CN106695033A - 一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其包括：一、钛合金的电解加工机理研究；二、阴极设计研制；三、特种电解液的研制；四、电解加工过程工艺参数；五、电解加工精度控制研究；六、电解液流场分布影响研究；七、电解加工质量评价体系建立。本发明采用电解加工技术替代传统加工方法完成民用航空发动机关键零部件型面加工技术要求，从而避免传统机加工对加工表面造成微裂纹、微划痕以及产生机械应力等二次损伤。钛合金焊接结构件以电解加工方法为加工基础，可以在去除多余的堆焊层时，无过热、无冷作层、无机械应力、表面无微损伤等影响；同时还可以解决传统机加工进刀限位的影响，极大减少加工处理时间，降低经济成本。

Description

一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法。

背景技术

电解加工是电化学加工技术之一，是基于电化学过程中阳极溶解原理并借助预先制备成型的特殊阴极将工件按照一定的形状和尺寸加工成型的工艺方法。在电解加工过程中工件材料的蚀除速度不会受到加工材料的硬度、强度、韧性的影响；工件的材料是以离子状态去除，无冷作硬化层、热再铸层以及由此引起的表面纤维裂纹，表面光整、无加工纹路、无毛刺等特点，并且由于无切削力和表层内应力，因此工件的加工变形小；电解加工工具阴极不与工件接触，工具阴极不损耗等优势特点。最大优势在于传统加工过程中进刀限位的问题在电解加工领域内完全不受限制，可以根据加工对象的型面要求制造特殊的工具阴极形状满足种非规则型面，空间曲面的特种加工。

目前国内民航大飞机研发制造发展迅猛，新材料的开发和新技术的引进及应用得到广泛的关注，本课题所研究的电解加工正是一种朝阳性的特种加工技术，已成为当今科技研发的热点。该技术凭借其强大的优势，正在汽车、轮船、航天航空、医疗器械、仪器仪表等精密零部件的加工得到逐渐应用，并且其加工能力是一般传统机加工所无法达到的。例如，复杂型面加工时，传统机加工存在进刀限位的问题而无法完成加工，而电解加工则根据加工型面要求特制工具阴极来完成复杂型面的加工。因此在特种加工领域，电解加工的应用发展前景是不可估量的。当下在民航维修领域中，发动机叶片型面修补大多采用堆焊的方法，修补后叶片型面尺寸恢复若采用电解加工的方法，可以使叶片在去除多余的堆焊层后表面无残余机械应力、无微划痕、无微裂纹等二次损伤，极大的提高了零部件的使用寿命。由此可见，电解加工技术已成为加工领域内必不可少的一种加工方法，该技术的研究及应用不但可以给我国民航维修企业带来显著的经济效益，还提高我国民航机务维修特种装备的制造水平，为我国大发动机研制做技术储备。

目前，电解加工技术在小型精密零件的应用显著。德国Friz-Haber研究所采用持续时间以纳秒计的超短脉冲电流进行电解加工，成功加工出微米级尺寸的微细零件，其加工精度可以达几百纳米；PHILIPS公司用电解加工技术加工出微米级的浅槽；日本东京大学在直径数十微米的微细轴成功进行了表面光整加工；韩国研究人员采用微细电解技术加工出微细群孔、窄槽、微棱柱等结构。俄罗斯乌法航空学院研制的小型立式脉冲电流电解加工机床，电流峰值 200 安培，最小加工间隙可达 0.01～0.02mm，加工出的精密模具的精度可达 0.02mm，堪与电火花加工相比，而其生产率和表面粗糙度远优于电火花加工。因而在塑料模具型腔加工方面有极高的应用价值。荷兰菲利普制造技术中心应用极窄脉宽的脉冲电源以及其它工艺措施进行电解加工，精度达到前所未有的微米级水平。

国内多所高校和科研单位也开展了电解加工技术的研究，南京航空航天大学徐家文教授对于不同加工工艺参数进行分析微细电解加工,描述了影响微细电解加工中表面精度及加工效率的主要因素；朱荻等在考虑流场特性的发动机叶片电解加工阴极设计及数值仿真中,研究了发动机转子的叶片阴极设计；哈尔滨工业大学的狄士春教授分析关于高频窄脉冲微细电解加工过程中影响因素,解释了加工间隙内的极间电压、电解液浓度和脉冲高频频率在电解加工过程中对加工间隙的影响。余艳青等在电解加工高频窄脉冲电流源特性试验研宄中,分析出脉冲宽度和占空比是影响加工间隙的理化特性的主要因素,在微观上对阳极材料溶解蚀除能力及加工间隙的大小直接造成影响,在宏观上影响了电解加工阳极工件的加工表面精度、加工质量和加工效率。合肥工业大学的秦艳芳、张晔等则考虑了实际电解加工过程中多场相互作用,详细地阐述了高频窄脉冲的基础理论,分析电解加工过程中加工间隙内的电场、流场和温度场产生的原理,分析了脉冲电流电解加工过程中电场和流场的耦合作用,运用COMSOL分析了高频窄脉冲电流电解加工和直流电解加工的多场耦合,通过对结果数据的整理和分析得出高频脉冲电解加工比直流电解加工优先达到加工稳定状态。

航空发动机深度维修技术中，大量应用到传统的机加工的方法，然而机加工方法在某些核心零部件的加工过程中存在安全隐患，如机加工可使部件留有残余机械应力，加工表面产生微划痕、微裂纹等二次损伤，直接影响航空发动机运行的稳定性及安全性。其主要表面在以下几个方面：

（1）叶片堆焊修复后型面尺寸恢复技术

涡轮叶片的性能直接影响航空发动机的推重比、燃油效率以及使用寿命，然而发动机使用环境极为苛刻，叶片在高温冲压的服役期间会发生缺失及损伤。据不完全预测，到2020年，中国民航大中型发动机压气机叶片维修量每年为30-50万件，其中需要焊接修复的叶片占维修总业务量的一半以上，维修市值将达到十多亿美元。叶片经过微束等离子堆焊技术修补缺失部位后，如果以传统机加工的车铣削技术去除多余的堆焊层，加工表面必然会存在微损伤微划痕以及机械应力等不良影响，再次影响涡轮叶片的使用寿命，对发动机运行的稳定性和安全性造成隐患。而采用电解加工技术去除多余的堆焊层则可以完全避免传统机加工带来的二次损伤，良好的保持了叶片原来的机械及材料性能。

（2）民用航空发动机滑动摩擦副表面微凹坑成型控制技术

活塞-缸套、滑动轴承是内燃机中最重要、最关键的摩擦副，其摩擦功耗可以占到整个内燃机机械损失的50%以上。研究表明，如果能把内燃机的机械摩擦损失减少10%，就能把其耗油量降低5%。由此可见，发动机滑动摩擦副表面改性的研究是降低摩擦损失，增强耐磨性的关键技术。传统方法是采用激光加工的方法对滑动摩擦副表面造微坑处理，但该方法的弊端是输出功率及焦点控制不当，易造成加工量不够或者产生加工对象过渡熔化的现象，并且对加工缝隙精度难易掌控。

（3）薄壁、多孔、复杂型面加工成型技术

发动机的机匣大多是由钛合金、高温合金等难切削的材料制成。其主要特征是尺寸大，而且其上分布有许多的凸台、安装孔、减重槽，并且是薄壁结构，所以机加工中很容易产生变形，去除余量多，加工难度大，并存在机械应力等不良影响。

以上几种情况之中，传统加工方式中仍存在很多的弊端。本发明拟采用电解加工的方法替代传统工艺，重点研究电解加工方法机理及工艺的研究。针对航空发动机核心零部件焊接修补后采用电解加工技术去除修补部位多余的堆焊层，使其在无机械加工损伤的条件下保持原有的机械及材料性能，代替传统机加工方法带来的加工表面微损伤、微裂纹及机械应力等二次损伤问题。通过对电解加工机理，工艺参数，阴极设计，电解液研制等一系列研究，从而解决航空发动机核心组件精密电解加工的瓶颈问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其包括：

一、钛合金的电解加工机理研究

（1）电化学加工的基本规律：加工速度及其影响因素、表面质量及其影响因素、加工精度及其影响因素；

（2）工件金属钝化研究：钝态形成、钝态局部破坏、小孔腐蚀、钝化膜性质的研究；

二、阴极设计研制

（1）不同电极形状的电化学动力学特点；

（2）腐蚀速度的极化曲线；

（3）电解产物的传递、迁移和扩散规律；

采用能斯特-普朗克( Nernst-Planck)方程研究物质传递、采用Einstein-Smoluchowski方程研究迁移、采用菲克(Fick)扩散定律研究扩散规律；

三、特种电解液的研制

电解液导电、离子迁移、扩散系数和热力学特性；

四、电解加工过程工艺参数

（1）电流密度、电解电压、加工间隙、电解液出口压力、阴极给进速度、电解液温度等与加工精度、效率的关系；

（2）电解加工去除率研究；

（3）动态电解加工，研究层流、湍流条件下流体动力学；

五、电解加工精度控制研究

研究阴极与工件之间的加工间隙对加工精度控制的影响，主要包括底面间隙、法向间隙、侧面间隙等参数对钛合金零部件的精度影响；

六、电解液流场分布影响研究

研究电解液出口压力、流速及流场加载方式对电解加工工件表面形貌及精度控制的影响；

七、电解加工质量评价体系建立

（1）表面粗糙度、纹理和表面缺陷等表面质量标准的建立；

（2）表层内受加工影响材料层，即亚表面受扰材料区，遵循表面完整性原则，提高电解加工过程的质量控制。

进一步地，正确选用电解液是电解加工钛合金的重要条件，电解液选择不当，几乎不能顺利进行钛合金的电解加工；因此选用合适的电解液，是解决钛合金电解加工工艺问题的关键。本发明中，针对钛合金的电解液必须满足以下要求：

（1）电解液中的阴离子能使被加工对象高速均匀溶解，同时应该避免加工过程中局部蓝紫色钝化膜及黑斑；

（2）该电解液应具有较高的电导率、较低的粘度和较高的比热；

（3）电解液中的金属阳离子不在阴极表面沉积；

（4）该电解液必须安全、无毒、腐蚀性小。

进一步地，加工精度是指零件加工后的几何尺寸参数与理想零件几何参数相符合的程度，采用加工误差的大小来反应加工精度的高低。

研究加工间隙对重复精度的影响：加工间隙的稳定性影响影响零部件的重复精度，而沿着工件的加工表面间隙分布情况决定了重复精度，研究底面间隙、法向间隙、侧面间隙等参数对加工精度的影响。

研究加工工艺参数对零部件复制精度的影响：通过选择合理的电解液流动方向、低浓度电解液、高送进速度和小间隙加工方式来保证电解加工的复制精度。

进一步地，电解加工间隙中的电解液的流动特性是影响电解加工工艺指标的重要因素之一。同时，由于钛合金的电解加工对流场变化的反应尤为敏感。因此，钛合金的电解加工必须对电解液流场进行设计。

合理设计工装夹具通液槽（包括出液槽和回液槽），采用正流或反流方式或二者的组合进行加工；通液槽的合理布局，其布局原则为：流线均匀的分布整个加工表面，避免流线相交，不容许出现贫液区，流程均匀且尽量缩短；通液槽的尺寸设计，需要确定通液槽的长度和相对应的宽度。

进一步地，电解加工后其表面完整性主要包括两个部分：一部分包括表面粗糙度、纹理和表面缺陷等；另一部分包括表层内受加工影响材料层，即亚表面受扰材料区。应用表面完整性原则，从而实现钛合金电解加工过程的质量控制，减少废品和返修率，从而提高精密仪器用钛合金零部件可靠性和使用寿命。

进一步地，解决钛合金电解加工过程中的点蚀问题。由于钛合金属于自钝化金属，在电解加工过程中，其非加工部位上存在细小的点蚀（亦称麻点）。重点研究电解液成分、电流密度以及加工时间对点蚀的影响。

本发明所达到的有益效果是：

本发明结合特种加工的优势，采用电解加工技术替代传统加工方法完成民用航空发动机关键零部件型面加工技术要求，从而避免传统机加工对加工表面造成微裂纹、微划痕以及产生机械应力等二次损伤。钛合金焊接结构件以电解加工方法为加工基础，可以在去除多余的堆焊层时，无过热、无冷作层、无机械应力、表面无微损伤等影响；同时还可以解决传统机加工进刀限位的影响，极大减少加工处理时间，降低经济成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的流程结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其包括：

一、钛合金的电解加工机理研究

（1）电化学加工的基本规律：加工速度及其影响因素、表面质量及其影响因素、加工精度及其影响因素；

（2）工件金属钝化研究：钝态形成、钝态局部破坏、小孔腐蚀、钝化膜性质的研究；

二、阴极设计研制

（1）不同电极形状的电化学动力学特点；

（2）腐蚀速度的极化曲线；

（3）电解产物的传递、迁移和扩散规律；

采用能斯特-普朗克( Nernst-Planck)方程研究物质传递、采用Einstein-Smoluchowski方程研究迁移、采用菲克(Fick)扩散定律研究扩散规律；

三、特种电解液的研制

电解液导电、离子迁移、扩散系数和热力学特性；

四、电解加工过程工艺参数

（1）电流密度、电解电压、加工间隙、电解液出口压力、阴极给进速度、电解液温度等与加工精度、效率的关系；

（2）电解加工去除率研究；

（3）动态电解加工，研究层流、湍流条件下流体动力学；

五、电解加工精度控制研究

研究阴极与工件之间的加工间隙对加工精度控制的影响，主要包括底面间隙、法向间隙、侧面间隙等参数对钛合金零部件的精度影响；

六、电解液流场分布影响研究

研究电解液出口压力、流速及流场加载方式对电解加工工件表面形貌及精度控制的影响；

七、电解加工质量评价体系建立

（1）表面粗糙度、纹理和表面缺陷等表面质量标准的建立；

（2）表层内受加工影响材料层，即亚表面受扰材料区，遵循表面完整性原则，提高电解加工过程的质量控制。

进一步地，正确选用电解液是电解加工钛合金的重要条件，电解液选择不当，几乎不能顺利进行钛合金的电解加工；因此选用合适的电解液，是解决钛合金电解加工工艺问题的关键。本发明中，针对钛合金的电解液必须满足以下要求：

（1）电解液中的阴离子能使被加工对象高速均匀溶解，同时应该避免加工过程中局部蓝紫色钝化膜及黑斑；

（2）该电解液应具有较高的电导率、较低的粘度和较高的比热；

（3）电解液中的金属阳离子不在阴极表面沉积；

（4）该电解液必须安全、无毒、腐蚀性小。

加工精度是指零件加工后的几何尺寸参数与理想零件几何参数相符合的程度，采用加工误差的大小来反应加工精度的高低。

研究加工间隙对重复精度的影响：加工间隙的稳定性影响影响零部件的重复精度，而沿着工件的加工表面间隙分布情况决定了重复精度，研究底面间隙、法向间隙、侧面间隙等参数对加工精度的影响。

研究加工工艺参数对零部件复制精度的影响：通过选择合理的电解液流动方向、低浓度电解液、高送进速度和小间隙加工方式来保证电解加工的复制精度。

电解加工间隙中的电解液的流动特性是影响电解加工工艺指标的重要因素之一。同时，由于钛合金的电解加工对流场变化的反应尤为敏感。因此，钛合金的电解加工必须对电解液流场进行设计。

合理设计工装夹具通液槽（包括出液槽和回液槽），采用正流或反流方式或二者的组合进行加工；通液槽的合理布局，其布局原则为：流线均匀的分布整个加工表面，避免流线相交，不容许出现贫液区，流程均匀且尽量缩短；通液槽的尺寸设计，需要确定通液槽的长度和相对应的宽度。

电解加工后其表面完整性主要包括两个部分：一部分包括表面粗糙度、纹理和表面缺陷等；另一部分包括表层内受加工影响材料层，即亚表面受扰材料区。应用表面完整性原则，从而实现钛合金电解加工过程的质量控制，减少废品和返修率，从而提高精密仪器用钛合金零部件可靠性和使用寿命。

解决钛合金电解加工过程中的点蚀问题。由于钛合金属于自钝化金属，在电解加工过程中，其非加工部位上存在细小的点蚀（亦称麻点）。重点研究电解液成分、电流密度以及加工时间对点蚀的影响。

（1）满足焊接修复区域的型面尺寸恢复技术。该技术可用于叶片焊接修补后、多余堆焊层的去除。保证工件表面无损伤、无应力。也可用于燃烧室内壁进气孔区域焊接修补后型面尺寸的恢复。

（2）电解加工后工件表面粗糙度达到Ra≤0.8。

（3）电解加工精度控制在0.02mm。

（4）研发经济、环保、高效的电解液。

（5）研发钛合金电解加工成套工艺。

本发明研究成果可作为我国民航发动机叶片维修后型面恢复处理方法之一，并且可替代传统的机械加工方法。随着我国民航机队规模的快速增长，发动机叶片维修市场随之快速增大，传统的机械加工方法恢复叶片型面尺寸具有一定弊端，例如：表面划痕、加工过程中产中的机械应力以及微裂纹等影响因素均会对叶片造成二次损伤；而电解加工技术完全可以解决上述机械加工所产生的问题，并且表面光洁度高，完美地保持了叶片原有的性能。根据市场需求调查分析，2008年中国民航发动机维修市值为10.54亿美元，预计到2020年，中国民航大中型发动机压气机叶片维修量每年为30-50万件，其中需要焊接修复的叶片占维修总业务量的一半以上，维修市值为将达到25.88亿美元。其中发动机叶片维修的费用占民航发动机总体维修成本的比例超过40%，居各类发动机零部件之首。因此叶片焊接修复后，其型面恢复研究工作具有广泛的市场前景。

随着本发明成果市场化的逐步深入，不但可以给我国民航维修企业带来显著的经济效益，还提高我国民航机务维修特种装备的制造水平，为我国大发动机研制做技术储备。

本发明采用试验与数值模拟的方法来开展钛合金电解加工机理等系统研究。通过试验数据结果分析电场、流场对加工质量的影响，并且修正数值模拟边界条件；并结合模拟仿真的结果指导电解加工工艺参数优化及结构设计，完成钛合金型面电解加工要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其特征在于，包括：

一、钛合金的电解加工机理研究

（1）电化学加工的基本规律：加工速度及其影响因素、表面质量及其影响因素、加工精度及其影响因素；

（2）工件金属钝化研究：钝态形成、钝态局部破坏、小孔腐蚀、钝化膜性质的研究；

二、阴极设计研制

（1）不同电极形状的电化学动力学特点；

（2）腐蚀速度的极化曲线；

（3）电解产物的传递、迁移和扩散规律；

采用能斯特-普朗克方程研究物质传递、采用Einstein- Smoluchowski方程研究迁移、采用菲克扩散定律研究扩散规律；

三、特种电解液的研制

电解液导电、离子迁移、扩散系数和热力学特性；

四、电解加工过程工艺参数

（1）电流密度、电解电压、加工间隙、电解液出口压力、阴极给进速度、电解液温度等与加工精度、效率的关系；

（2）电解加工去除率研究；

（3）动态电解加工，研究层流、湍流条件下流体动力学；

五、电解加工精度控制研究

研究阴极与工件之间的加工间隙对加工精度控制的影响，主要包括底面间隙、法向间隙、侧面间隙等参数对钛合金零部件的精度影响；

六、电解液流场分布影响研究

研究电解液出口压力、流速及流场加载方式对电解加工工件表面形貌及精度控制的影响；

七、电解加工质量评价体系建立

（1）表面粗糙度、纹理和表面缺陷等表面质量标准的建立；

（2）表层内受加工影响材料层，即亚表面受扰材料区，遵循表面完整性原则，提高电解加工过程的质量控制。

2.根据权利要求1所述的航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其特征在于，针对钛合金的电解液必须满足以下要求：

（1）电解液中的阴离子能使被加工对象高速均匀溶解，同时应该避免加工过程中局部蓝紫色钝化膜及黑斑；

（2）该电解液应具有较高的电导率、较低的粘度和较高的比热；

（3）电解液中的金属阳离子不在阴极表面沉积；

（4）该电解液必须安全、无毒、腐蚀性小。

3.根据权利要求1所述的航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其特征在于，

研究加工间隙对重复精度的影响：加工间隙的稳定性影响影响零部件的重复精度，而沿着工件的加工表面间隙分布情况决定了重复精度，研究底面间隙、法向间隙、侧面间隙等参数对加工精度的影响；

研究加工工艺参数对零部件复制精度的影响：通过选择合理的电解液流动方向、低浓度电解液、高送进速度和小间隙加工方式来保证电解加工的复制精度。

4.根据权利要求1所述的航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其特征在于，合理设计工装夹具通液槽，采用正流或反流方式或二者的组合进行加工；通液槽的合理布局，其布局原则为：流线均匀的分布整个加工表面，避免流线相交，不容许出现贫液区，流程均匀且尽量缩短；通液槽的尺寸设计，需要确定通液槽的长度和相对应的宽度。

5.根据权利要求1所述的航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其特征在于，电解加工后其表面完整性主要包括两个部分：一部分包括表面粗糙度、纹理和表面缺陷等；另一部分包括表层内受加工影响材料层，即亚表面受扰材料区；应用表面完整性原则，从而实现钛合金电解加工过程的质量控制，减少废品和返修率，从而提高精密仪器用钛合金零部件可靠性和使用寿命。

6.根据权利要求1所述的航空发动机维修与再制造的电解加工方法，其特征在于，解决钛合金电解加工过程中的点蚀问题；由于钛合金属于自钝化金属，在电解加工过程中，其非加工部位上存在细小的点蚀；重点研究电解液成分、电流密度以及加工时间对点蚀的影响。