深細孔與超深孔電化學加工技術應用分析

傅軍英,張明岐

(北京航空制造工程研究所,北京100024)

現代制造技術中,制孔工藝已成為重要的分支,尤其是高深徑比的超深孔及微小深孔結構,其加工難度大、工藝復雜,已成為重點研究的領域[1]。在深細小孔加工方面,以航空、航天、船舶等軍工領域應用最多。航空發動機中的小孔數量多,且多為高溫合金、鈦合金等難加工材料,加工精度和表面質量要求很高,傳統深孔機械加工技術已無法滿足,須采用特種加工技術。但由于在某些結構上對孔加工的表面質量提出了更高的要求,應用分支更加細化。例如,航空發動機葉片上大量的氣膜冷卻小孔,直徑一般在0.5 mm以下,目前采用的制造方法有激光加工、電火花加工與電化學加工。激光、電火花等熱加工工藝,因加工熱會導致再鑄層、微裂紋和熱影響區的出現,必須經后續處理才能滿足設計性能與壽命要求。而對于應用單晶材料的工作葉片氣膜孔加工,熱加工還會帶來材料再結晶的隱患,因此只能采用電化學加工方法。

航空、航天及兵器工業中,出現了越來越多的超深孔結構,如航空發動機導向葉片的油道孔、尾緣深孔等結構的深徑比超過50∶1,且截面為橢圓;在船舶工業中甚至出現了深徑比達500∶1的超長深細孔。類似這些特殊結構的孔,電化學加工工藝是最具應用價值的重要技術。針對這些較為特殊的深細小孔及超深孔的加工,探討分析電化學技術在制孔領域上的應用極為必要。

1 國內外深孔電化學加工技術概況

1.1 國外技術研究應用概況

隨著航空航天科技、計算機及微電子技術、新型工程材料和醫學技術的發展,在復雜形狀零件上出現了很多深細孔、超深孔,甚至是異型孔,且多采用超硬、高強度、低導熱性的難加工材料,超出了傳統加工技術的能力范圍。20世紀中期,發達國家開始探索采用特種加工技術手段實現此類結構的加工,其中在加工品質要求較高的軍工產品深細小孔及高深徑比孔的加工方面,著重探索電化學加工技術。

美國GE公司早在20世紀60年代便開始探索航空發動機葉片氣膜冷卻孔高品質加工的技術解決方案,在原有電化學加工技術的基礎上成功研發了電射流技術,可實現直徑0.2～0.5 mm、深徑比達100:1的圓形小孔的優質加工,還能加工形狀更為復雜的小孔(如拉瓦爾噴嘴形、竹節形孔)。至今已實現了高效多工位多孔加工,主要用于實現渦輪葉片及導向葉片氣冷孔、尾緣孔及發動機噴油孔等優質加工方面。同時采用金屬型管電化學加工方法(Shaped tube electrolytic machining)加工直徑在0.5～6 mm范圍內的深孔,深徑比可達300∶1,其具有表面絕緣涂層的鈦金屬管電極制造技術也實現了工程化[2]。

英、德、法、俄等國家在美國專利技術的基礎上,均進行了深孔高品質電化學加工技術的研究,并形成了各自的特色。英國R.R公司采用CD(Capillary drilling)方法,用玻璃直管電極加工高溫渦輪葉片尾部直徑0.4 mm、深15 mm 的小孔(圖 1)。英國Winbro公司研制的四軸電液束加工機床,主要用于加工渦輪葉片氣膜冷卻孔,可加工孔徑范圍在0.3～0.5 mm,孔深達 10 mm(圖 2)。英國 ELE、德國MT U發動機公司報道采用金屬型管STEM技術加工堅硬、耐蝕材料上的深孔,包括渦輪葉片和噴嘴導向葉片上的圓小孔、機翼后緣孔、氣膜冷卻孔和紊流冷卻孔,加工孔徑為0.5～7 mm(圖3)。

圖3 英國ELE公司的金屬型管加工工藝及樣件

此外,在深孔加工的電化學加工機理研究方面,各國也進行了較系統的研究,英國、美國、印度等大學和研究機構在加工機理探索、參數優化、表面質量改善等方面做了大量的研究工作,他們十分重視電化學技術在深孔加工方面的研究和探索,并已形成了完備的深孔電化學加工技術體系,依據加工孔徑和深徑比,同時考慮加工品質要求及經濟型等方面,合理地選擇不同的制孔工藝。

1.2 國內技術發展現狀

北京航空制造工程研究所自20世紀80年代起就對電液束加工技術進行了系統研究,突破了加工工藝、玻璃管電極研制及電極封裝等多項關鍵技術,并自主完成了電液束加工工程化樣機的研制(圖4)。目前,該項技術成果主要應用于多種航空發動機葉片高品質氣膜冷卻孔的加工,滿足了小孔加工表面“三無”(無重熔層、無微裂紋、無熱影響區)的要求,技術成熟穩定,接近于工程化應用水平。

圖4 北京航空制造工程研究所的電化學制孔設備

電化學加工與其它制孔方法相比,主要優勢是加工速度與材料的強度、硬度呈無關性,且可加工的深徑比大、表面質量好[3]。因此,為了解決航空發動機、航天等武器裝備或民用工業產品中出現的超深孔加工,北京航空制造工程研究所除了開展玻璃管電極電液束加工技術外,還在以電化學加工為基礎的制孔技術方面進行了較深入的研究工作。

2 深孔電化學加工技術分析

2.1 電液束加工技術

航空發動機鑄造空心葉片采用氣膜冷卻結構,分布著大量的冷卻孔,材料為高溫合金、單晶等難切削材料,小孔分布密度高,孔間距小至0.3 mm,孔徑范圍在0.2～0.7 mm,深徑比在5∶1～30∶1。孔徑精度、位置精度要求很高。加工表面不允許有再鑄層、微裂紋和熱影響區,在單晶材料上不允許因加工熱出現再結晶。

電液束工藝(electro stream machining)正是實現上述微小深孔結構加工的最佳途徑。電液束技術是一種優質的小孔冷加工技術,類屬于電化學加工范疇。加工時,金屬工件接陽極,玻璃管電極接陰極。在陰、陽極間施加直流電壓,酸性溶液通過玻璃管形成持續液束流射向工件的加工部位,對陽極工件進行“溶解”加工。圖5是經電液束加工的孔的金相照片。

圖5 電液束制孔金相照片

電液束適宜加工的孔徑范圍為0.2～0.5 mm,但受限于毛細玻璃管電極的剛性,加工小孔的深徑比不超過100∶1,工藝技術的特點主要表現為以下幾方面:

(1)電液束加工技術屬無應力冷態溶解加工,與激光、電火花等熱加工工藝相比,從根本上消除了出現重熔層和由此產生的微裂紋等缺陷的可能,徹底規避了單晶材料的多晶化風險,小孔加工后不需進行后續處理即可滿足加工表面無重熔層、無微裂紋、無熱影響區的高品質要求。

(2)電液束加工的小孔進出口光滑,無毛刺,加工表面粗糙度值低。

(3)電液束加工技術可實現其他方法不能實現或難以實現的特殊角度的小孔加工,如由于目前航空發動機新結構的要求而出現的許多難加工的斜孔、深小孔和特殊位置孔。

(4)電液束加工過程中玻璃管電極無消耗,極大降低了加工成本。電液束加工進給速度可達3.0 mm/min以上,可實現自動監測、自動換位加工,加工效率高[4]。

目前,電液束加工以其公認的高品質,成為先進發動機研制中的重要制造技術。隨著技術的不斷拓展,在民用微電子、醫療器械等方面也有很大的應用前景。

2.2 金屬型管加工技術

金屬型管加工技術建立在電化學陽極溶解原理的基礎上,將電液束加工技術與傳統電化學加工技術相結合,以外表面涂覆絕緣涂層的金屬型管為電極,以酸性溶液為電解液,加工過程中金屬工件接陽極,金屬型管電極接陰極,在陰、陽極間施加直流電壓,凈化的酸性溶液通過金屬型管內腔流入加工區域,對陽極工件進行“溶解”加工,見圖6[5]。

圖6 金屬型管加工原理

該技術屬于典型的電化學冷加工制孔工藝,加工無應力、電極無損耗,加工表面無再鑄層、無微裂紋、無熱影響區。與玻璃管電極電液束技術相比,金屬型管加工技術在保證電極強度及剛性方面更具優勢,且電極制作形狀的靈活性大,更適合直徑范圍在0.5～7 mm孔的高品質加工,加工深徑比可達300∶1,是實現超深孔及異型深孔加工的有效解決方法。

3 結束語

隨著現代工程技術的發展,軍用武器裝備與先進民用產品中深孔結構的加工要求不斷提高,除了航空發動機,在汽車、石油、化工等領域也出現了要求無熱影響的高品質小孔設計,對電化學深孔加工在加工深徑比、尺寸范圍及加工精度上提出了更高的要求。

通過電化學加工技術及特有的冷加工技術特性,電液束加工與金屬型管電化學加工相互銜接,可形成直徑0.2～7 mm、深徑比300∶1以下的高品質深細孔、超深孔、異型孔加工的系統加工技術。在航空、航天、兵器等軍工領域及醫療、電子等民用領域將發揮越來越大的作用。

[1]王峻.現代深孔加工技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2005.

[3]徐家文,云乃彰,王建業,等.電化學加工技術[M].北京:國防工業出版社,2008.

[4]傅軍英,張明岐.電液束自動化加工監控技術[J].航空制造技術,2010(7):78-80.

[5]Sen M,Shan H S.A review of electrochemical macro-to microhole drilling processes[J].International Journal of Machine Tools and M anufacture,2005,45(2):137-152.