难切削加工材料电解机械复合铣削加工技术

Orienting national strategic demands, this project concentrates on the frontiers of advanced manufacture of key aero-engine components such as integral casings, compressor blades and blisks, which are normally made of difficult-to-cut materials including nickel alloys, titanium alloys, and titanium aluminide intermetallic compounds. From interdisciplinary integration between electrochemical machining and mechanical milling, this project will thoroughly study the proposed electrochemical-mechanical hybrid milling (EMHM) process like its effects on component macro-micro shape and performance, evolution and regulation of surface status in typical difficult-to-cut materials. These researches will explore electrochemical characteristics of mechanical-milled surfaces, material localized dissolution behaviors, EMHM shaping laws, surface evolution process as well as corresponding regulation strategies. Meanwhile, this project will break through several key techniques such as tool design, trajectory strategies, influences of surface integrity on cyclical fatigue life, high-surface integrity machining measures and so on. Finally, this project will solve the urgent problems and achieve efficient machining of typical difficult-to-cut materials with high accuracy and well surface integrity, which will dramatically promote our abilities in high efficiency precision manufacturing key aero-engine components.

本项目面向国家重大战略需求，瞄准航空发动机难切削加工材料关键构件（整体环形机匣，压气机叶片、叶盘）的先进制造领域研究前沿，通过电解加工技术与机械铣削技术的深度融合，开展电解机械复合铣削加工制造工艺对高温合金、钛合金、钛铝金属间化合物等难切削加工材料关键构件的宏微形性影响、构件表面状态演化及调控等研究。重点解决机械铣削加工表面的电化学特性及电解铣削材料蚀除行为、电解机械复合铣削成形过程以及成形规律、零件表面状态演化及调控机制等基础理论问题，突破电解机械复合铣削工具电极设计、加工策略、加工表面完整性对高周低周疲劳性能的影响规律、高加工表面质量技术措施等关键技术，解决高温合金、钛合金、钛铝金属间化合物等难切削加工材料关键构件的控形控性高效制造难题，使我国航空发动机难切削加工材料关键构件高效精密制造技术有较大幅度的提升。

航空发动机大量采用难切削加工材料结构，且加工精度要求越来越高，给制造技术带来很大挑战，亟需探索新的制造技术，以满足航空发动机的发展需求。本项目瞄准航空发动机难切削加工材料结构的先进制造领域研究前沿，通过电解加工技术与机械铣削技术的深度融合，开展电解机械复合铣削加工技术研究。经过四年的深入研究，项目探明了电解机械复合铣削加工中电解加工和机械加工之间在材料去除方面的相互影响规律，明晰了电解机械复合铣削加工的材料去除机理，其三种材料去除过程与电极进给速度密切相关。建立了多场耦合作用下电解铣削加工工件型面的材料去除模型，获取了结构的动态成形过程，掌握了电解机械复合铣削加工成形规律。提出工具电极端面后倾斜设计、电解液射流方向负倾角设计以及电解液射流出口位置后偏移设计等工具结构改进方法，通过优化加工区流场与电场分布，促进了工件表面的材料去除，提高了电解铣削加工的材料去除速率。提出矩形出液口电极电源反接改进工具电极、电极侧壁绝缘+倾斜放置以及电极后端封液等方法，改善飞行式电解铣削加工间隙内电场流场分布，实现小间隙飞行式电解铣削加工，提高了加工质量和材料去除率。发现极端参数条件下飞行式电解铣削和旋转切入式电解铣削过程中均出现火花放电现象，提出气中放电+高电导率中性盐溶液电解铣削复合加工方法和高浓度盐溶液非脉冲直流旋转切入式电解电火花铣削复合加工技术，显著提高了加工效率和加工质量。提出了电解机械复合铣削粗精加工一体化技术，实现粗加工阶段通过电解铣削加工高效去除材料，精加工阶段通过机械铣削加工保证加工精度，并成功加工出了具有较高加工精度的沟槽、平面及曲面结构。研究成果厘清了电解机械复合铣削加工中材料去除机制、成形规律等基础科学问题，创新了复合加工方法、加工模式及工具结构，丰富发展了电解机械复合铣削加工技术，为该技术在航空航天领域的工程实际应用奠定了良好基础。