山東大學張建華教授團隊：帶速度約束的變參數電火花 / 電解復合加工大長徑比小孔高質高精度加工技術 | CJME論文推薦

引用論文

Xiaoming Yue, Haisheng Chen, Huihui Bian, Xuguang Yang, Jiaxuan Han, Shuo Zang, High-quality and high-precision machining of small hole with large aspect ratios using variable-parameter composite EDM/ECM processes with speed limit, Chinese Journal of Mechanical Engineering, Volume 39, 2025, 100147, https://doi.org/10.1016/j.cjme.2025.100147.

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關于文章

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研究背景及目的

燃氣輪機和航空航天發動機是國之重器，廣泛應用于航空、航天、船艦、機車動力、管道增壓、發電等國防、交通、能源等領域，是國家科技實力、綜合國力和創新能力的重要體現，是涉及國家能源和國防安全的戰略性產業，被譽為制造工業“皇冠上的明珠”，國外長期對我國進行嚴格的技術封鎖。其中，以深小孔為代表的超大深徑比結構（深徑比＞100：1）在燃氣輪機和航空航天發動機領域應用廣泛，其制造水平決定著燃氣輪機和航空航天發動機的燃燒效率、服役壽命、推重比等重要性能。燃氣輪機和航空航天發動機高溫合金部件深小孔具有深徑比大、形狀精度和表面質量要求高等特點，屬于典型的難加工材料極端尺寸結構。這給孔制造技術帶來了嚴峻挑戰。因此，難加工材料超大深徑比小孔的高質高精加工（簡稱高品質加工）一直以來都是極端制造領域的前沿問題，也是發展國產高性能燃氣輪機和航空航天發動機等高端裝備迫切需要的關鍵技術。現階段電火花加工和電解加工技術依然是難加工材料深小孔加工的主要方式，雖然得到了一定的應用，但依然存在諸多弊病。因此，將電火花加工和電解加工復合在一起是實現難加工材料深小孔高質高精加工最優前途的方法之一。由于大深徑比小孔的加工時間較長，孔出口和入口處的電解時間差距較大，導致孔的出口和入口直徑差距較大。為解決上述難題，本研究提出基于創新絕緣結構管電極的限速變參數電火花電解復合加工方法，借此解決大深徑比小孔錐度大的難題，本研究將在難加工材料超大深徑比小孔的高品質加工方法和理論上取得創新與突破，有望解決燃氣輪機和航空航天發動機上高溫合金部件超大深徑比小孔高品質加工的技術難題，助力我國新一代燃氣輪機和航空航天發動機技術水平的提升。

02

試驗方法

首先研制了電火花電解復合加工專用數控系統、加工狀態檢測系統和復合脈沖電源，實現了電火花電解復合加工過程中放電狀態和電解狀態的識別，并根據加工狀態進行伺服控制，保證了加工過程穩定進行。基于研發的數控系統，基于電火花穿孔機機床本體搭建了超大深徑比小孔電火花/電解復合加工實驗裝置。提出了基于弱酸性工作液的電火花/電解復合加工方法，通過弱酸性工作液溶解部分固體狀蝕除屑解決了深小孔加工排屑困難的難題；提出了工具管電極表面結構化絕緣方案，即軸向徑向復合電解型管電極，解決了大深徑比小孔加工表面質量低和加工精度差的難題；本研究提出基于創新絕緣結構管電極的限速變參數電火花電解復合加工方法，解決了大深徑比小孔錐度大的難題。并開展了工藝參數優化實驗和大深徑比小孔加工工藝實驗研究。

03

結果

（1） 提出了一種軸向徑向復合電解型管電極來實現大深徑比小孔的電火花電解復合加工，實驗結果表明上述方法可以實現孔壁表面無電火花殘留，Ra可小于0.5μm。然而，由于大深徑比小孔的加工時間較長，孔出口和入口處的電解時間存在顯著差異，導致孔出口和入口直徑差異較大，既孔存在錐度大的問題。

（2） 在大深徑比小孔的變電流電火花電解復合加工中，雖然減小限流電阻可以提高電解電流，但放電電流和加工速度也得到了提高。結果，總電解時間減少，孔的出口直徑減小，由于加工速度和加工參數對孔徑都有顯著影響，因此上述方法無法解決孔錐度大的問題。

（3） 采用限速變電壓電火花電解復合加工，實現了具有大深徑比小孔的高質高精加工，并實現了錐度幾乎為零（-0.01°）和負錐度（-0.115°）的加工，孔出口處未發現電火花殘留，孔壁表面光滑且孔壁的表面粗糙度Ra低于0.5μm。本研究提出的方法在難加工材料上加工高質量、高精度、大深徑比的小孔方面具有廣闊的應用前景。

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結論

（1）提出了變參數電火花電解復合加工超大深徑比小孔方法，但加工參數隨著孔深度增加而變大方案會提高孔的整體加工速度，孔的整體加工速度提高返過來又會降低孔出口處的電解時間，并最終降低了孔出口處的電解擴孔量，這導致變參數帶來的單位時間電解擴孔量增加又被孔的整體加工速度提高所抵消，并且變參數、孔的整體加工速度與電解擴孔量三者很難實現完美匹配，因此雖然通過變參數加工可以在一定程度上改善孔的錐度問題，但該方案工藝規律復雜，并且無法徹底解決孔入口直徑大于出口直徑的問題。

（2）提出了限速變參數電火花電解復合加工超大深徑比小孔方法，既保持變參數加工過程中孔的整體加工速度恒定，從而避免孔的整體加工速度變化對電解擴孔量的影響，實驗結果表明將工具管電極的最大進給速度控制在一定范圍內可以有效避免變參數對加工速度的影響。在限速條件下，加工過程中加工參數隨著孔深度增加而變大可以有效增大單位時間內電解擴孔量，因此孔的出口直徑被進一步擴大，進而降低了孔的出口與入口直徑偏差。

（3）通過工藝參數優化實驗實現了大深徑比小孔的高質高精加工，既孔壁表面無重鑄層和微裂紋缺陷，本方法在難加工材料高品質深小孔加工中具有廣闊的應用前景。

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前景與應用

研制了超大深徑比小孔電火花電解復合加工裝置，實現了鎳基高溫合金材料（Inconel738）超大深徑比小孔電火花電解復合加工，可以在難加工材料上加工φ0.5~3 mm深小孔（深徑比＞50），錐度＜0.05°，加工表面無重鑄層和微裂紋，Ra＜0.8 μm，加工速度＞5 mm/min。解決了鎳基高溫合金材料深小孔加工效率低下和加工表面質量差等難題，在鎳基高溫合金材料超大深徑比小孔電火花電解復合加工方面積累了豐富的研究基礎，在航空航天發動機和燃氣輪機深小孔加工方面具有廣泛的應用前景和重大國防、經濟、社會效益。

關于作者

01

作者介紹

張建華，男，1964年12月生，山東大學機械工程學院教授，博士，博士生導師，享受國務院政府特殊津貼。主要研究方向為非傳統加工工藝與裝備、高效精密加工技術及數控裝備、硬脆性材料表面改性及強化技術。中國機械工程學會特種加工分會常務理事、對外學術交流委員會副主任委員；中國刀協切削先進技術研究分會常務理事、副理事長；山東機械工程學會特種加工分會副主任委員；中國機械工程學會高級會員。

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近兩年團隊發表文章

[1] 岳曉明, 臧爍, 趙永華, 等. 高品質超大深徑比小孔電火花電解復合加工實驗研究[J]. 機械工程學報, 2024, 60(9): 374-382.

[2] Y Xing，Y Yin，F Wei，X Ma，S Zang，J Zhang，S Pan，X Yue. Electrochemistry-informed electrochemical machining (ECM) and microstructure-determined flattening mechanism of Inconel 738 superalloy[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2024, 133(1): 791-809.

[3] Yue X, Chen Z, Xu Z, et al. EDM milling based on a 6-DOF serial robot[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 123(5): 1905-1912.

[4] Yue X, Fan J, Li Q, et al. Influence of discharge gap on material removal and melt pool movement in EDM discharge process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 119(11): 7827-7842.

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[6] Yin M, Tang J, Li Z, et al. Thermo-hydraulic-metallographic modeling and study of the thermotropic metamorphic layer in EDM of Ti–6Al–4V[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2024, 58(2): 025305.

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[8] Yue X, Chen Z, Liu J. Investigation of subsurface defects structural evolution in nano electro machining of copper[J]. Materials Today Communications, 2022, 33: 104641.

作 者：張建華

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：向映姣

審 核：張 彤

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