放電加工技術(shù)在航空航天制造中的應(yīng)用

趙萬(wàn)生，康小明，顧琳，奚學(xué)程，張亞歐，胡靜，趙福春

上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

放電加工利用工具和工件之間脈沖性放電時(shí)的瞬時(shí)高溫來(lái)去除工件上多余的材料，以達(dá)到預(yù)定的零件尺寸、形狀及表面質(zhì)量等技術(shù)要求。按工具電極和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式、用途以及放電形式的不同，可將放電加工分為電火花成形加工、電火花線切割加工、小孔高速電火花加工、放電磨削加工、微細(xì)電火花加工和電弧放電加工等。

放電加工可以用軟的工具加工硬得多的工件，實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”，從而擺脫傳統(tǒng)切削加工對(duì)刀具材料的限制。另外，由于工具電極和工件之間不直接接觸，基本沒(méi)有宏觀作用力，因此可以加工低剛度零件及微細(xì)結(jié)構(gòu)。放電加工尤其適合于難切削材料、復(fù)雜形狀、小、深、斜孔、深窄槽、復(fù)雜型腔、半封閉流道、刀具可達(dá)性差的彎曲型腔等的加工。

隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)以及工業(yè)界對(duì)制造要求的持續(xù)提升，新的放電加工工藝方法也不斷涌現(xiàn)出來(lái)，且放電加工的成功案例也越來(lái)越豐富。

1 電火花成形加工技術(shù)的應(yīng)用

電火花成形加工以成形電極為工具，配合簡(jiǎn)單或復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，在工件上獲得復(fù)雜曲面、流道、窄槽和型腔等設(shè)計(jì)要求的幾何特征。傳統(tǒng)的電火花成形加工中，工件上成形的幾何特征是工具電極的簡(jiǎn)單反向拷貝。隨著六軸聯(lián)動(dòng)電火花技術(shù)的逐步成熟，電火花成形加工具有了無(wú)可比擬的空間可達(dá)性和形狀適應(yīng)性，可以使常規(guī)加工難以實(shí)現(xiàn)的幾何特征變得更容易加工。從材料適應(yīng)性來(lái)說(shuō)，電火花成形加工可輕松解決各類難切削材料的加工難題，如鎳基合金、鈦合金、金屬基復(fù)合材料、陶瓷材料等。

電火花成形加工技術(shù)的一個(gè)典型高端應(yīng)用就是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的閉式整體葉盤類零件。航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)采用葉片頂端帶葉冠的閉式整體結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)不帶葉冠的開式結(jié)構(gòu)后，可大幅降低單個(gè)葉片損壞造成整個(gè)葉盤失效的可能性，顯著提高航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性，還能帶來(lái)整機(jī)效率的提升。但閉式整體葉盤通常具有流道狹長(zhǎng)、彎扭，加工空間半封閉等幾何特征，刀具的可達(dá)性差；再加上高溫合金的難切削特性，采用切削加工極難實(shí)現(xiàn)。因此，國(guó)內(nèi)外均優(yōu)先采用5～6軸數(shù)控電火花成形加工技術(shù)方案來(lái)制造此類零件。其基本過(guò)程是：具有流道幾何特征的復(fù)雜形面工具電極沿著一條與最終葉盤無(wú)干涉的軌跡進(jìn)給到流道部位，然后通過(guò)“終位形面拷貝”運(yùn)動(dòng)來(lái)加工流道和葉片形狀。閉式整體葉盤電火花加工的核心問(wèn)題是工具電極進(jìn)給軌跡的獲取。目前，多軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等上的閉式整體葉盤加工。閉式整體葉盤的加工樣例如圖1所示。

圖1 多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工的各種結(jié)構(gòu)閉式整體葉盤Fig.1 Shrouded blisks of various structures for multi-axis linkage EDM

航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片上的封嚴(yán)槽加工也廣泛采用了電火花加工方法。通過(guò)專用夾具和過(guò)程控制，可以同時(shí)在多個(gè)工件中加工封嚴(yán)槽，以克服電火花加工工藝材料去除率較低的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的封嚴(yán)槽加工且提高加工效率，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Maradia等提出了一種將高速電火花打孔和放電銑削加工相結(jié)合的封嚴(yán)槽加工方法，放電銑削在電極成本以及幾何靈活性方面有著顯著優(yōu)勢(shì)，但其加工效率遠(yuǎn)低于成形加工，為此Maradia等先利用高速電火花打孔去除大部分封嚴(yán)槽材料，然后利用放電銑削進(jìn)行精加工，保證幾何精度和表面質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率，進(jìn)一步提高封嚴(yán)槽加工效率和表面完整性。其加工樣例如圖2所示。

圖2 高速電火花打孔和放電銑削方式加工導(dǎo)向葉片封嚴(yán)槽Fig.2 High-speed EDM drilling and electric discharge milling methods to process guide vane sealing grooves

此外，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索了使用放電銑削的方式來(lái)加工擴(kuò)散口的工藝方法。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Kliuev提出在小孔高速電火花加工機(jī)床上使用中空電極放電銑削加工來(lái)獲得擴(kuò)散口幾何形狀。先使用小孔高速電火花加工技術(shù)去除大部分?jǐn)U散口材料，隨后使用分層放電銑削進(jìn)行精加工，從而使加工效率得到較大提升。比利時(shí)魯汶大學(xué)的錢軍等人研究了高速電火花銑削加工傾斜表面時(shí)的放電過(guò)程和電極損耗現(xiàn)象，提出了一種基于放電脈沖識(shí)別和損耗感知的自適應(yīng)電極損耗補(bǔ)償策略，可將平均輪廓誤差控制4.8 μm以內(nèi)，如圖3(a)所示。英國(guó)Winbro公司和日本Elenix、牧野機(jī)床公司都曾報(bào)道用電火花銑削加工的方法來(lái)加工異形擴(kuò)散口，如圖3(b)所示，但并未對(duì)擴(kuò)散口加工的幾何精度及表面再鑄層(也稱熔化凝固層)做進(jìn)一步說(shuō)明，擴(kuò)散口電火花銑削的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)也沒(méi)有更多的披露。

圖3 擴(kuò)散孔放電銑削Fig.3 Electric discharge milling of diffusion holes

2 電火花線切割加工

電火花線切割加工(Wire Electrical Discharge Machining，WEDM)簡(jiǎn)稱線切割，其基本工作原理是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲(電極絲)作為工具電極，通過(guò)工具電極與工件之間的脈沖火花放電來(lái)蝕除工件金屬材料、進(jìn)而切割成形。線切割加工無(wú)需準(zhǔn)備復(fù)雜形狀刀具，也不需要制造成形電極，僅用簡(jiǎn)單的電極絲(黃銅絲、鉬絲、如鎢絲等)，通過(guò)CAM軟件自動(dòng)編程和多軸數(shù)控，便可加工出各種直紋面幾何特征。該加工方法的材料適應(yīng)性強(qiáng)，再鑄層等熱影響區(qū)可控性好，可用于切割各種高硬度、高強(qiáng)度、高韌性和高脆性的導(dǎo)電材料，如淬火鋼、工具鋼和硬質(zhì)合金、鎳基高溫合金、聚晶金剛石等。在加工過(guò)程中電極絲始終按一定速度送進(jìn)，不斷循環(huán)流動(dòng)的工作液將放電蝕除產(chǎn)物帶出加工區(qū)域，工具電極的自身?yè)p耗對(duì)加工精度的影響很?。豢杉庸ぞ芪⒓?xì)、復(fù)雜輪廓的各類零件。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)采用四道線切割工藝來(lái)加工渦輪盤榫槽線，加工表面的再鑄層厚度小于2 μm。近年來(lái)，瑞士GFMS率先推出渦輪盤榫槽線切割專用機(jī)床Cut-200D，該工藝已經(jīng)通過(guò)適航認(rèn)證并成功取代傳統(tǒng)拉削。線切割加工不僅工藝柔性好，且機(jī)床和工具的成本也大為降低，已經(jīng)在國(guó)際知名航發(fā)公司的生產(chǎn)線上得到成功應(yīng)用。上海交通大學(xué)和蘇州電加工機(jī)床研究所合作也成功開發(fā)出渦輪盤榫槽線切割專用機(jī)床。應(yīng)用于某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤64個(gè)榫槽的高精度輪廓加工。該機(jī)床為五軸數(shù)控，采用單向走絲線切割工藝。渦輪盤榫槽的加工樣例如圖4所示。目前通過(guò)榫槽線切割粗加工和高精度超硬砂輪精磨加工來(lái)實(shí)現(xiàn)榫槽的高效加工。

圖4 渦輪盤榫槽加工樣例Fig.4 Example of machining groove of a turbine disc

3 小孔高速電火花加工

小孔高速電火花加工是電火花加工技術(shù)的一個(gè)重要分支。該工藝采用旋轉(zhuǎn)的中空管狀工具電極(?0.2～?3.0 mm)，通過(guò)高壓內(nèi)沖液對(duì)放電極間進(jìn)行強(qiáng)制排屑和冷卻，因此可獲得非常高的加工效率，且具有加工超大深徑比(>100∶1)小孔的能力，非常適合處理難切削材料。小孔高速電火花加工在渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片氣膜冷卻孔加工、浮壁式火焰筒沖擊孔以及巡航導(dǎo)彈用渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴油環(huán)的加工中得到了廣泛的應(yīng)用，如圖5所示。

圖5 小孔高速電火花加工的典型應(yīng)用Fig.5 Typical application of small hole high-speed EDM

航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的很多關(guān)鍵零部件上有為數(shù)眾多的小孔，且這類零部件大多工作在高溫高壓、交變載荷、熱沖擊、化學(xué)腐蝕等極端惡劣環(huán)境之下，因而對(duì)小孔電火花加工的幾何精度、形位精度、再鑄層厚度、背傷防止、加工效率等指標(biāo)提出了嚴(yán)苛的要求。

在孔位確定方面，西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司徐佩等利用UG建模工具獲取三維空間小孔的位置與矢量信息，采用接觸感知功能得到設(shè)備回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)偏差，最后通過(guò)坐標(biāo)變換獲得對(duì)隨機(jī)分布的空間矢量小孔精準(zhǔn)定位的加工方案。

在孔的穿透檢測(cè)和防背傷方面，西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司的何金梅等研究了國(guó)產(chǎn)電火花小孔加工機(jī)床的加工通孔時(shí)的深度控制及穿透控制問(wèn)題，但過(guò)程需人工干預(yù)，自動(dòng)化程度較低。上海交通大學(xué)夏蔚文提出了基于加工狀態(tài)圖分類的穿透檢測(cè)模型和基于條件放電信號(hào)的貫穿判定方法，在其全部測(cè)試的樣本中成功率可達(dá)100%。

在小孔的再鑄層控制方面，清華大學(xué)李朝將等對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔電火花加工參數(shù)優(yōu)化，詳細(xì)分析了影響加工速度和再鑄層厚度的主要因素。沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的于冰、朱海南通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片氣膜冷卻孔電火花加工工藝參數(shù)，獲得了再鑄層平均厚度較小的加工參數(shù)組合。南京航空航天大學(xué)的徐正揚(yáng)提出了微小孔電火花-電解同步復(fù)合加工方法,通過(guò)電火花加工和電化學(xué)溶解同步進(jìn)行, 實(shí)現(xiàn)高效低損傷小孔加工。

北京易通電加工技術(shù)研究所馬名峻等開展了大深徑比小孔電火花電解復(fù)合加工工藝的試驗(yàn)研究，研發(fā)了一種液體成膜的低濃度電解質(zhì)環(huán)保水溶液作為高速電火花小孔加工機(jī)床的專用工作液，可避免錐形電極損耗，對(duì)于控制加工孔的錐度有著積極意義。該技術(shù)可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜孔及鎢鉬類高熔點(diǎn)金屬超深小孔加工。

4 電弧放電加工

為滿足更大的推力、更高的推重比、更好的經(jīng)濟(jì)性、更加綠色環(huán)保等要求，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)乃至燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件和高壓壓氣機(jī)部件中大量應(yīng)用新型高性能合金材料。這些新材料的優(yōu)異性能也給制造帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。對(duì)傳統(tǒng)的切削方法而言不僅加工效率低，而且刀具磨損嚴(yán)重，加工成本高昂。另外，整體式結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多地被采用以進(jìn)一步提升燃機(jī)的性能。因此，難加工材料構(gòu)件的高效、低成本加工能力已成為制約航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)制造的瓶頸之一。

研究表明，電弧放電等離子體的能量密度可達(dá)10J/cm，且溫度可達(dá)上萬(wàn)度，遠(yuǎn)高于火花放電等離子體。以電弧等離子體作為能量源，可望高效地熔化和氣化工件材料，為實(shí)現(xiàn)難切削材料的高效加工提供了強(qiáng)有力的工具。然而，高溫的穩(wěn)定電弧又是一把雙刃劍，如果不能被有效控制，不能及時(shí)移動(dòng)、關(guān)斷，則會(huì)造成工件放電局部嚴(yán)重?zé)齻?。因此，如何有效控制電弧乃是?shí)現(xiàn)電弧高效加工的關(guān)鍵。

當(dāng)前，電弧加工中的斷弧方法可以分為依賴脈沖式放電實(shí)現(xiàn)的電氣斷弧、依靠電極和工件之間的快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧和通過(guò)間隙高速流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的流體動(dòng)力斷弧三種。流體動(dòng)力斷弧的原理如圖6所示。相比機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧而言，流體動(dòng)力斷弧不依賴于電極與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以使電弧加工由車/磨、銑削模式發(fā)展出更加豐富的加工模式，如：沉入式加工、側(cè)銑加工、掃銑加工、多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)雜流道加工等模式，使得航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)閉式整體葉盤類零件的流道高效加工成為可能。此外，在電弧銑加工時(shí)，也可以同時(shí)運(yùn)用3種斷弧模式，以獲得更好的加工效果。

圖6 流體動(dòng)力斷弧原理Fig.6 Mechanism of hydrodynamic arc breaking

美國(guó)GE公司將其研發(fā)的“藍(lán)弧”加工技術(shù)應(yīng)用于高壓壓氣機(jī)整體葉盤類零件的加工，最初采用的是將工件浸沒(méi)在特制的電解液中進(jìn)行電弧放電蝕除。由于電解液具有腐蝕性，對(duì)裝備的防護(hù)要求很高。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)提出了基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工方法(Blasting Erosion Arc Machining,BEAM)，采用多孔內(nèi)沖液及水基工作液的加工模式以充分發(fā)揮流體動(dòng)力斷弧機(jī)制的作用，獲得了優(yōu)異的加工性能，并成功它應(yīng)用于多種航空航天零件的加工。圖7所示為上海交通大學(xué)采用電弧銑削模式加工的誘導(dǎo)輪模擬樣件。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)(華東)、山東大學(xué)也開展了電弧加工的相關(guān)研究。如中國(guó)石油大學(xué)(華東)的劉永紅教授團(tuán)隊(duì)提出電弧-電火花復(fù)合加工工藝，并進(jìn)行水包油納米乳化劑工作液的研究，發(fā)現(xiàn)較采用水基工作液可以獲得更好的材料去除率及更低的電極損耗率。山東大學(xué)張勤河教授團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了超聲復(fù)合電弧放電加工的研究。

圖7 高速電弧銑加工的誘導(dǎo)輪試件(電流500 A)Fig.7 Inducer test piece processed by high-speed arc milling (current 500 A)

采用成形電極的高速電弧放電掃銑式加工適用于開式整體葉盤。掃銑加工的特點(diǎn)是在電極進(jìn)給的過(guò)程中，引入分層掃掠方式實(shí)現(xiàn)材料去除。分層掃掠的優(yōu)點(diǎn)在于增大了相對(duì)放電面積和排屑空間，可充分發(fā)揮流體動(dòng)力斷弧機(jī)制的控制效果，進(jìn)而提高加工效率和穩(wěn)定性。

針對(duì)難加工材料的開敞式和中空式結(jié)構(gòu)零部件所具有的直紋面、大余量去除的特征，上海交通大學(xué)提出了基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧輪廓切割的加工方法，可實(shí)現(xiàn)高效、低成本的輪廓軌跡切割加工。圖8(a)為電弧放電輪廓切割加工完成后的20%vol SiC/Al支架結(jié)構(gòu)零件及其切割余料。

圖8 “天宮二號(hào)”鋁基碳化硅支架Fig.8 “Tiangong No.2” aluminum-based silicon carbide stent

整個(gè)支架結(jié)構(gòu)的切割加工時(shí)間小于2 h，平均切割面積效率值約為550 mm/min，遠(yuǎn)高于線切割加工100 mm/min的切割速度，且沒(méi)有斷絲的問(wèn)題。圖8(b)為采用先電弧切割粗加工，后銑削加工的方法加工的天宮二號(hào)鋁基碳化硅支架零件。

5 放電磨削

放電磨削是由明治大學(xué)橫川教授等率先研發(fā)的一種針對(duì)難加工材料通過(guò)放電實(shí)現(xiàn)類似磨削效果的加工方法。與機(jī)械磨削相類似，放電磨削利用工具電極磨輪和工件之間的放電來(lái)蝕除工件表面材料，實(shí)現(xiàn)高精度去除工件材料的目的。

如圖9所示，美國(guó)STECO公司研制了放電磨削(Spark Erosion Grinding，SEG)專用設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量加工。放電磨削的突出優(yōu)勢(shì)在于蜂窩及薄壁結(jié)構(gòu)的加工能力。該技術(shù)在GE及羅羅公司已獲得蜂窩加工的工藝認(rèn)證。國(guó)內(nèi)的“電熔爆”等方法也實(shí)現(xiàn)了蜂窩結(jié)構(gòu)的高效高質(zhì)量加工。該加工方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室蜂窩結(jié)構(gòu)封嚴(yán)環(huán)和低剛度薄板零件加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

為減少高溫氣體的流量損失，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室單元體密封組合件采用內(nèi)、外交疊式蜂窩密封結(jié)構(gòu)，多道蜂窩環(huán)位置重疊交錯(cuò)，相對(duì)空間狹小(毛坯狀態(tài)下僅3～4 mm)，且蜂窩表面不允許有明顯的燒傷和劃碰傷，對(duì)表面質(zhì)量要求極高。上海交通大學(xué)研制了多軸聯(lián)動(dòng)燃燒室封嚴(yán)環(huán)專用機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了某型發(fā)動(dòng)機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)電火花磨削加工，通過(guò)控制放電電流控制再鑄層的厚度，再鑄層的厚度最小可達(dá)2 μm，如圖10所示。

圖9 STECO公司放電磨削加工Fig.9 Spark erosion grinding by STECO

圖10 放電磨削蜂窩加工樣品Fig.10 Spark erosion grinding honeycomb processing sample

北京市電加工研究所蔣亨順對(duì)蜂窩件電火花磨削工藝進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，提出了工具電極直徑與磨削工件尺寸應(yīng)相差不大，利用包絡(luò)弧面增大磨削放電面積，提出限位伺服進(jìn)給方法，提升加工穩(wěn)定性，利用粗-中-精加工的提升磨削加工效率和加工精度。蘇州電加工研究所研制了6軸數(shù)控電火花蜂窩磨削加工專用機(jī)床, 由計(jì)算機(jī)對(duì)加工電參數(shù)、伺服過(guò)程及工藝規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)控制, 得到了高效、精密的加工效果。中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司針對(duì)重型燃機(jī)透平部件和壓氣機(jī)部件的蜂窩密封環(huán)設(shè)計(jì)了大型蜂窩環(huán)加工專用磨削電火花加工機(jī)床，電極采用懸臂內(nèi)套鑲嵌旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、利用雙主軸頭結(jié)構(gòu)使加工和測(cè)量分離，排削采用沖液加工方式，最終實(shí)現(xiàn)了重型燃機(jī)的大型蜂窩環(huán)電火花磨削加工。

多余度伺服閥精密反饋桿等低剛度零件的尺寸精度和形狀精度對(duì)其使用性能影響較大。然而，這類零件往往結(jié)構(gòu)剛度極低，在加工過(guò)程中很容易受到各種力和熱作用，產(chǎn)生較大變形，難以達(dá)到尺寸精度和形面精度要求。因此，磨削力引起的變形、夾持變形、加工熱變形等問(wèn)題是制約反饋桿等低剛度零件加工精度提高的關(guān)鍵因素。

上海交通大學(xué)利用電火花線切割裝備，以電極絲作為工具實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)徑比、變截面反饋桿的高效、高質(zhì)量加工。由于放電加工無(wú)宏觀作用力，加工過(guò)程零件無(wú)受力變形，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)徑比大于100的零件加工。配合研發(fā)的專利技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)車削及磨削加工效率及成品率、且滿足設(shè)計(jì)要求的反饋桿零件的高質(zhì)量加工，如圖11所示，加工尺寸精度可達(dá)±3 μm，粗糙度0.5 μm。

圖11 采用電火花線電極磨削加工的細(xì)長(zhǎng)桿類零件Fig.11 Slender rod-like parts processed by EDM wire electrode grinding

6 放電加工裝備成套解決方案

新一代航空航天產(chǎn)品的研發(fā)速度不斷加快，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷被采用。而傳統(tǒng)的制造技術(shù)發(fā)展路徑為：標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備→加工工藝開發(fā)→工藝路線確定→工裝配套→操作者培訓(xùn)→形成最終產(chǎn)能。這種方式越來(lái)越難以滿足航空航天制造的需要。特別是在智能制造系統(tǒng)不斷發(fā)展的今天，更要以整體解決方案的方式來(lái)構(gòu)建航空航天制造的能力和體系。這種新型航空航天制造體系的形成過(guò)程可描述為：以先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu)制造問(wèn)題為需求牽引，制定系統(tǒng)優(yōu)化的工藝流程，根據(jù)優(yōu)化的工藝流程提出符合要求的裝備與系統(tǒng)解決方案，必要時(shí)研制出專用裝備，最終形成智能制造能力。

新型航空航天制造體系的系統(tǒng)解決方案應(yīng)該以優(yōu)化的工藝流程為核心，以加工、測(cè)量、檢驗(yàn)的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化為特征。承載系統(tǒng)解決方案的關(guān)鍵是開放、自主、可控的數(shù)控系統(tǒng)和開放式自動(dòng)化工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

6.1 航發(fā)渦輪葉片氣膜冷卻孔智能制造示范線

上海交通大學(xué)對(duì)渦輪葉片氣膜冷卻孔小孔高速電火花加工極間物理現(xiàn)象、穿透及貫穿檢測(cè)、分階段自適應(yīng)控制、專用CAM軟件研發(fā)、加工軌跡優(yōu)化、自適應(yīng)加工方法以及幾何精度、位置度測(cè)量等方面進(jìn)行了深入研究，形成了完整的技術(shù)體系和加工方案。

上海交通大學(xué)通過(guò)對(duì)實(shí)際葉片的測(cè)量點(diǎn)云與葉片模型的配準(zhǔn)，計(jì)算出實(shí)際葉片與模型葉片之間的變換矩陣，根據(jù)該變換矩陣和機(jī)床的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出特定葉片在特定機(jī)床上的加工G代碼，實(shí)現(xiàn)了葉片氣膜冷卻孔的準(zhǔn)確定位。針對(duì)渦輪葉片氣膜冷卻孔的孔位順序在CAD中隨設(shè)計(jì)幾何操作過(guò)程而定，導(dǎo)致空行程過(guò)多、機(jī)床運(yùn)行效率較低的問(wèn)題，提出一種變鄰域-禁忌搜索算法對(duì)其進(jìn)行高效求解，可將仿真實(shí)驗(yàn)的非加工時(shí)間縮短80%以上，并應(yīng)用于自主開發(fā)的氣膜冷卻孔專用CAD/CAM軟件中，在五軸數(shù)控小孔高速電火花加工機(jī)床上獲得了有效驗(yàn)證。針對(duì)大深徑比小孔加工各階段特點(diǎn)，提出分段自適應(yīng)控制策略，顯著提升了加工效率和孔入口區(qū)域質(zhì)量。此外，還開發(fā)了用于檢測(cè)氣膜孔位置精度、軸線方向以及入口尺寸的三維激光檢測(cè)系統(tǒng)。在上述工作的基礎(chǔ)上，上海交通大學(xué)與蘇州中谷實(shí)業(yè)、貴州安吉華元合作，研制了中國(guó)首條航發(fā)渦輪葉片氣膜孔智能制造示范線，如圖12所示。

圖12 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片智能化生產(chǎn)線Fig.12 Intelligent production line of aero-engine turbine blades

該系統(tǒng)由4臺(tái)五軸數(shù)控小孔高速電火花加工機(jī)床、1臺(tái)六軸數(shù)控電火花成形加工機(jī)床(用于加工擴(kuò)散口)，2臺(tái)六自由度機(jī)器人和多條傳送帶組成。該系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了葉片初始安裝誤差的自動(dòng)測(cè)量與校正、自適應(yīng)打孔、工件和電極自動(dòng)交換等一系列過(guò)程的自動(dòng)化，加工中無(wú)需人工操作與調(diào)整。該系統(tǒng)還應(yīng)用了自主開發(fā)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Executive System, MES)，將加工代碼自動(dòng)發(fā)送到配置有自動(dòng)上下料和自動(dòng)更換電極功能的小孔高速電火花加工機(jī)床。各機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)均可隨時(shí)監(jiān)控。目前該智能制造示范線自2019年6月在某航發(fā)葉片制造廠投入生產(chǎn)以來(lái)，一直運(yùn)行良好，葉片打孔加工質(zhì)量穩(wěn)定。

英國(guó)Winbro公司和瑞士GF加工方案研制了一個(gè)高速電火花加工系統(tǒng)，可加工渦輪葉片和導(dǎo)向葉柵環(huán)上的孔和窄槽，如果13所示。加工的孔包括直徑0.3～3 mm的圓孔、型孔和橢圓孔。

6.2 閉式整體葉盤六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工技術(shù)與裝備

上海交通大學(xué)與西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)公司、首都機(jī)械有限公司、北京市電加工研究所等單位合作，歷經(jīng)十余年持續(xù)攻關(guān)，突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了閉式整體葉盤多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工完整的先進(jìn)制造體系，如圖14所示。

圖13 葉片和導(dǎo)向葉柵環(huán)小孔加工的高速電火花加工 系統(tǒng)及工裝[9]Fig.13 High speed EDM system and machine set-up for EDM drilling of blades and vanes[9]

該體系包含：

1) 閉式整體葉盤多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工專用方法—發(fā)明了電極形面-閉式葉盤流道幾何共軛搜索法、最大自由行程法工具電極進(jìn)給軌跡搜索算法，開發(fā)了國(guó)際首套閉式整體葉盤六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工專用 CAD/CAM 軟件包。從根本上解決了狹長(zhǎng)、彎扭復(fù)雜流道閉式整體葉盤的可加工性問(wèn)題。

2) 彎曲流道高效加工方法—發(fā)明了旨在大幅度提高閉式整體葉盤多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工效率的多種高效工藝方法，包括多電極加工、多軸攝動(dòng)進(jìn)給、多軸搖動(dòng)修光和分級(jí)加工策略等，在確保加工質(zhì)量的前提下使加工效率成倍提升，保障了航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的批產(chǎn)能力。

圖14 閉式整體葉盤六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工技術(shù)與裝備Fig.14 Six-axis linkage EDM technology and equipment for closed integrated blisk

3) 5～6 軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床—發(fā)明了廣義單位弧長(zhǎng)增量插補(bǔ)原理與算法，實(shí)現(xiàn)了工具電極空間曲線進(jìn)給軌跡與位姿的六軸聯(lián)動(dòng)直接插補(bǔ)，研制的 5～6 軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床獲得應(yīng)用。合作伙伴北京市電加工研究所和蘇州電加工研究所分別發(fā)明了浸液式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵功能部件，確保了閉式整體葉盤5～6軸電火花加工裝備的完全自主可控。6軸聯(lián)動(dòng)功能使更復(fù)雜葉盤流道加工成為可能。

該技術(shù)成果已成功應(yīng)用于西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)公司和首都航天機(jī)械有限公司大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閉式整體渦輪盤、泵葉輪等零件的生產(chǎn)，加工效率平均提高300%，保障了高密度航天發(fā)射任務(wù)的順利完成。航天三十一所某型發(fā)動(dòng)機(jī)閉式整體泵葉輪及噴嘴環(huán)采用該項(xiàng)目電火花加工技術(shù)使得發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能和可靠性顯著提高。

6.3 高速電弧放電-機(jī)械銑削組合加工技術(shù)及裝備

高速電弧放電加工方法的突出優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)對(duì)難切削材料的高效率、低成本加工。但其加工精度和和表面質(zhì)量難以滿足最終加工要求。通過(guò)將高速電弧放電加工與機(jī)械銑削加工方法組合，即在同一臺(tái)加工中心上順序?qū)崿F(xiàn)高速電弧放電加工和銑削加工功能，粗加工時(shí)利用高速電弧放電加工高效去除大部分的余量，然后切換到機(jī)械銑削模式完成零件表面的精加工，從而實(shí)現(xiàn)航空航天難切削材料零部件的高效、高質(zhì)量加工。上海交通大學(xué)開發(fā)的高速電弧放電加工技術(shù)采用流體動(dòng)力和機(jī)械運(yùn)動(dòng)兩種斷弧機(jī)制，很好地實(shí)現(xiàn)了高能量密度電弧的有效控制，將高速電弧放電加工成功應(yīng)用于難切削材料的大余量高效、低成本加工,并與銑削加工組合，開發(fā)出國(guó)際首臺(tái)五軸高速電弧放電-機(jī)械銑削組合加工機(jī)床,如圖15所示。

圖15 電弧-銑削五軸復(fù)合加工Fig.15 Arc-milling five-axis combined machining

高速電弧-銑削組合加工系統(tǒng)包括：

1) 多軸銑削加工機(jī)床本體。針對(duì)電弧加工的特點(diǎn)進(jìn)行必要的防護(hù)及絕緣處理，并增強(qiáng)工作液循環(huán)系統(tǒng)以滿足大流量高速多孔內(nèi)沖液和電蝕產(chǎn)物過(guò)濾回收的要求。

2) 復(fù)合型多軸數(shù)控系統(tǒng)。除兼具傳統(tǒng)五軸銑削加工數(shù)控功能外，還集成了高速電弧放電加工的工藝過(guò)程控制，能夠根據(jù)高速電弧放電加工的特殊需求對(duì)加工中的放電過(guò)程及時(shí)響應(yīng)并有效控制。

3) 高速電弧放電加工電源及放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。除具有根據(jù)加工需求輸出大能量、極性可控脈沖電流的能力外，還具有放電狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能，可根據(jù)放電加工過(guò)程中的極間狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷并與數(shù)控系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)放電間隙伺服控制。

圖16為復(fù)雜曲面特征三元流葉輪樣件五軸數(shù)控高速電弧放電加工與機(jī)械銑削組合加工的結(jié)果。高速電弧放電加工中采用600 A電流，對(duì)應(yīng)的材料去除率可達(dá)14 000 mm/min。其后采用小能量電弧放電加工，可有效改善表面粗糙度和尺寸精度，為后續(xù)機(jī)械銑削加工奠定較好基礎(chǔ)。后續(xù)機(jī)械銑削加工過(guò)程中，刀具磨損小、加工狀態(tài)穩(wěn)定，最終獲得的零件表面粗糙度為1.2 μm的加工表面，且由于切削余量小，有效抑制了加工變形與切削顫振，樣件加工結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，充分展現(xiàn)了該組合加工工藝應(yīng)用于具有復(fù)雜幾何特征的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、能源裝備零部件制造方面的可行性。

圖16 電弧與切削組合加工的三元流葉輪試件Fig.16 Three-dimensional flow impeller specimen processed by arc and cutting combination

上海交通大學(xué)利用上述自主研發(fā)的裝備和工藝方法實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)鈦合金支架、三元流葉輪、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫不銹鋼誘導(dǎo)輪、高溫合金渦輪靜子、空間站金屬基復(fù)合材料(20%vol SiC/Al)結(jié)構(gòu)件、高組分金屬基復(fù)合材料(50%vol SiC/Al)結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)TiAl金屬間化合物葉片樣件等難加工復(fù)雜零部件的高效、高質(zhì)量加工，極大地縮短了制造周期，降低了加工成本。該技術(shù)與裝備研制成果共申請(qǐng)30余項(xiàng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利。

6.4 航發(fā)渦輪盤榫槽線切割加工工藝與裝備

上海交通大學(xué)與蘇州電加工機(jī)床研究所合作采用以電火花線切割替代拉刀拉削的方案對(duì)航發(fā)渦輪盤榫槽進(jìn)行加工，研制出榫槽加工專用五軸數(shù)控單向走絲線切割加工機(jī)床，如圖17所示。

圖17 榫槽加工專用五軸單向走絲線切割機(jī)床Fig.17 Special five-axis one-way wire cutting machine tool for tongue and groove processing

該機(jī)床采用了高精度、高剛度機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)加高精度兩軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的總體布局來(lái)滿足渦輪盤榫槽輪廓的高精度加工要求；采用了智能傳感技術(shù)檢測(cè)放電狀態(tài)，利用自適應(yīng)多變量控制技術(shù)來(lái)確保線切割加工過(guò)程的平穩(wěn)以及保證榫槽的切割精度。研發(fā)了具有防電解脈沖電源回路、納秒級(jí)脈沖放電微精加工技術(shù)以保證線切割加工零件的表面完整性。為此專門開發(fā)了榫槽線切割加工專用五軸數(shù)控系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)放電加工過(guò)程進(jìn)行精確控制，保證了榫槽切割加工的工藝一致性。

6.5 放電加工數(shù)控系統(tǒng)、集成技術(shù)

放電加工是一類非接觸式特種加工技術(shù)，需要工具電極與工件之間保持合適的放電間隙才能進(jìn)行穩(wěn)定的放電與可控的加工。與機(jī)械加工數(shù)控系統(tǒng)最大的區(qū)別在于放電加工數(shù)控系統(tǒng)需要進(jìn)行工藝過(guò)程閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)材料去除與進(jìn)給之間的匹配。影響放電加工性能的因素很多，脈沖電源、工作液介質(zhì)、環(huán)境溫度、機(jī)床精度與動(dòng)態(tài)性能以及操作人員的經(jīng)驗(yàn)等。高精度的材料去除估計(jì)與加工進(jìn)給的匹配，對(duì)于放電加工數(shù)控系統(tǒng)是最大的挑戰(zhàn)之一。上海交通大學(xué)開發(fā)了原創(chuàng)的編碼器/播放器架構(gòu)，將各種復(fù)雜曲線運(yùn)動(dòng)軌跡用單位弧長(zhǎng)增量法插補(bǔ)成為運(yùn)動(dòng)比特流，這種方式極大地簡(jiǎn)化了數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)，得以對(duì)材料去除過(guò)程和加工放電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。隨著數(shù)控系統(tǒng)向分布式與集成化方向發(fā)展，EtherCAT、Ethernet POWERLINK 等數(shù)字總線通信標(biāo)準(zhǔn)在金屬切削機(jī)床得到了廣泛普及，具有該類接口的伺服電機(jī)、脈沖電源以及IO模塊在電加工數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用也在提速，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用將極大地提升產(chǎn)品的先進(jìn)性、可靠性以及機(jī)床的加工精度、加工質(zhì)量，同時(shí)大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的連接，提升系統(tǒng)的整體抗干擾能力。該放電加工數(shù)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多軸聯(lián)動(dòng)電火花線切割加工機(jī)床、多軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床、多軸數(shù)控小孔高速電火花加工機(jī)床(圖18)、大型環(huán)形件小孔高速電火花加工機(jī)床、柔性工裝、激光測(cè)量機(jī)、微細(xì)電加工機(jī)床等。

圖18 七軸數(shù)控電火花小孔機(jī)床及大型環(huán)形件加工Fig.18 Seven-axis CNC EDM small hole machine tool and machining of large ring parts

為了提高加工性能的預(yù)測(cè)精度，傳統(tǒng)的辦法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取一個(gè)或者幾個(gè)“重要參數(shù)”進(jìn)行大量的工藝實(shí)驗(yàn)，然后形成“專家數(shù)據(jù)庫(kù)”進(jìn)行工藝過(guò)程控制?？刂频男Ч槐M理想。機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的應(yīng)用為這一領(lǐng)域帶來(lái)了新的強(qiáng)有力工具。有別于傳統(tǒng)單純基于模型的制造過(guò)程控制，基于工藝大數(shù)據(jù)的工藝過(guò)程控制，將傳統(tǒng)工藝模型與人工智能技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將產(chǎn)品一致性、可靠性、可追溯性提高了前所未有的水平。上海交通大學(xué)夏蔚文通過(guò)對(duì)小孔加工狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)加工狀態(tài)圖進(jìn)行在線分類，實(shí)現(xiàn)了高可靠性的穿透檢測(cè)識(shí)別。

6.6 航空航天部件放電加工單元智能制造整體解決方案

為了提升航空航天產(chǎn)品的加工效率、質(zhì)量和產(chǎn)品的一致性，自動(dòng)化、智能化技術(shù)在放電加工單元中的應(yīng)用也在提速。以上海交通大學(xué)牽頭研制的國(guó)內(nèi)首條航發(fā)渦輪葉片氣膜冷卻孔智能制造示范線為例，渦輪葉片氣膜冷卻孔的生產(chǎn)從測(cè)量、誤差校正、自適應(yīng)制孔、氣膜孔加工到擴(kuò)散口加工全面實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。

就目前中國(guó)在智能制造領(lǐng)域的技術(shù)積累和成功案例，依靠自主技術(shù)實(shí)現(xiàn)放電加工單元的全數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化已經(jīng)成為可能。利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和誤差校正算法，可以節(jié)省大量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的零件初始安裝找正過(guò)程；利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工具和工件的自動(dòng)交換、上下料，不僅可以大幅度降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守情況下的自動(dòng)化作業(yè)；利用先進(jìn)的EMS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)規(guī)劃和無(wú)人調(diào)度，隨時(shí)監(jiān)控整體單元的運(yùn)行狀態(tài)；應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)及智能控制方法，可以對(duì)工藝過(guò)程實(shí)施最優(yōu)規(guī)劃和最優(yōu)控制，在確保加工順利進(jìn)行的前提下大大提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率；在工件的隨行工裝上安裝RFID芯片，對(duì)每個(gè)工件的加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，可以為后期的加工參數(shù)工藝優(yōu)化和零件加工過(guò)程回溯提供可靠的依據(jù)。這些功能的實(shí)現(xiàn)都離不開全新數(shù)控系統(tǒng)的支持，上海交通大學(xué)經(jīng)過(guò)十余年的持續(xù)開發(fā)和不斷實(shí)踐，已經(jīng)推出完整的放電加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)及其智能制造單元解決方案，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了有效驗(yàn)證。

應(yīng)用放電加工智能制造單元技術(shù)，可使生產(chǎn)過(guò)程的組織從孤立的單機(jī)設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻闹悄苤圃斐商自O(shè)備，生產(chǎn)方式、作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)人員、工藝過(guò)程等加工要素實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化，可以更好地應(yīng)對(duì)先進(jìn)的航空航天產(chǎn)品對(duì)制造系統(tǒng)的要求。工藝要素的全面數(shù)字化為系統(tǒng)優(yōu)化的工藝流程提供基礎(chǔ)，同時(shí)依托裝備與系統(tǒng)解決方案提高了市場(chǎng)響應(yīng)速度、提升了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

7 總 結(jié)

近年來(lái)隨著中國(guó)航空航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)先進(jìn)材料和先進(jìn)制造提出了越來(lái)越高的要求，不僅在技術(shù)能力方面，也在質(zhì)量、效率、成本、壽命、安全、可靠性等方面都提出了更高的要求，包括放電加工在內(nèi)的特種加工技術(shù)大有可為。放電加工技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢(shì)與方向主要為以下4個(gè)方面：

1) 精密化，隨著航空航天關(guān)鍵零件制造精度要求的不斷提高，既需要較高加工表面質(zhì)量，還需要達(dá)到精密的尺寸要求。

2) 高效化，高效加工一直是放電加工追求的目標(biāo)之一。隨著高強(qiáng)度難切削材料在航空航天制造中應(yīng)用的日益增多，對(duì)這類材料的高效加工的要求越來(lái)越迫切。

3) 自動(dòng)化，放電加工系統(tǒng)中具有電極庫(kù)和工件庫(kù)，采用機(jī)械手或機(jī)器人進(jìn)行工件和電極的自動(dòng)交換，全自動(dòng)完成整個(gè)加工過(guò)程，既提高了加工效率，也消除了人為出錯(cuò)的可能。

4) 智能化，放電加工的智能化應(yīng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工環(huán)境中各種現(xiàn)象的智能感知，通過(guò)建立在工藝數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的專家系統(tǒng)，進(jìn)行最優(yōu)化的加工因素組合，實(shí)現(xiàn)加工目標(biāo)。

中國(guó)在航空航天領(lǐng)域經(jīng)過(guò)幾十年的努力，放電加工技術(shù)的應(yīng)用水平也大大提高，未來(lái)不僅對(duì)單機(jī)裝備的工藝能力和水平，更對(duì)放電加工技術(shù)及裝備在數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)解決方案方面提出更高的要求。

放電加工技術(shù)在航空航天制造領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，在新一代航空、航天技術(shù)的需求牽引下，必將帶動(dòng)放電技術(shù)向更高的目標(biāo)發(fā)展，因而也為中國(guó)放電加工的工藝與裝備的科研指引了方向。具體而言，難切削材料的高效加工、高表面完整性加工、抗疲勞制造、精密與微細(xì)加工、加工工藝過(guò)程的智能感知和智能控制、工藝過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化，測(cè)量、制造、檢驗(yàn)一體化技術(shù)等都會(huì)成為放電加工在航空航天制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。