頭頻率為50Hz，振幅為0.3mm，主軸動態進給精度0.01mm，能夠滿足整流器葉片高精度的加工要求。

2 電解液的選擇

針對鎳基高溫合金開展電解液的選擇，需首先確定材料中所含元素的電極反應順序。電解加工過程中電極反應的順序與電極電位有關，在陽極，電極電位最負的物質最先失去電子而被陽極溶解。GH4169的化學成分及其主要元素的陽極反應的電極電位[16]見表2和3，在含量較多的元素中，Cr元素的電極電位最負，最先發生電極反應，隨后由于陽極極化而使其陽極電位正移，Nb、Ni、Mo、Fe等元素逐漸參加電極反應而發生陽極溶解。

表1 流場仿真參數Table 1 Flow field simulation parameter

圖7 流場仿真計算結果Fig.7 Result of flow field simulation

表2 GH4169的化學成分（質量分數）Table 2 GH4169 chemical composition (mass fraction) %

一般情況下，電解液的選擇需兼顧葉片型面的加工精度、加工效率和表面質量。隨著電解加工技術的發展，對電解液的新要求也不斷提出，因此很難找到一種電解液能夠同時滿足所有的要求，需要根據加工要求以及被加工材料的特性，對其進行有針對性的選擇。

當前生產中常用的電解液主要有NaCl、NaNO3、NaClO33種，在復合電解液中也以此3種的相互復合居多。NaNO3電解液能夠同時兼顧加工精度、加工效率、加工穩定性和表面質量等方面的問題。

基于上述分析與先前相關研究，對各個加工參數的水平范圍進行初選。試驗采用10%～15%的NaNO3電解液，進行整流器葉片的精密振動電解加工工藝試驗。利用L9（34）正交表進行正交試驗，因素和水平見表4。其他試驗參數如下：陰極振幅0.3mm，脈沖占空比1∶2，電解液溫度23～25℃，電解液壓力0.6MPa。

結果與討論

采用粗糙度檢測儀和REVO五坐標測量設備[17]，分別對加工后整流器葉片試件表面粗糙度和型面精度進行檢測，結果見表5。采用參數組A3B1C3D2電解加工的葉片輪廓度和表面質量最好。其他參數組合下電解加工葉片的表面質量均有所差別。采用參數組A3B1C3D2進行了整流器葉片的精密振動電解加工。

利用掃描電子顯微鏡對加工后葉片表面進行組織形貌觀察，精密振動電解加工的葉片表面未發現晶間腐蝕及點蝕，如圖8所示。對加工表面和基體組織進行能譜分析，結果表明精密振動電解加工表面與基體的化學成分一致，未發現選擇性腐蝕現象，如圖9所示。

表3 GH4169合金中各元素的電極反應及標準電極電位Table 3 Electrode reaction and standard electrode potential of different elements in GH4169

表4 因素和水平Table 4 Factors and levels

表5 正交試驗結果Table 5 Results of orthogonal test

圖8 電解加工葉片的橫截面微觀組織SEM觀察Fig.8 SEM observation of cross section microstructure of electrochemical machining blade

圖9 電解加工葉片表面能譜分析Fig.9 Energy spectrum analysis of electrochemical machining surface

對24件試驗件進行了高周疲勞試驗考核，分析試驗數據計算得到1×107次循環的中值疲勞強度為518.57MPa，試驗數據滿足5%誤差限度，95%置信度要求。

結論

（1）采用高頻脈沖與低頻振動耦合的精密振動電解加工技術，有利于獲得均勻、穩定的小間隙加工狀態，得到較高的加工精度和好的表面質量，是實現鎳基高溫合金等難加工材料復雜整體結構低成本、高效率、高精度加工的重要技術途徑。

（2）采用多種計算方式相結合的方法，解決了陰極型面設計中θ角度過大，特別是大于60°時，導致型面設計誤差過大的問題，并利用自主開發設計的軟件實現了陰極型面設計數據的批處理，大幅縮短了陰極型面設計定型周期。

（3）建立了流場仿真物理模型，采用標準k–ε湍流模型對加工區域的電解液流場進行了仿真分析，得到了流速分布均勻，葉片兩側流場壓力分布基本一致的電解液流場，保證了電解加工過程的穩定。

（4）在加工電壓15V、振動頻率20Hz、開通角度160°～190°、脈沖頻率3000Hz時的葉片型面輪廓度為– 0.023 ～ + 0.025mm，表面粗糙度值Ra為0.55μm。經組織形貌觀察，葉片表面無晶間腐蝕和點蝕，未發現選擇性腐蝕現象。

（5）研制的GH4169高溫合金整流器通過了高周疲勞性能考核，成功應用于航空發動機研制中，為精密振動電解加工技術在難加工材料復雜整體結構上的應用提供了有力的技術支撐。