航空发动机压气机整体叶盘电解加工技术张明岐;张志金;黄明涛【摘 要】介绍了整体叶盘电解加工技术的国内外发展及应用情况，重点阐述了高 效电解预加工技术及精密振动电解加工技术的工艺路线、参数制定等关键技术问题 还介绍了与叶型加工相关的主要加工方法，包括机械加工、切割加工等％The development and application of electrochemical machining on blisk are introduced in the paper. The key technologies such as the craft route and parameters of high efifciency pre-ECM and PECM are emphatically discussed. Moreover, the main methods about blisk of aeroengine compressor including mechanical processing, cutting processing are also introduced in this paper.【期刊名称】《航空制造技术》年(卷),期】2016(000)021【总页数】7页(P86-92) 【关键词】 整体叶盘;电解加工;数控加工【作 者】 张明岐;张志金;黄明涛【作者单位】 中航工业北京航空制造工程研究所，北京 100024;中航工业北京航空制造工程研究所，北京 100024;中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024正文语种】 中 文张明岐 中航工业基础院电加工技术首席专家，现为北京航空制造工程研究所电加工专业技 术带头人，全国电化学加工委员会副主任。
长期从事电化学加工工艺与装备技术研 究工作，在高频窄脉冲电解加工、电液束优质小孔加工、精密振动电解加工技术等 领域做出了突出的成绩近年来主持研究的多项技术成果推进了国内特种加工技术 应用，成为航空、航天、兵器等军工领域优质制孔、复杂结构加工等工艺的重要技 术支撑整体叶盘结构（Blisk ）是第四代航空发动机的新型结构件，其采用整体设计，将 工作叶片和轮盘做成一体，没有连接用的榫头、榫槽以及锁紧装置，使零件数目大 大减少整体叶盘的采用减轻了发动机风扇、压气机、涡轮转子的重量，消除了盘 片分离式叶盘中气流在榫根与榫槽间缝隙中逸流造成的损失，提高了发动机工作效 率；避免了榫头、榫槽连接部位的损伤而导致的隐患，提高了发动机工作的安全可 靠性［1］在整体叶盘的制造中，由于其几何结构复杂、材料切削困难、加工去除 比高，加工变形控制困难、加工效率低、加工成本高等已成为世界级的技术难题， 其制造技术成为许多发达国家研究的重点，近年来开始快速发展国内外整体叶盘制造技术发展 国外航空发动机压气机整体叶盘制造路线一般为精锻毛坯+精密加工或焊接毛坯+ 精密加工等从整体毛坯到零件的制造过程中,材料切除率最大超过了90%［2］。
在 加工技术上，数控机械加工以其高精度、高可靠性、高度自动化、快速响应的优势， 已成为整体叶盘的首要制造技术有代表性的是美国GE和P&W公司、英国R-R公司等在研制整体叶盘时，均采用了国际上最先进的五坐标数控加工技术［3］采 用的软件是Concepts NREC公司推出的MAXCAM系统［4］近年来，国外针对 数控自适应加工技术开展了大量研究工作如美国GE、英国Delcam等公司通过 对工件的测量，快速判断工件形状和余量分布，并根据理论数模与检测数据重 构的数模进行比较分析，自动进行加工装夹定位［5］采用特种加工实现关键部位的加工，实现多工艺综合制造，是整体叶盘制造技术发 展的大趋势⑹电解加工（ECM ）作为一种高效成形方法，在叶片加工中已广泛 应用早在20世纪80年代，美国GE公司就开始采用电解加工了 T700、 GE37/YF120、F414等发动机整体叶盘，实现了整体叶盘叶型及流道部分的粗、 精加工，叶型加工精度达到了±0.1mm与数控铣削相比，加工时间减少了 50%~85%,同时还避免了在叶片加工中产生的残余应力［1］美国Teleflex Aerospace公司将五坐标数控电解加工技术成功应用于加工去除比更高的大型整 体叶盘加工，其生产线专门为GE、R -R和P&W等公司加工大尺寸整体叶盘。
荷 兰Philips Aerospace公司采用电解加工直径达1.1m的整体叶盘，用于联合攻击 机（JSF ）的F136发动机中，是目前军机中最大的整体叶盘［7］德国Teleflex Aerospace 采用电解加工+铣切的组合工艺加工整体叶盘，即先用电解加工叶片， 再用数控铣削方法加工轮毂［8］2007年，MTU与EMAG公司合作研制出了整体 叶盘五坐标精密振动电解加工设备，该设备集成了具有世界领先水平的振动进给匹 配技术、短路保护技术以及电解液精密过滤技术（图1）MTU公司的整体叶盘 生产制造中心每年约有200个整体叶盘采用精密电解加工工艺进行生产［9］ 国内整体叶盘的加工多采用数控铣削加工，西北工业大学、航空发动机主机厂等单 位开展数控铣削研究较早，解决了多项关键技术，包括通道分析与加工区域的划分 刀具行进路线、最佳刀轴方向的确定与光顺处理以及叶身型面的精确加工技术等 ［2］近年来，国内开展了自适应加工技术在整体叶盘制造中的应用研究，实现了 数字化检测、模型重构及配准、装夹定位及余量优化、数控加工等数字化制造领域 多项技术的有机集成，已成为整体叶盘复合制造工艺背景下的一种系统解决方案［10］。
图1 EMAG六轴精密振动电解加工设备Fig.1 EMAG PECM machine with six axes在电解加工技术上，国内有北京航空制造工程研究所、南京航空航天大学等单位长 期进行持续的系统研究南京航空航天大学从20世纪80年代，电解加工技术上 取得了“直线刃”阴极数控展成电解加工、成形或近成形阴极柔性电解加工的显著 成果［11-12］近年来，南京航空航天大学利用多轴数控电解加工技术，解决了密 集叶栅的开槽与叶型的精密成形难题北京航空制造工程研究所近年来在大型电解 加工设备和脉冲电解加工新技术方面有了实质性的进展，在最新的研究成果中，大 容量高频窄脉冲电解加工电源突破了斩波器件的局限，达到8000A，与先进国家 缩小了差距最近时间，利用旋转电解套料技术实现了整体叶盘的高效预加工，利 用精密振动电解加工技术，实现了整体叶盘叶型的精密加工，精度达到了 ±0.03mm,表面粗糙度达到了 Ra0.6pm在高温合金、钛合金整体叶盘的电解 加工上取得了实质性的突破整体叶盘关键制造技术 航空发动机压气机整体叶盘采用整体锻造毛坯加工而成一般分为粗加工、精加工 表面强化、光整加工等，涉及的主要加工工艺有常规车削、铣削，数控铣削，电解 加工，激光强化，机械抛光，振动光饰等，其中，整体叶盘叶型的加工难度最大、 耗时最多，是需要重点攻关的课题。
本文重点按叶型的各个加工阶段进行简要分析1 整体叶盘的高效预加工技术航空发动机压气机整体叶盘一般采用高温合金、钛合金以及金属间化合物等高强度 材料，毛坯为整体锻造件材料难加工、叶间通道狭长、开敞性差等因素制约了传 统机械加工的效率和经济性国内整体叶盘的粗加工主要采用机械开槽和电解加工 的方法整体叶盘从毛坯到最终成形,材料的去除比可高达90%,其中绝大部分去除 量产生在叶盘通道的粗加工阶段［2］因此，整体叶盘的粗开槽加工效率是能否大 量缩短加工周期的的关键环节，为了给最终的精加工预留较少的余量机械加工开 槽由于去除量大，刀具优化空间有限，导致加工周期长、成本高，这一点在进入批 量生产阶段更加突出国内外的加工实践证明，针对叶盘的不同特点，采用适用的 特种加工方法是降低加工成本、缩短制造周期最为有效的手段因此，根据整体叶 盘叶栅的叶片间距、叶展大小、叶栅通道的开敞性等几方面，通过优化，找到一种 快速高效且成本低廉的加工方法进行预加工，对整体叶盘加工工艺的合理定型，具 有重要的实际意义1.1 套料电解加工技术 电解加工技术是利用电化学阳极溶解的原理，借助于成型的阴极，将工件按照一定 的形状和尺寸加工成形的一种工艺方法。
与传统的机械加工相比，电解加工技术具 有加工范围广、加工效率高、工具阴极无损耗、加工过程无应力的特点，其复制加 工的特点更适合批量生产［13］电解套料加工技术就是电解加工技术的一个典型应用图 2 所示为电解套料加工 示意图，加工过程中，电解液通过电极片内孔流出，阴阳极之间施加直流电压，电 极以一定的速度进给，电极片内型孔外的材料逐渐被加工，最后“套出”一个完整 的叶型电解套料加工的阴极结构如图 3 所示，主要由集液腔、水套和电极片组 成集液腔起到电解液汇集，均化初始压力区的作用；水套对加工完成的型面进行 绝缘保护，同时形成供给加工区电解液的通道；电极片在套料电解加工中起成形的 作用，加工出的叶型主要由电极片内型孔形状和尺寸决定传统的电解套料工艺主要应用在航天发动机整体叶轮柱状等截面叶片的加工，已成 熟应用对于叶型弯扭、通道狭小的航空发动机压气机整体叶盘，传统的电解套料 加工技术无法实现而旋转套料电解加工时，电极直线进给与旋转进给进行联动加 工，可以加工出具有一定扭角的叶型理想的加工结果是加工出的扭转叶型相对于 最终叶型保留均匀的、较小的余量，但因为套料加工采用的电极为整体电极片，加 工出的叶型只能为等截面叶型（如图4所示），因此在设计电极的过程中，需要 预先通过计算机模拟并预测加工后的叶型，再综合考虑整体叶盘加工分度以及余量 分布等可能的误差，还要考虑后续的精密电解加工所需的整平比，最终要为后续的 精密振动电解的加工留出充足的余量，同时，还要追求对最终叶型的最小包容，使 高效预加工的作用充分发挥。
图 2 电解套料加工示意图 Fig.2 Sketch of electrochemical trepanning technology图3电解套料电极结构示意图Fig.3 Sketch of ECM cathode structure 图4旋转套料加工后的模拟叶型Fig.4 Sketch of rotating machining blisk 实际加工中，需要设计一个具有等速螺旋升角的绝缘空心水套（如图5所示）， 作为电解液引导流道与电极的支撑整体叶盘由于叶栅较密，叶间通道狭窄，受尺 寸限制，在考虑空心旋转水套刚性的同时，还要防止扭转过程中会出现水套与周边 毛坯实体部分的干涉虽然属于预加工，但在工艺设计上需要考虑的因素较多，要 实现理想的叶型初成形具有一定的难度近年来，北京航空制造工程研究所在这方面进行了大量的试验研究突破了旋转套 料电解加工中的电极设计、流场控制等难题，并针对钛合金风扇、压气机整体叶盘 高温合金压气机整体叶盘开展了一系列高效电解预加工技术的研究利用电极的一 次性进给实现了整体叶盘叶型的大余量去除进给速度达到2mm/min，叶型单边 最小余量1.5mm，为后续的精密电解加工或数控加工提供了重要的前序工艺。
1.2 水切割加工图5扭角与进给旋转角一致的绝缘空心水套Fig.5 Insulated structure with same rotating and feeding angle水切割加工也称为“水刀”加工，其原理是直接利用加磨料水射流的动能对材料进 行切割，具有对材料理化性能无影响、无热变形、清洁无污染等优点［14］目前， 国际上智能水刀技术的发展很快，与常规的水切割技术相比，智能水刀技术在切割 功能及切割精度等方面有了很大的提升其中的五轴联动切割加工技术通过 CAM 功能编制加工软件，可以加工由直纹展成的复杂三维型面，而常规水切割技术只能 用于两维型面的下料加工智能水刀技术极大地扩展了水切。