CN101704142B

CN101704142B - 一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法

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Publication number: CN101704142B
Application number: CN2009102200143A
Authority: CN
Inventors: 徐斌; 白英纯; 盛文娟; 王德新
Original assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Current assignee: AECC Shenyang Liming Aero Engine Co Ltd
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: CN101704142A

Abstract

一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法，步骤包括：制备叶片毛坯时在叶片毛坯上设置凸台；采用电解加工机床进行电解加工；凸台高度为20～40mm；夹具与凸台夹紧的夹紧面积不小于叶盆侧面总面积的98％；顶尖的压紧力为3000～4000N；电解液进口宽度为叶片厚度的2～3倍，电解液进口沿叶片毛坯进气边对称布置；加工参数为：电极进给速度0.25mm/min～0.40mm/min，加工前延时3s～5s，加工后延时3s～5s，电解液温度为35℃～45℃，电解液的液压为0.3MPa～0.5MPa，压缩空气压力为0.4MPa～0.6MPa；本发明的方法加工出叶型面积大于700cm²的钛合金叶片，该技术可广泛应用于重型燃气轮机，大型航空发动机等钛合金叶片型面的加工，具有广泛的应用前景。

Description

一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法

技术领域

本发明涉及钛合金叶片加工方法，特别涉及一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法。

背景技术

电解加工也称电化学加工，英文名称为electro-chemical machining，缩写ECM。它是利用金属工件在电解液中所产生的电化学阳极溶解作用，而进行加工的方法。在电解加工过程中借助于成型的工具阴极，工件阳极被加工表面的金属按照工具阴极形状被高速溶解，而且随着工具阴极向工件进给，保持很小的加工间隙，使工件被加工表面不断高速溶解，直至工件表面达到符合要求的加工形状和尺寸为止。

钛合金材料质量轻(约是钢的59％)、比强度高，具有较好的热强性和低温韧性，良好的耐腐蚀性能。是理想的压气机叶片材料，适合于在600℃以下长期工作的叶片。在正常加工的条件下，电解加工后钛合金叶片表层平均含氢量不会超过材料氢的含量，但加工条件选择不当时，表层个别处可能会稍超出表中规定数值。

钛合金电解加工的原理及工艺规律虽然和一般材料的电解加工有共同之处，但也有其特殊性，而大尺寸钛合金叶片的电解加工则更为复杂，不仅要解决加工表面易形成钝化膜造成加工困难的问题，同时还要解决工艺路线和工艺方法等问题。制备的叶片叶型面积大于700cm²时，由于叶片型面扭角较大，精度要求较高很难得到无余量精密锻造毛坯；采用多轴数控铣加工需要较大设备，且加工难度较大，刀具损耗大，成本高，周期长，加工方法不当，还易造成表面烧伤、加工变形、被加工表面残余应力过大等，容易出现废品。如果采用电解加工叶身型面，被加工表面无应力、无变形，能较好地解决切削加工中遇到的各种难题，加工中不消耗电极，加工效率高，可减少加工周期，提高经济效益。

关于大尺寸叶片的电解加工方法，徐斌曾进行过一些前期的研究，主要提出了叶片榫头增加工艺凸台，在加工过程中保持电解液的流畅、充分、均匀、稳定，采用活性较强的氯化钠溶液作为电解液，选择合适的电参数等方法，对大尺寸叶片的电解加工提供了一定的指导方向，然而该方案还必须进行实验研究，实际过程需反复摸索加工参数，通常经过多次加工后才能对某种特定的叶片形成一个单独的加工方案，形成可用于规模化生产的技术。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法，目的在于解决大于700mm²的钛合金叶片采用电解加工的问题。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、制备带有凸台的叶片毛坯，凸台为立方体，位于叶片的榫头端面，凸台的宽度与榫头底面相同、长度与榫头底面相同，高度为20～40mm；凸台的顶面与榫头连接在一起，凸台上与顶面相对的底面为导电面；凸台与叶片的叶背同侧的侧面为叶背侧面，与叶片的叶盆同侧的侧面为叶盆侧面，与叶片的进气边同侧的侧面为进气侧面，与叶片的排气边同侧的侧面为排气侧面；叶片的顶端设有圆台，圆台上加工有GB145-85所述的60°A型中心孔。

2、采用电解加工机床，将夹具固定在机床的工作台上，将叶片毛坯放在夹具内，并使夹具夹紧凸台的叶盆侧面，夹具与叶盆侧面的夹紧面积不小于叶盆侧面总面积的98％；将机床的顶尖插入叶片毛坯的中心孔内，将叶片毛坯压紧，压紧力为3000～4000N，导电面与导电构件接触面紧密贴合，接触面积不小于总面积的98％；夹具座的电解液进口宽度为叶片厚度的2～3倍，并且夹具座的电解液进口沿叶片毛坯进气边对称布置，同时夹具座的电解液通道与工作台的电解液通道形成一个向上收敛的水通道；叶片位于叶盆电极和叶背电极之间，叶盆电极和叶背电极的两个下导流板之间的出水通道形面，同样形成收敛的水通道。

3、关闭机床的工作箱，向工作箱内通入电解液，采用同步加工方式对叶片进行电解加工，启动机床，叶盆电极和叶背电极快速向叶片靠近，到达预先设置的转点后，两个动力头慢速开始对刀，对刀后退回至预先设定的位置，回退的距离即为初始间隙，然后距离设定的终点位置较远的动力头阴极先供电启动，进给加工，当两个动力头距离终点位置相同时，另一端等待动力头阴极供电启动，参加进给加工，两动力头同时到达终点后停止进给；阴极断电，关断水、汽，动力头回到起始位置。加工参数为：初始间隙0.5mm～1mm，电极进给速度0.25mm/min～0.40mm/min，加工前延时3s～5s，加工后延时3s～5s，加工电压20V～24V，电解液的成分为单一电解质组分NaCl的水溶液，质量浓度为6～10％，电解液温度为35℃～45℃，电解液的液压为0.3MPa～0.5MPa，压缩空气压力为0.4MPa～0.6MPa；叶片的电解加工面积为700cm²～1000cm²。

上述加工完成后清洗叶片表面去除盐垢，用压缩空气将叶片表面吹干。

上述的叶片毛坯要求叶身无锻造缺陷，内部组织均匀，无残余应力；外观无氧化皮，进气边和排气边型面平滑；工艺凸台的表面粗糙度Ra值为0.8μm～1.6μm；叶片毛坯表面无毛刺；工艺凸台中心孔对叶身中心线垂直、水平方向的偏斜量均不大于0.05mm；型面误差不大于1mm；毛坯余量2.5mm～6mm。

上述的叶片的夹具能够保证工件和阴极之间的相对位置和运动的准确性，形成封闭的加工区域和液流通道。夹具除可安装、定位并夹紧工件外，还具有导电、绝缘、密封、引导电解液流和防腐功能。采用侧流水方式加工，加工时电解液从叶片的进气边流入，同时流经叶盆和叶背后，从叶片的排气边流出，缩短电解液流的流程，液流供应充分，压力损失小。

工具阴极即叶盆电极和叶背电极是确保电解加工成型的重要手段，直接影响加工尺寸精度及加工质量，选用的阴极的材质为1Cr18Ni9Ti，阴极的宽度由叶片进、排气边尺寸的大小决定，阴极宽度大于叶片毛坯宽度2～3mm，尺寸精度等级为IT7～IT8，其工作表面粗糙度值Ra 0.4μm～Ra 0.8μm。阴极具备成型、导流和导电的功能，调整电解液下导流板宽度可以控制电解液的流量，确保加工区液流流畅、均匀和稳定，调整电解液上导流板宽度可以改变背压，以期获得更好的成型效果。

上述的顶尖的动力来自机床的液压系统，安装在油缸活塞杆前端，油缸安装在机床的工作箱体内。

上述的工作箱是密封的，以防止电解加工中电解液泄出。工作箱上有可开启的门，用手搬动控制开关实现工作箱门开启或关闭。打开工作箱加工前装夹零件，加工时关闭工作箱，加工后打开工作箱取出零件。

上述的同步加工指的是电解加工结束时叶盆、叶背电极同时到达加工终点。叶片加工采取叶盆、叶背同时加工的方式。由于叶片毛坯的叶盆和叶背的加工余量往往不同，有大有小。加工时先加工余量大的一面，余量小的一面等待。待加工到余量与余量小的一面相等时，再两面同时加工，动力头同时到达加工终点位置，这种加工方法有益于避免由于先加工一端到达终点停止后而另一端仍在加工，而造成先前已加工面出现杂散腐蚀和点蚀缺陷。

所述的转点是叶片自动循环加工时，由空行程速度转变到对刀速度的转折点，空行程速度设置为500mm/min，对刀速度为5mm/min。空行程速度高是为了缩短进程时间，对刀速度低是为防止电极撞击叶片。

所述的对刀是指加工前动力头带动阴极相对于叶片运动，直到阴极与叶片相互接触为止，此时位置机床可自动记入。

终点的确定方法为：采用标准合格叶片，通过对刀操作初步确定出终点位置，再考虑加工间隙，回退出与加工间隙相同的距离，以此点作为终点。

上述的夹具座电解液通道开口形状是平行四边形，当叶片安装在夹具上时夹具座的出水口处两长边沿着叶片进气边缘对称布置，两长边距离就是出水口宽度约为叶片厚度的2～3倍，是要保证加工区能够有足够的电解液通过。

上述的步骤中，叶片放置的角度以加工过程中，电解液能够流畅的通过加工间隙，易于形成均匀的分布，有益于叶片成型为准。加工时，叶片接整流电源正极，叶盆电极和叶背电极接整流电源负极。电极固定在动力头前端的安装板上。叶片的型面的加工，在由夹具和叶盆电极、叶背电极所形成的相对封闭腔内完成。定位夹紧结构实现叶片的定位、夹紧，并有保护榫头部位防止腐蚀的功能；夹具上的各构件安装在夹具座上，以此将夹具固定在机床工作箱的工作台上。并构成电解液进口通道。通过调整通道开度，及电解液出口处的角度及导流板棱边的圆角过渡，使电解液均匀分布，水流流畅与稳定，不产生贫水或无水区域；封水结构挡住电解液不外泄，保持供应加工区域内有充分的电解液；导电结构在工作时由油缸带动压紧工件，接整流电源正极，并用循环水冷却。

本发明的方法是在重燃动叶片电解加工研究的基础上进行了工业化研究开发；本发明的钛合金大尺寸叶片电解加工方法，工艺成熟，工装可靠。大尺寸叶片加工时叶片受到较大的电解液的冲击力，因此需要较大的夹紧力，定位和夹紧部位需要较大的面积，且刚性要好，来保证定位准确、夹紧可靠。此外，叶片较大的加工电流，也需要较大的导电面积。在叶片榫头端面增加了凸台，通过凸台实现叶片的定位、夹紧及导电。凸台的形状保证叶片在电解加工中能够处于最合适的位置，而且使电解夹具结构简单、容易调整及装卸方便等。叶片加工的工序安排为，电解加工叶身型面之前，只加工出必要的定位面、夹紧及导电面，其它各面并不加工。这种方式的特点是，定位面的夹紧刚性好，稳定可靠，并可保证定位精度；加工过程中即使出现杂散腐蚀和导电面烧伤现象，因为凸台将来是要去除的，不会因此而造成废品，也不会因此而影响到凸台的使用功能。电解加工叶片型面如果出现了中心线偏斜、偏移等问题，但由于叶片型面与榫头加工过程中采用了相同的工艺基准，还可在后续的工序中减小叶身型面与榫头的误差，达到要求的精度。在加工过程中通过调节电解液成分以及其他工艺参数，加工出叶型面积大于700cm²的钛合金叶片，该技术可广泛应用于重型燃气轮机，大型航空发动机等钛合金叶片型面的加工，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1叶片电解加工成型过程原理示意图，图中a为加工开始，b为加工结束；

图2为本发明实施例中的叶片毛坯各工艺表面示意图；

图3为本发明实施例中的双头卧式叶片电解加工机床示意图；

图4为本发明实施例中的夹具与电极工作位置示意图；

图5为本发明实施例中的夹具结构示意图；

图6为本发明实施例中的中心孔剖面形状尺寸示意图；

图中1、叶背，2、凸台，3、榫头，4、圆台，5、进气边，6、排气边，7、中心孔，8、叶片毛坯，9、上导流板，10、叶盆电极，11、工作箱，12、皮老虎，13、叶背电极，14、安装板，15、动力头，16、滚珠丝杠，17、伺服电机，18、下导流板，19、滚柱导轨，20、夹具座，21、工作台，22、床身，23、夹具，24、电解液进口，25、导电结构，26、封水结构，27、电解液进口通道，28、电解液出口通道。

具体实施方式

本发明实施例中采用的叶片毛坯材质的钛合金成分及氢含量如表1所示

合金牌号	化学成分组	H(％)	H允许偏差(％)≤
				TC4	Ti-6Al-4V	≤0.015	+0.0020
TC6	Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si	≤0.015	+0.0020
				TC11	Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si	≤0.012	+0.0020

本发明实施例中采用的电解加工机床为双头卧式叶片电解加工机床。

本发明实施例中采用的叶片毛坯的基准面、导电面的粗糙度为Ra0.8μm～Ra1.6μm。

主要尺寸为：工艺凸台中心孔对叶身中心线垂直、水平方向的偏斜量0.05mm；毛坯余量2.5mm～5mm，型面误差小于0.85mm，叶片进气边边缘余量3.5mm～4mm，排气边边缘余量1.5～2mm。

本发明实施例中制备的叶片的电解加工面积为770cm²～960cm²。

实施例1

制备一种压气机转子叶片，材质为TC4，电解加工面积为960cm²。

叶片毛坯结构如图2所示，包括叶身部分、榫头3和凸台2，叶身部分的两个侧面分别为叶背1和叶盆，两个侧边分别为进气边5和排气边6，顶部设有圆台4，圆台4上加工有中心孔7，其为GB145-85所述的60°A型中心孔，尺寸如图6所示。凸台2为立方体，其宽度与榫头3底面宽度相同、长度与榫头3底面长度相同，高度为40mm；凸台2的顶面与榫头3连接在一起，凸台2上与顶面相对的底面为导电面；凸台2与叶背1同侧的侧面为叶背侧面，与叶片的叶盆同侧的侧面为叶盆侧面，与叶片的进气边同侧的侧面为进气侧面，与叶片的排气边同侧的侧面为排气侧面。其中叶盆侧面作为夹紧面，导电面、叶背侧面和进气侧面作为基准面。

选用的叶盆电极和叶背电极的材质为1Cr18Ni9Ti，阴极宽度大于叶片毛坯宽度3mm，尺寸精度等级为IT7，其工作表面粗糙度值Ra 0.8μm。

如图3、4和5所示，采用双头卧式叶片电解加工机床，将夹具23固定在机床的工作台21上，将叶片毛坯8放在夹具23内，并使夹具23夹紧凸台的叶盆侧面，将凸台固定在夹具的夹紧结构中，导电结构25位于夹紧端一侧，夹具23与叶盆侧面的夹紧面积不小于叶盆侧面总面积的98％；将机床的顶尖插入叶片毛坯8的中心孔内，将叶片毛坯8压紧，压紧力为4000N；导电面与导电构件接触面紧密贴合，接触面积不小于总面积的98％；夹具座20的电解液进口24宽度为叶片厚度的3倍，并且电解液进口24沿叶片毛坯进气边对称布置，同时夹具座20内的电解液通道与工作台21的电解液通道形成一个向上收敛的水通道，构成电解液进口通道27；叶片位于叶盆电极10和叶背电极13之间，叶盆电极10和叶背电极13的两个下导流板18之间的出水通道同样为向上收敛的水通道；叶盆电极10和叶背电极13的两上导流板9之间形成扩散形出水口，调整电解液进口导流部分宽度和形状可以控制电解液的流量，确保整个加工区液流流畅、均匀和稳定，调整上导流板9宽度能够改变背压，以期获得更好的成型效果。

关闭机床工作箱11，通入电解液，采取同步加工方式进行电解加工；由于一般情况下，叶片的叶盆和叶背两面余量有差别，所以在双面加工时余量较大的一面首先开始进给加工。启动机床后，叶盆电极10、叶背电极13同时接近叶片，到达根据叶片余量预先设置的转点后，动力头15速度降低开始对刀，各自对刀后两动力头15自动退回预先设定的距离，作为初始间隙，然后距终点加工位置较远的一头先行启动供电，按照设定的加工速度开始进给加工，加工到两边距终点位置距离相等时，另一头也开始启动电源及进给加工。到达加工终点后停止进给，关闭电源，退回动力头，完成一个自动循环。加工参数为：初始间隙1mm，电极进给速度0.25mm/min，加工前延时3s，加工后延时5s，加工电压24V，电解液的成分为单一电解质组分的NaCl水溶液，质量浓度8％，电解液温度为38℃，电解液的液压力为0.45MPa，压缩空气压力为0.5MPa。

上述加工完成后用清水冲洗叶片，并用毛刷刷洗，洗净零件表面沉积的盐垢。然后用清洁的压缩空气吹干叶片。

叶身型面加工精度可达0.3mm，叶身型面粗糙度可达到Ra0.8μm。叶片表面含氢量在允许范围之内，无短路烧伤缺陷。

实施例2

叶片材质为TC6，电解加工面积为880cm²。

叶片毛坯结构同实施例1，不同点在于：凸台高度为30mm。

选用的叶盆电极和叶背电极的材质为1Cr18Ni9Ti，阴极宽度大于叶片毛坯宽度2.5mm，尺寸精度等级为IT8，其工作表面粗糙度值Ra 0.8μm。

采用机床同实施例1，叶片毛坯在工作箱内安装方式同实施例1，不同点在于：顶尖的压紧力为3500N，电解液进口宽度为叶片厚度的3倍。

电解加工方法同实施例1，不同点在于加工参数为：初始间隙0.9mm，电极进给速度0.3mm/min，加工前延时4s，加工后延时4s，加工电压20V，电解液的成分为单一电解质组分的NaCl水溶液，质量浓度10％，电解液温度为45℃，电解液的液压力为0.5MPa，压缩空气压力为0.55MPa。

后处理方式同实施例1。

实施例3

叶片材质为TC11，电解加工面积为770cm²。

叶片毛坯结构同实施例1，不同点在于：凸台高度为20mm。

选用的叶盆电极和叶背电极的材质为1Cr18Ni9Ti，阴极宽度大于叶片毛坯宽度2.5mm，尺寸精度等级为IT8，其工作表面粗糙度值Ra 0.4μm。

采用机床同实施例1，叶片毛坯在工作箱内安装方式同实施例1，不同点在于：顶尖的压紧力为3000N，电解液进口宽度为叶片厚度的2.5倍。

电解加工方法同实施例1，不同点在于加工参数为：初始间隙0.8mm，电极进给速度0.4mm/min，加工前延时5s，加工后延时3s，加工电压22V，电解液的成分为单一电解质组分的NaCl水溶液，质量浓度6％，电解液温度为35℃，电解液的液压力为0.35MPa，压缩空气压力为0.4MPa。

后处理方式同实施例1。

Claims

1.一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法，步骤包括：制备叶片毛坯时在叶片毛坯上设置凸台；采用电解加工机床，将夹具固定在机床的工作台上，将叶片毛坯放在夹具内，并使夹具夹紧凸台；将机床的顶尖将叶片毛坯压紧；关闭机床的工作箱，向工作箱内通入电解液，电解液的成分为单一电解质组分NaCl的水溶液，质量浓度为6～10％；采用同步加工方式对叶片进行电解加工：启动机床，叶盆电极和叶背电极向叶片靠近，到达预先设置的转点后，两个动力头速度降低开始对刀，对刀后退回至预先设定的位置，在该位置时阴极与叶片之间的最小距离为初始间隙，然后距离设定的终点位置较远的动力头阴极先供电启动，进给加工；当两个动力头距离终点位置相同时，等待动力头阴极供电启动加入进给加工，到达终点后同时停止进给；所述的转点是叶片自动循环加工时，由空行程速度转变到对刀速度的转折点；其特征在于：(1)所述的凸台为立方体，位于叶片的榫头端面，凸台的宽度与榫头底面宽度相同、长度与榫头底面长度相同，高度为20～40mm；凸台的顶面与榫头连接在一起；凸台上与顶面相对的底面为导电面；凸台与叶片的叶背同侧的侧面为叶背侧面，与叶片的叶盆同侧的侧面为叶盆侧面，与叶片的进气边同侧的侧面为进气侧面，与叶片的排气边同侧的侧面为排气侧面；(2)夹具与凸台夹紧的位置位于叶盆侧面，夹紧面积不小于叶盆侧面总面积的98％；机床的顶尖将叶片毛坯压紧，压紧力为3000～4000N；导电面与导电构件接触面紧密贴合，接触面积不小于总面积的98％；调节夹具座的电解液进口宽度为叶片厚度的2～3倍；叶盆电极和叶背电极的两个下导流板之间为收敛形状的电解液通道；(3)关闭机床的工作箱，向工作箱内通入电解液，采用同步加工方式对叶片进行电解加工时，加工参数为：初始间隙0.5mm～1mm，电极进给速度0.25mm/min～0.40mm/min，加工前延时3s～5s，加工后延时3s～5s，加工电压20V ～24V，电解液温度为35℃～45℃，电解液的液压为0.3MPa～0.5MPa，压缩空气压力为0.4MPa～0.6MPa；叶片的电解加工面积为700mm²～1000mm²。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法，其特征在于所述的叶片的顶端设有圆台，圆台上的基准孔为GB145-85所述的60°A型中心孔。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金大尺寸叶片电解加工方法，其特征在于所述的叶盆电极和叶背电极材质为1Cr18Ni9Ti，阴极宽度大于叶片毛坯宽度2～3mm，尺寸精度等级为IT7～IT8，其工作表面粗糙度值Ra 0.4μm～Ra 0.8μm。