多工位電液束加工技術

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

電液束加工是在金屬型管電極小孔加工基礎上發展起來的一種小孔加工方法[1–2]。其基本原理如圖1所示，酸基溶液經毛細玻璃管噴射形成液束流，工件和毛細玻璃管中的金屬電極分別與直流電源正、負極接通，在電場的作用下，液束被陰極化，陽極金屬工件被“溶解”去除，從而實現小孔的成形[3–4]。在電液束加工時，其電流密度遠遠大于普通電化學加工穩定狀態下的電流密度，屬于電化學與化學加工復合作用的一種高能加工[5]。由于其具有的電化學冷加工特性，與普遍應用的熱加工手段如激光、電火花等制孔方法相比，電液束小孔加工的品質更高，加工的氣膜孔不存在重熔層、微裂紋、熱影響區，葉片制孔后不需要后續處理，技術優勢顯著[6]。氣膜孔的加工質量直接關系到葉片的安全可靠性[7]，因此，在美國、英國、德國、俄國等先進國家受到了足夠的重視。

英、美、俄等對氣膜孔加工工藝和設備一直進行持續不斷的深入研究，從工藝技術、加工設備、在線檢測、自動物料庫、自動化控制等多個方面進行不斷的升級和更新。電液束加工工藝在美國GE、德國MTU、英國ELE等公司實現了長期的穩定應用。近年來荷蘭、俄羅斯、印度等國也廣泛開展該項技術的研究[8]。近年來國內開始對電液束加工方法進行重點評估，對于航空發動機、燃氣輪機的導向葉片深孔加工部位，在圖紙上明確指定采用電液束加工工藝。

中國航空制造技術研究院自20世紀80年代開始進行電液束加工工藝研究。對電液束加工小孔的重要參數包括加工電壓、電流，酸溶液成分、濃度、溫度、壓力，進給速度，玻璃管電極形狀、尺寸及玻璃管電極導電體布置等進行了充分探索，并針對加工參數對加工結果的影響進行了系統的測試分析。試驗證明，電液束加工保證了加工小孔表面無熱影響造成的缺陷，因而在多個型號的高推比發動機單晶材料工作葉片氣膜孔加工中得到應用[9]。

除了渦輪葉片氣膜孔的尺寸精度、表面質量要求，渦輪葉片氣膜孔的形狀對冷卻效果的影響至關重要[10–11]。在渦輪葉片氣膜冷卻技術的應用中，發動機設計師希望用盡可能少的冷氣量來達到一定的冷卻性能要求。因此，對氣膜孔的尺寸形貌以及質量穩定性均提出了更高要求。一是在渦輪葉片氣膜孔的孔徑一致性、坐標位置角度的精確性、孔形孔貌保證上明確量化。葉片的氣膜孔由等角度、等間距排列漸漸演變為多角度、不等間距的排列[12–14]。二是要求孔形規則，出入口圓滑，不能出現缺陷而導致應力集中，影響葉片的疲勞性能。這對電液束加工過程中的主要參數如電極進給速度、電壓、溶液組分濃度與溫度、輸液壓力等的控制提出了更為嚴苛的要求。同時，葉片表面小孔數量與分布密度進一步提高，加工量大，加工效率已成為新機研制中重點關注的因素。航空發動機渦輪葉片上通常分布有數百個氣膜孔，海量的小孔需要較高的加工效率才能滿足生產要求。目前，單點、單工位的電液束加工工藝很難滿足日益增長的型號研制需求。因此，國內外均將葉片氣膜孔的加工效率和質量提到了一個同等高度進行考慮。

目前，先進航空發動機高壓渦輪工作葉片采用單晶鑄造材料，具有高溫強度高、組織穩定及鑄造工藝性能好等優點[15–17]，其在制孔中嚴禁出現熱影響區以防止出現再結晶[18]。電液束冷加工方法已成為首選工藝。高推比航空發動機渦輪葉片海量、密集小孔的加工效率已成為新型發動機生產面臨的嚴峻問題。依靠單點、單工位電液束加工工藝，需要大量的設備及操作人員才能滿足發動機新型號研制需求。進入量產后，更需投入大量的人力與裝備，因而引出了對多工位電液束技術的需求。采用多工位加工，實現集中控制，是大幅提升電液束加工效率的有效途徑。

多工位電液束加工系統設計

1 多工位布局

多工位電液束加工布局上考慮了加工單元并列排布的方案，如圖2所示。

多工位電液束加工系統主要由加工主機單元、控制系統、工件傳輸系統、集中供液系統等組成。

加工工位有3個，每個工位均設計有X、Y、Z直線運動及B、C旋轉運動五軸；各工位均為單獨的工作箱，彼此之間無干涉； 3個工位集中控制；集中供液系統分為3路向3個工位提供加工溶液； 3個工位在自動加工時由一個6軸機器人進行工件裝卸、運轉，采用站臺式的連續傳輸形式，工件的流轉路徑如圖3所示。加工程序由儲存區1發起，葉片傳送至工位1，完成當前工位加工后，流轉至儲存區2，待工位2空閑時，再轉至工位2，完成當前工位加工后，流轉至儲存區3，待工位3空閑時，再轉至工位3，以此類推進行交叉循環。系統自動記錄、判斷工位加工狀態。每個葉片全部小孔加工完成后，均流轉至成品區，即完成區。

2 設備設計

圖1 電液束加工原理Fig.1 Mechanism of electro stream machining

圖2 多工位設備布局示意圖Fig.2 Multi-station equipment layouts

電液束加工設備較為特殊，要在酸性環境下同時實現酸液的輸送、電源電壓的施加以及多個加工軸的進給，這對設備部件的耐蝕防護和對操作者的安全保護提出了比一般電化學加工設備更高的要求。其設計的難點有以下4點。（1）運行環境較為惡劣：電液束加工采用酸性溶液，在加工過程中，除了與溶液接觸的工作區、管路外，還有少量的酸霧，對設備的腐蝕性較大。（2）需要控制的元素較多：電液束加工屬于電化學加工領域，需要控制的主要參數有加工電壓、溶液壓力、溶液溫度、進給速度等，主要附屬設備有輸液系統、電源、風機等。（3）安全性操作性要求高：相比普通電解加工，電液束加工的電壓較高，且工作環境為酸性，加工過程中不能接觸工作區；操作時，需對制孔過程的參數穩定性、制孔過程進行監控，主要包括：參數監控（電壓、電流、溶液壓力、溶液溫度、溶液pH值等），狀態監控（小孔穿透、電極破損、電極堵塞等），外部設備監控（輸液系統、過濾有效性、電源運行等）。（4）多工位加工的工位協調：多工位加工時，不同工位制孔的對象不同，需要工件在工位間的流轉，實現自動化物流。

主機設計如圖4所示。機床設計了3個加工單元，形成3個工位。控制面板可以游動于3個工位位置前面。物料架位于主機右側，工件周轉容量為8個，由機器人將葉片在3個工位和物料架間完成自動流轉。

圖3 工件傳輸順序Fig.3 Sequence of workpiece transfer

圖4 多工位工作區模型Fig.4 Multi-station workspace model

每個加工單元上均設計有X、Y、Z直線軸與B、C兩個旋轉軸，直線軸行程分別為X軸260mm、Y軸200mm、Z軸200mm，B軸、C軸旋轉范圍分別為±90°、360°。葉片通過夾具固定于C轉臺，C軸可以實現葉片小孔加工時角的調整，C轉臺通過轉臂與B轉臺連接，B軸運動可以實現葉片角的調整，如圖5所示。

圖5 加工軸設計Fig.5 Design of processing axis

電液束加工時，加工電極沿X、Y方向進行位置坐標調整，加工小孔通過α、β兩個方向的角度變化實現兩個角度的調整功能。在加工時，為了避免重力對液束的影響，電極須沿垂直Z方向進給。加工電源為直流電源，輸出額定電壓300V，輸出額定電流3×5A。

控制箱采用懸臂吊掛方式，3個工位的操作集成到一個控制面板。在機床和機器人活動區域，設置圍欄，并在圍欄內布置一對安全光幕，如圖6所示，有人進入正在工作中的機器人活動區域，機器人會立即停止運動。防護欄的安全門設置安全限位開關，門打開時，機器人也會立即停止運動。機器人停止不影響各個工位的正常加工。在防護欄、機器人控制箱以及機床操作箱上均布有急停按鈕，無論是機器人系統故障，還是主機床故障，按下急停按鈕，整個設備都能停止運動，以保障人員安全。

設備控制由機床控制系統與工件傳輸系統兩部分組成。機床控制系統采用工控機作為核心單元，具有多工位、多坐標邏輯順序控制、自動對刀、加工后自動換位等功能；進給軸采用交流伺服驅動，控制內容包括電液參數、工件位置角度、進給速度等。工件傳輸系統負責工件的識別、流轉以及自動裝夾。機器人工件系統與機床控制系統之間通過以太網（EtherNet）接口通訊，實現的主要功能有以下方面。（1）自動加工功能：根據工藝輸入各軸加工起、終點坐標以及Z軸加工深度、加工總孔數等參數后自動加工[19]。加工開始后，電極進行自動對刀，對刀后退回初始間隙，自動接通電源（可設定延時）開始進給。小孔加工穿透信號發出或到達預設行程后，自動停止進給并關斷電源（可設定延時），Z軸返回，換位加工下一個小孔。加工過程中可實現進給暫停與恢復。加工至某一段最后一個小孔后，自動停止進給并關斷電源（可設定延時），Z軸返回至設定位置，該段加工結束。加工孔的過程中，X、Y位置以及B、C軸的角度按程序進行自動調整，并根據孔通信號以及行程控制實現自動換位。（2）監控功能：對加工電壓、加工電流、溶液壓力等信號進行實時監控，對參數的異常情況及時做出報警或暫停加工等反應。（3）日志功能：對重要加工參數（加工電壓、加工電流、溶液壓力、溶液溫度）進行記錄。（4）故障處理功能：遇到突發情況（電極損壞，電氣故障等），有問題的工位停止，其他工位保持現有狀態。問題工位恢復后，經確認，工件調度系統程序可以斷點續傳。如果某個工位的故障較嚴重，需要一段時間才能修復，調度系統可以操作繞過該故障工位。（5）安全防護功能：具備多重安全互鎖控制，例如加工電源啟動前必須啟動供液系統，啟動供液系統前必須關閉工作箱門等。工件調度運行時，如遇到人員闖入警戒區域，則調度系統立即停止動作。人員離開后，調度系統才可以繼續動作。

輸液系統實現多工位集中供液。電液束加工采用酸性溶液，對設備及溶液傳輸系統要求很高。多工位集成式供液系統由酸液容器、耐酸高壓泵、穩壓裝置、調節閥、精密耐酸過濾器等組成。具備的主要功能如下。（1）循環供液功能：可按設定的供液壓力為電液束加工設備連續供液，運行中保持預先設定的壓力值。具備低液位報警功能，保證循環供液過程中禁止出現溶液箱抽空或回流液箱溢出故障。（2）穩壓控制功能：采用脈沖計量泵，為保證供液壓力的穩定性，配備了脈沖消減裝置進行穩壓控制，消除壓力波紋。（3）精密過濾功能：電液束加工電極前段非常細小，所以必須實現精密過濾，同時考慮過濾裝置壽命，過濾精度不大于5μm。（4）溫控功能：具備溶液加熱及冷卻功能，可設定溫度范圍20～40℃。

圖7為多工位電液束加工設備安裝現場。

多工位電液束加工關鍵技術

1 葉片定位與自動檢測技術

葉片通過工裝安裝到機床夾盤上時，由于葉片榫頭與葉片葉身存在偏差，夾盤的轉軸也與葉片的積疊軸存在誤差，若采用理論程序進行孔的加工，則會導致孔的位置和孔軸線與設計不符，造成零件報廢。在國外的電火花制孔設備中，實現了對葉片的在線五坐標檢測，通過檢測結果，對葉片的各個孔的加工位置進行了最優的調整，最大程度擬合理論狀態。但在電液束的加工環境中，酸液和酸霧的環境使在線檢測的裝置無法進行布置，因此采用了測量機和多工位主機隔離放置的方案，即將葉身型面測量和氣膜孔加工兩種工藝進行了分離，不同于一工位一機的傳統思路，采用一臺測量機服務于多設備、多工位的方法。測量機主體具備X、Y、Z直線軸和B、C軸旋轉功能，布局與加工單元完全一致，如圖8所示。測量機臺面采用天然花崗巖材料，熱膨脹系數低，穩定低形變，導軌采用全閉式空氣軸承。測量軟件包括測量模塊和自動檢測模塊。檢測裝置的五坐標全部測量運算功能由控制系統、專用測頭、分析軟件、專用計算機實現。

圖6 安全圍欄設計Fig.6 Design of safety fence

圖7 多工位電液束加工設備Fig.7 Multi-station equipment of electro stream machining

為了保證測量數據能夠在多工位主機上實現準確還原，測量機和多工位主機必須采用幾何尺寸、精度等級完全一致的B、C雙軸轉臺，如圖9所示。通過檢測、調試等手段來保證B、C雙軸轉臺的一致性。為保證葉片夾具的裝夾精度，采用幾何尺寸、精度等級均一致的精密定位夾頭。精密定位夾頭軸線和C軸軸線重合、角向位置一致，保證葉片及夾具在測量機和多工位主機上安裝后位置的一致性。

圖8 五坐標測量機Fig.8 Five–axis measuring machines

自動檢測定位步驟如圖10所示。葉片通過定位基準座安裝于測量機上；測量機通過對渦輪葉片的葉身的檢測，獲取真實葉身型面的數據，并根據理論數模進行誤差分析，計算出每個孔的坐標各矢向誤差值；如果計算結果超出了設定的允差值，則需要增加葉身測量點進行再測量（再超過允差將不予處理），通過擬合運算，得出葉片5個坐標軸原點修正數據；利用CAM軟件對基于理論數據的加工程序進行改編，最后轉換為Z向進給加工數據，生成新的加工程序。

相比葉片機床在線檢測定位技術，電液束加工的檢測定位采用的是將型面測量和氣膜孔加工兩種工藝進行分離的布置方式，有效解決了電液束加工酸性環境下標準測頭腐蝕的難題。測量機和多工位加工單元采用了幾何尺寸、精度等級一致的雙軸轉臺和精密定位夾頭，實現了葉片及夾具異地數據的精確還原，取得了與在線測量同樣的效果。一臺測量機通過數據通信服務于多臺設備，大大節省了硬件成本。通過葉片氣膜孔加工驗證，調整后程序的加工位置明顯好于理論程序的加工位置，孔位置偏差從理論程序的0.5mm提高到調整后程序的0.03～0.2mm。

圖9 測量機和加工設備的B、C轉臺Fig.9 B、C rotary table of machining and measuring equipment

2 加工初始間隙自動確定技術

電液束加工采用的毛細玻璃管透明、薄脆、強度差，不能采用光學、觸碰、超聲檢測等方法進行位置的偵測，因此電液束小孔加工過程中，電極的起始位置，包括電極與葉片表面的初始間隙是定位技術中的一項難題。電液束加工的初始位置與初始間隙水平、小孔中心位置、加工入口的形貌直接相關。其中初始間隙與加工入口的擴口狀態呈近似正比線性關系。如初始間隙過大，則會出現較大的擴口，呈喇叭口形狀，而初始間隙過小，則會因為工作進給開始而來不及“切削”造成電極與工件的觸碰[20]。往往只能通過人工檢測加工初始間隙，人工調整電極的位置坐標，然后手工輸入加工起始位置坐標，啟動程序加工。

在多工位電液束加工技術研究中，根據電液束加工環境的特點，提出了換位“對刀”技術，即采用與玻璃管電極具有固定的位置關系的“影子”探針置換實現對刀的方法，解決了初始間隙的確定難題。探針布置如圖11所示。

圖10 葉片檢測定位步驟Fig.10 Detection and positioning steps of blade

初始間隙的自動確定過程如圖12所示。（1）毛細玻璃管電極固定于電極密封頭上，金屬探針固定于連接架上，輸液導電密封頭與連接架均與電液束加工機床陰極安裝板連接，毛細玻璃管電極與金屬探針形成固定的X、Y方向位置關系，X、Y坐標差值分別為Δx、Δy。金屬探針通過調整螺母調節上下位置，使金屬探針端部與毛細玻璃管電極端部Z向位置相等。（2）啟動小孔加工程序后，機床陰極安裝板沿X、Y方向分別運動使金屬探針與基準塊的X、Y向兩面觸碰，獲取觸碰信號后記錄當前坐標為（x0，y0）。（3）金屬探針沿X、Y反向運動距離分別為（x1–x0）、（y1–y0），使探針端部位于小孔中心（x1，y1）位置。（4）金屬探針沿Z方向自動接近工件，獲取其與葉片表面接觸的信號；出現接觸信號后，系統記錄坐標觸碰位置1（x1，y1，z1），并自動將Z坐標值減去設定的加工初始間隙δ（z2=z1–δ），作為位置2（x1，y1，z2），然后將位置2數值自動賦值至加工程序，確定起始加工位置。（5）機床陰極安裝板退回啟動位置，X、Y分別移動Δx、Δy，使毛細玻璃管電極置換到金屬探針位置（x1，y1）。至此，玻璃管電極的定位和初始間隙控制過程完成。（6）玻璃管電極前端自動到達位置2（x1，y1，z2），按自動設定的初始加工間隙開始加工。

采用加工初始間隙自動控制，加工小孔的擴口尺寸在0.54 ～ 0.57mm之間，一致性誤差為0.03mm。可以看出，初始間隙的控制方法對保證小孔入口形貌的一致性起到了關鍵性的作用。加工出的小孔入口一致性好，效果顯著。小孔入口見圖13。

試驗表明，采用與玻璃管相對位置固定的金屬探針，通過真實對刀后，根據坐標差實現玻璃管電極的自動定位，位置精確，調整快捷，對刀數據直接寫入加工程序，準確控制每個孔起始加工位置，大幅提升了入口形貌一致性。自動對刀技術是電液束實現全自動化加工的關鍵之一。

3 加工穿透檢測技術

電液束加工葉片氣膜冷卻孔時，小孔出口形狀較為特殊，因工作葉片氣膜孔多為與葉片表面夾角很小的斜孔，小孔穿透瞬間，局部通透后還需要沿孔壁繼續加工余下的“半孔”，此時加工狀態非常復雜，如果處理不當極易造成出口過大或者產生縮口，嚴重時會出現孔邊臺階、凹坑等形貌，影響小孔品質。但如果加工穿透后未能及時停止，長時間的繼續加工，也會因電液束作用導致出現蝕痕、蝕坑等對壁擊傷缺陷。在目前現有裝備條件下，電液束制孔過程中只能依靠人工判斷小孔的盲通，并由人工干預刪除程序進給余程，效率低，勞動強度大。因此，能否在小孔加工穿透后及時實現換位加工，也是電液束制孔質量控制和實現自動化加工的關鍵[21]。實現穿透檢測，首先是檢測信號源的選取。對于電化學小孔加工的盲通狀態檢測，必須提取加工過程中最為突出且重復性為100%的特征作為信號源。電液束加工在小孔穿透的瞬間，狀態變化劇烈，理論上加工電流會有一個明顯的突變，這在常規的電化學加工控制中具有實際的意義。但是在電液束實際加工過程中，電流信號在變化復雜的葉片內腔環境下受到了諸多因素的干擾，與加工過程中的電流波動無法準確甄別。單純的電流信號檢測誤報量大，基本不可行[22]。在電液束加工時，玻璃管進入工件金屬體后，加工溶液自盲孔間隙中返回，會形成返液現象并持續，在小孔穿透瞬間，返液現象消失。返液的隱現現象在加工中的重復率為100%，因此在研究中通過對加工返液現象的監測實現對加工穿透的檢測。為此，根據液束變化與孔通之間鮮明關系的特點，小孔加工穿透檢測技術采用了圖像監測加工返液狀態的方案，即通過液束圖像的變化信號判斷孔通與否。在多工位電液束加工設備的每個工位，均安裝了圖像采集裝置。監控原理如圖14所示。圖像采集裝置通過前端數字攝像頭采集監視環境的液束圖像信息，運算器通過閾值計算，根據圖像閾值大小，判定當前返液區的狀態。例如，閾值小于一設定值，如符合則判定孔通（圖15）。孔通信號發送至機床控制系統，控制機床主軸執行電極換位動作。

圖13 孔口形貌良好的氣膜孔Fig.13 Gas holes with good orifice morphology

結論

（1）針對電液束加工的工藝特點，研究設計了基于葉身測量的葉片自適應定位系統，通過與加工工位同等規格的五坐標測量機進行葉片型面的測量，解決了腐蝕環境下實現精密測量的難題。測量機和加工機采用了幾何尺寸、精度等級均一致的雙軸轉臺和精密定位夾頭，實現了葉片及夾具異地數據的精確還原，只用一臺測量機利用數據通信同時服務于多臺加工設備，為生產建線提供了參照模式。

圖14 穿透監控原理Fig.14 Principle of penetration monitoring

（2）針對電液束加工毛細玻璃管電極絕緣、薄脆易損，不能直接觸碰工件獲取位置，只能采取手工控制加工初始間隙的技術難題，研究出了利用“影子”探針進行自動位置檢測，然后按坐標差自動切換位置的毛細玻璃管間接定位方法，實現了毛細玻璃管電極位置與加工初始間隙的自動化精確控制，替代人工操作，為電液束加工技術的工程化提供了重要的技術支撐。

（3）利用返液圖像傳感技術，實現了電液束加工穿透的監控，可在酸堿腐蝕環境下工作，工作可靠、沒有誤報，響應速度快，信號傳輸沒有遲滯，裝置簡單、運維成本低。在避免了工件內腔非加工部位損傷的同時，降低了操作者的勞動強度。

多工位電液束全自動加工大幅提高了加工效率，保證了葉片氣膜孔的加工質量及質量穩定性，有力推進了先進航空發動機渦輪葉片高品質氣膜冷卻孔加工技術的工程化進程，縮短了與先進國家高品質制孔技術的差距。

圖15 穿透前后返液的變化Fig.15 Images before and after penetration