以柔克刚,电解加工在航空制造领域大显身手

随着航空技术的发展,飞机上的关键部件制造要求也变得更高,材料需要具有良好的强度、耐高温、抗腐蚀特性,加工精度标准也变得近乎苛刻。
随着航空技术的发展,飞机上的关键部件制造要求也变得更高,材料需要具有良好的强度、耐高温、抗腐蚀特性,加工精度标准也变得近乎苛刻。

随着航空技术的发展,飞机上的关键部件制造要求也变得更高,材料需要具有良好的强度、耐高温、抗腐蚀特性,加工精度标准也变得近乎苛刻。在这样的一种制造指标体系下,传统的加工方式很难处理这类硬度大、加工精度需求高的零件,因为这样的材料会对加工设备带来较大的损害。硬碰硬不行,那我们换一种思路,通过以柔克刚的方式克服加工困难行吗?答案是肯定的,这就是小编今天要跟大家介绍的电解加工技术。

电解加工技术

1.电解加工的概念和原理 

电解加工是一种发展较快、应用较广的特种加工技术,利用金属中含有的其他元素或杂质接触电解液后会形成许多“微电池”而放电,从而形成电化学腐蚀来去除工件材料的一种特殊加工方法。

电解加工过程示意

电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解”作用使工件加工成形的。工件接直流电源的正极,为阳极。按所需形状制成的工具接直流电源的负极,为阴极。电解液从两极间隙中高速流过。当工具阴极向工件进给并保持一定间隙时即产生电化学反应,在相对于阴极的工件表面上,金属材料按对应于工具阴极型面的形状不断地被溶解到电解液中,电解产物被高速电解液流带走,于是在工件的相应表面上就加工出与阴极型面相对应的形状。

电解加工原理

2.电解加工的特点

加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料,并且不受材料的强度、硬度、 韧性等机械、物理性能的限制,加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。

电解加工适用于各类导电材料

生产率高,且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。电解加工能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型腔、型面和型孔,而且加工速度可以和电流密度成比例地增加。据统计,电解加工的生产率约为电火花加工的5至 10 倍,在某些情况下,甚至可以超过机械切削加工。

简单的进给运动加工复杂型腔面

加工质量好。电解加工可获得一定的加工精度和较低的表面粗糙度。加工精度(mm):型面和型腔为± 0.05~0.20;型孔和套料为± 0.03~0.05。表面粗糙度(μm):对于一般中、高碳钢和合金钢,可稳定地达到 Ra1.6~0.4,有些合金钢可达到 Ra0.1。

电解加工良好的加工精度

可用于加工薄壁和易变形零件。电解加工过程中工具和工件不接触,不存在机械切削力,不产生残余应力和变形,没有飞边毛刺。另外,在电解加工过程中工具阴极上仅仅析出氢气,而不发生溶解反应,所以没有损耗。只有在产生火花、短路等异常现象时才会导致阴极损伤。

电解加工技术 用于薄壁结构

3.电解加工在航空制造领域的应用

困扰航空发动机整体复杂结构件加工制造的问题主要表现在两个方面:一是整体复杂结构件从毛坯件加工成形的材料去除量普遍偏大,加之多采用难切削材料,如大型风扇、压气机前段一二级整体叶盘、各类风扇和压气机机匣等;二是某些结构件设计(如复杂的曲面形状、超薄的结构、狭小的空间等)带来的加工困难、精度和表面粗糙度难以保证等问题,如各种超薄弯扭的叶片、燃烧室薄壁壳体、扩压器异形通道结构、压气机末段四五级高温合金整体叶盘等。

电解加工机床

电解加工过程

实践表明,不可能采用或局限于一种加工方法解决各种整体复杂结构件加工制造面临的所有问题,而应根据结构件的具体情况选择合适的加工方法,甚至是多种方法的组合才能形成最经济合理的工艺路线。精密电解加工技术不失为一种重要工艺方法。

电解加工设备原理图

叶片电解加工

叶片精密电解加工采用双加工电极,在一道工序内同时完成对叶片的叶盆、叶背、进排气边缘、根部和缘板的加工。在高品质电解加工液作用下,通过振动进给的电极与高频加工脉冲的准确匹配实现材料的精确蚀除,达到高形状复制精度和低表面粗糙度。

电解加工的叶片毛坯

对于中小型特别是超薄(叶片最小厚度小于1mm)且叶型弯扭极不规则的叶片,精密电解加工不仅有极高的加工效率,还能解决其他加工方法难以加工、不能获得理想的形状精度和表面质量的问题,因而是此类叶片加工的最佳工艺方法。

电解加工技术制造的超薄叶片

 

机匣壳体电解加工

机匣壳体加工最大的特点是材料去除量大,这是最能发挥电解加工高生产效率的地方,也是其重要的应用领域。大中型机匣电解加工的主要目的是高效去除材料,一般采用大加工面积的电极,需要大型的加工设备。大容量的加工电源和大流量的电解液系统,一次性投资大,同时需要针对具体的机匣结构加工要求设计数套不同的加工电极和工装,工艺准备和实施相对复杂。因此,只有当各类机匣的年产量达到一定的规模和数量时,建立机匣电解加工生产线才最为经济合理,在保证生产周期的同时大幅降低成本。

大型机匣电解加工设备

对一些中小型的薄壁机匣壳体,由于加工过程中存在变形及刀具干涉问题,导致数控铣削等其他工艺方法很难或无法实现加工,精密电解加工不仅能在壳体外壁上准确加工出各种形状的凸台和凹槽,也能在壳体内壁上进行加工,,加工后的薄壁零件不变形,工艺优势明显。

中小型薄壁机匣壳体

整体叶盘电解加工

整体叶盘无疑是目前和今后航空发动机中最重要的整体复杂结构件,是航空制造领域关注和研究的重点对象,整体叶盘要在盘体上加工出几十个周向密集分布的叶片,并要保证所有叶片型面、进排气边缘、根部和叶间流道的尺寸、形状、位置精度和表面质量合格,其复杂的结构设计、高要求的加工精度和表面质量给制造带来极大的困难。

发动机整体叶盘检测

整体叶盘叶型精密电解加工采用两道工序,首先是叶型初成形加工。采用套料电解的方式,在叶盘坯体上预先开槽并加工出大致的叶片形状,初成形电解加工主要追求的是加工效率和速度,并为下一道叶型精密电解终成形加工预留1~2mm 的加工余量,加工精度要求不高(允许0.3~0.5mm 误差)。

叶型初成形加工

然后是叶型精密终成形加工。采用振动电解的方式,通过两个成形电极(叶盆和叶背),对已初成形的叶型进行双面精密振动电解成形加工,并通过多轴联动同时加工出叶片根部及叶间流道,终成形电解加工以保证叶片最终尺寸和型面轮廓精度要求为目标。

叶型精密终成形加工

航空新材料电解加工

钛铝系金属间化合物是国内外重点开展研制的下一代航空材料,而该种化合物的塑性变形和切削加工性能很差,成形和加工非常困难,但这不会对精密电解加工构成决定性的障碍。由于没有其他成形和加工手段,只能从挤压出雏形的原始材料逐步电解加工出最终的叶片叶形。因此,一旦此类材料研制成熟并开始大量应用于航空发动机,精密电解加工必将在其中发挥重要作用。

电解加工可处理超硬导电材料

作者:航空制造网

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