電加工技術在航空制造中的應用及發(fā)展

沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司特種工藝研究所一級專家 王德新

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，電加工技術得到了極大的發(fā)展，電加工技術在航空制造中起到重要作用，正如一位航天業(yè)資深專家所說：“沒有特種加工，就沒有神舟的上天，就沒有我國的航天、航空制造業(yè)的發(fā)展?！庇纱俗C明了這項技術的重要性。

電加工技術在航空制造中的應用

電加工技術與傳統(tǒng)的切削加工的區(qū)別在于，它是直接利用電能、電化學能等對工件進行加工的方法，它的特點是：①加工過程不再主要依靠機械能，而是直接或復合利用其他能量完成工件的加工。②加工所用工具材料的硬度可以低于被加工材料的硬度，做到“以柔克剛”。③加工過程中工具與工件之間不存在顯著的機械切削力。由于以上的特點，電加工技術被廣泛地應用于航空發(fā)動機制造中，以解決難加工材料、復雜結(jié)構(gòu)形狀及高精度零件的加工。

電加工在航空制造上的應用有以下幾個方面：

（1）復雜零件空間角度小孔、異形孔加工 航空發(fā)動機的渦輪葉片、火焰筒等零件中有大量的冷卻氣膜孔，這些小孔數(shù)量多，空間位置復雜，精度和質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)的機械鉆削根本無法加工，采用多軸數(shù)控電火花高速打孔可以實現(xiàn)高效加工。

電火花高速打孔的孔徑范圍為φ0.3～φ3mm，孔徑精度可達±0.05mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm，孔內(nèi)表面重熔層厚度一般為0.03mm左右，重熔層厚度與加工中的工藝參數(shù)有關，單個脈沖能量的大小對重熔層影響很大，因此打孔時要控制單個脈沖能量，獲得小的重熔層。

（2）蜂窩密封環(huán)件電火花磨削加工 發(fā)動機上的蜂窩密封環(huán)是由0.05mm厚的高溫合金薄片制成，用機械加工方法很難加工，采用電火花磨削加工可以解決這類零件加工的難題。

電火花磨削加工精度可達到0.1mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm，加工效率較低，一般只有100～200mm3/min。

（3）高效放電銑削加工 高效放電銑削加工是我國開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術，它采用簡單的空心銅管作電極，對航空難加工材料可實現(xiàn)高效加工，效率高達2000mm3/min以上，在整體葉盤開槽和機匣型面加工上得到應用，實現(xiàn)了難加工材料高效低成本加工，該方法適合用于去除大余量的粗加工。

（4）帶冠整體葉盤電火花加工技術 帶冠整體葉盤幾何形狀復雜，材料難切削，其制造成為世界性的難題。航空發(fā)動機的帶冠整體葉盤氣流通道狹窄，刀具會出現(xiàn)干涉。加之高溫合金切削性差，給加工帶來極大的困難，需要一種新的加工方法，不僅能加工，而且要高質(zhì)量、高效率和低成本。

多軸數(shù)控電火花成形加工是解決帶冠整體葉盤加工的優(yōu)選方法，采用五軸數(shù)控電火花加工帶冠整體葉盤，經(jīng)電火花加工其尺寸、形位精度均達到了設計圖樣要求。國內(nèi)研制的五軸數(shù)控電火花成形機床的性能達到了國際水平，上海交通大學開發(fā)的帶冠整體葉盤數(shù)控電火花加工的CAD/CAM軟件，經(jīng)實踐該軟件功能強大，具有電極設計、加工程序自動生成等功能，是實用的軟件工具。

（5）整體葉盤電解加工技術 整體葉盤是先進航空發(fā)動機的重要零件，整體葉盤制造難度大。電解加工是整體葉盤諸多制造方法中優(yōu)選方法之一。電解加工整體葉盤與數(shù)控銑削方法相比有著效率高、成本低等優(yōu)點，在批量生產(chǎn)中電解加工是實現(xiàn)整體葉盤優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的制造方法。

國內(nèi)從20世紀80年代就開始整體葉盤電解加工工藝研究，但由于受計算機和數(shù)控技術的制約，一直沒有工程化應用。隨著對電解加工的深入研究及計算機數(shù)控技術的發(fā)展，整體葉盤電解加工技術的研究有了很大進展，南航采用電解加工透平機上的整體葉盤， 625所用電解套料加工了鈦合金的整體葉盤的流道，在電解加工整體葉盤上取得了可喜的成果。

（6）葉片型面電解加工 葉片型面電解加工在國內(nèi)應用較早，在20世紀60年代就已成功地應用于發(fā)動機葉片的生產(chǎn)，電解加工葉片型面加工效率高，尤其適合弱剛性薄葉片的加工，受到電解設備精度影響，國內(nèi)葉片電解加工精度較低，電解加工后還需要進行機械精加工。國外已經(jīng)開發(fā)了精密微細窄脈沖電解加工技術，實現(xiàn)了葉片無余量精密電解加工。

除了上述應用外，還有電火花線切割加工、電火花強化、電解去毛刺等均在航空制造業(yè)上得到廣泛應用，但國內(nèi)在設備性能、精度及工藝水平上與國外相比還存在差距，還需要航空工藝技術人員努力，趕超國際先進水平。

國外電加工技術的發(fā)展

國外對先進的電加工技術十分重視，尤其在航空制造上其技術發(fā)展迅速，如電射流技術、激光電火花復合加工技術、整體葉盤精密電解加工技術、電火花表面改性技術都率先在航空制造上得到應用。

（1）電射流加工技術 電射流加工技術在國內(nèi)也稱作電液束加工技術，它采用玻璃管電極，酸性溶液通過高壓輸液泵壓入導電密封頭進入空芯的陰極中，使電解液流束“陰極化”而帶負電，形成持續(xù)液束流，射向工件的待加工部位，對陽極工件進行溶解加工，電射流加工中既有陽極金屬溶解的過程，也有化學加工的作用，實際加工去除率遠大于按法拉第定律的電化學作用的金屬去除量。

2.問題的設置要有一定的啟發(fā)性。教師在進行問題設置時必須注意其啟發(fā)性，學生在思考的時候便會有一定的疑惑，這樣很容易讓學生為了問題進行爭論，這樣，學生的交流也會增多，學生的思維也很容易得到開發(fā)，比如說教師在教學時，設置問題啟發(fā)學生進行思考，并對學生進行一定引導，這樣學生在思考問題時，便會愿意更加積極地進行探索，從而不斷提高自身的思維創(chuàng)造力和探究性思維。教師在設置問題時，應該設置一些靈活性比較強的題目，并對學生進行啟發(fā)，教會學生舉一反三，這樣學生的思維會更加靈活，很容易學會一類題的解法。

電射流加工適用于加工φ0.15mm～φ1mm的小孔加工，深徑比可達50∶1，電射流加工的表面無再鑄層、無微裂紋、無熱影響區(qū)，表面粗糙度值Ra≤1.6μm，加工表面光滑，在進出口有倒圓，有利于氣流的流動，提高航空發(fā)動機的性能，缺點是使用的玻璃管電極易碎。在此基礎上國外開發(fā)了金屬管加工工藝。美國GE公司和英國RR公司用該技術加工航空發(fā)動機的零部件，已實現(xiàn)工程應用。

（2）整體葉盤的電加工技術 美國的F414發(fā)動機，共采用了5級整體葉盤，使零件減少了484件，推重比與原型機F404相比由7.5提高到9.1；歐洲發(fā)動機公司聯(lián)合研制的EJ200發(fā)動機，由于風扇、壓氣機和渦輪采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，減重比達到了30%～50%；這些整體葉盤均是采用電解加工的。采用電解加工整體葉盤加工時間比原來用數(shù)控銑削減少約85%，避免了機械加工中容易產(chǎn)生的殘余應力和變形，加工出的葉型面公差為0.1mm，數(shù)控電解加工在整體葉盤的制造中有著獨特的作用。國外數(shù)控多軸電解加工設備已應用于生產(chǎn)，高頻窄脈沖精密電解加工精度可以達到微米級，整體葉盤經(jīng)精密電解加工后可以達到圖樣要求，加工效率高、成本低，該技術被稱為“21世紀的先進制造技術”。

（3）電加工新技術 電火花加工技術從零件的粗加工逐漸向零件的精加工轉(zhuǎn)變，瑞士阿奇夏米爾公司推出用于航空發(fā)動機渦輪盤榫槽加工的精密慢走絲線切割機床，該設備的粗加工切割速度可達600mm2/min。線切割加工只需較少的切割遍數(shù)就可達到粗糙度值Ra=0.8μm。在對渦輪盤榫槽進行粗割和修切4遍后的工件表面損傷層情況：粗割已經(jīng)可以達到小于10μm的平均變質(zhì)層且沒有明顯的熱變形，經(jīng)過修切4遍后，變質(zhì)層僅有約1.5μm，且沒有明顯的表面異常。采用該項技術可以代替現(xiàn)在的渦輪盤榫槽拉削工藝，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。

利用脈沖放電的表面處理技術：這是一種基于電火花加工原理，在加工液中放電，從而獲得表面處理和表面附層的一種技術。通過脈沖放電，使得電極的材料滲入或鍍覆到零件表面，與零件材料元素重新結(jié)合，使零件表面性能改變，提高零件的耐磨性和使用壽命。在國外航空發(fā)動機大修工藝中采用了大量的脈沖放電加工工藝技術，有效地提高了零件的使用壽命。

復合加工工藝技術：隨著航空發(fā)動機性能的提高，許多新材料、新技術的應用，使加工難度加大，單一的加工方法很難達到，出現(xiàn)了許多復合加工技術。激光電火花復合加工技術有效地解決了帶有絕緣高溫涂層材料零件的打孔問題；電火花電解復合加工技術既提高了加工效率，又保證了零件的加工；電解磨削加工解決了薄壁弱剛性零件高效加工的問題。國外在激光電火花復合加工和電解磨削加工技術的應用越來越多。

差距分析

電加工技術對傳統(tǒng)的機械加工技術起到了重要的補充作用，在航空制造業(yè)中占有重要的地位，應用越來越廣泛。但是與國外相比還有很大的差距，要正確的認識這一點，使電加工技術快速發(fā)展。主要差距有以下幾個方面：

（1）電加工設備性能差 國內(nèi)生產(chǎn)的電加工設備性能和精度還處于中低檔水平，對于高檔電加工設備主要依靠進口，航空制造業(yè)的電加工機床以國產(chǎn)機床為主，造成電加工精度不高，多數(shù)的電加工還只能作為粗加工。

（2）電加工工藝水平低 設備是工藝的載體，設備性能影響了工藝技術水平的提高。目前，缺少對工藝技術應用開發(fā)的研究，尤其是缺少對電加工工藝的“二次開發(fā)”，由于對電加工設備的功能和工藝技術掌握不熟練，加工精度和加工效率不高，造成能用機械加工的就不用電加工，使電加工設備的利用率不高。工廠對引進電加工設備態(tài)度不積極。加上行業(yè)之間缺乏技術交流與溝通，電加工工藝技術水平難以提高。

（3）電加工設備老化 技術改造投入少，航空制造業(yè)電加工設備嚴重老化，技術改造速度慢，跟不上技術發(fā)展，電加工質(zhì)量不高。不能適應新機研制需求，電加工已經(jīng)成為生產(chǎn)、技術的“瓶頸”。

（4）缺乏電加工工藝人才 電加工在機械制造中還是從屬于機械加工的范圍，在工廠里是一個小專業(yè)，專業(yè)技術人才少，大多都是兼職的機械加工工藝員，對電加工工藝技術了解不深，很難把電加工工藝做精做好，這也是工藝技術落后的一個原因。電加工專業(yè)工藝人員匱乏，致使電加工技術發(fā)展乏力。

應對策略

在未來的航空工業(yè)的激烈競爭中，制造技術的綜合能力將在很大程度上取決于特種加工技術的能力，在技術競爭中誰掌握了特種加工技術，誰就掌握了競爭的主動權(quán)。縱觀國內(nèi)外先進航空發(fā)動機制造企業(yè)，其強大的動因就在于掌握先進的核心技術，具有強大的技術研發(fā)能力。為此航空制造業(yè)要在電加工技術發(fā)展方面做好對策：

（1）加強專業(yè)技術隊伍建設 積極引進人才，重視人才，形成高、中、低的人才搭配的技術隊伍。建立完備的科研技術體系，開展電加工技術的應用研究，突破航空制造中電加工的技術關鍵。

（2）加強電加工技術研究工作 對于適合于航空制造的電加工技術開展深入研究，尤其是新技術、新工藝的應用研究。這樣才能真正掌握核心技術，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術，實現(xiàn)技術創(chuàng)新，以滿足航空制造的需求。

（3）堅持引進、消化、吸收的創(chuàng)新道路 對先進的電加工技術及設備要積極引進，做好消化吸收工作，要做好二次開發(fā)，要充分發(fā)揮引進設備的作用，并自主開發(fā)專用設備，把技術轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

（4）積極開發(fā)國內(nèi)的現(xiàn)有技術 對于高校、研究所開發(fā)出的先進制造技術要及時推廣。如電液束加工技術，精密電解加工技術，高效放電銑削加工技術，這些技術具有先進性、實用性，適合國內(nèi)航空制造的國情，做到量體裁衣，實現(xiàn)快速發(fā)展。

一個強大的先進航空制造業(yè)，對我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國家安全和人民福祉不可或缺。先進的充滿創(chuàng)新活力的電加工技術能給航空制造業(yè)注入新的動力，促進航空制造業(yè)的快速發(fā)展，期待我國航空工業(yè)實現(xiàn)新的飛躍，躋身于世界先進行列。