氣膜冷卻孔電加工工藝與裝備技術(shù)研究*

佟 浩，李 勇，李寶泉

（1.清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.清華大學(xué)精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.無(wú)錫微研精微機(jī)械技術(shù)有限公司，無(wú)錫 214161）

熱端渦輪葉片是渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，需要?jiǎng)偃螛O端溫度、復(fù)雜應(yīng)力的苛刻工作環(huán)境。提高渦輪前溫度可有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率和推重比，目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度要達(dá)到2000K，已超出渦輪葉片高溫材料可承受溫度極限，比如英國(guó)羅·羅公司第4 代單晶合金僅能承受約1450K[1]。改善葉片材料耐熱性和采用先進(jìn)冷卻技術(shù)是解決高溫問(wèn)題的兩個(gè)主要途徑。研究表明，先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù)可起作用約占60%～70%[2]，通過(guò)規(guī)律分布的大量氣膜冷卻孔（簡(jiǎn)稱氣膜孔）噴出冷卻氣流，在葉片壁面上形成氣膜降溫和隔熱[3]，以保護(hù)葉片在高溫、重載、變應(yīng)力條件下工作。氣膜孔加工質(zhì)量直接影響葉片的成品率、冷卻效率和工作壽命。

氣膜孔加工對(duì)被加工材料、尺寸、結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量等多方面的特殊要求，使其成為不斷探索的研究課題。渦輪葉片高溫合金是一種難加工材料，氣膜孔孔徑小（0.2～ 0.8 mm）、深徑比較大（5～8）、數(shù)量多（數(shù)十至數(shù)百個(gè)）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)增加了加工制造難度。為提高耐高溫性能，新型渦輪葉片設(shè)計(jì)為帶有陶瓷熱障涂層（厚度0.3～0.6 mm）的復(fù)合材料；為改善冷卻效果，特殊位置氣膜孔設(shè)計(jì)為復(fù)合角出口的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)[4]；這樣的復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)加工制造工藝提出了更高要求。而且考慮到渦輪葉片可靠性和工作壽命，對(duì)加工后氣膜孔表面要求低損傷甚至無(wú)微觀損傷[5]，對(duì)氣膜孔加工貫穿后要求防止過(guò)加工到空心葉片另一側(cè)壁面造成背傷[6]。為解決這些加工制造難題，電火花加工、電解加工、激光加工及其組合/復(fù)合的特種加工工藝被持續(xù)研究和逐漸應(yīng)用。考慮到加工效率、加工精度、表面質(zhì)量和設(shè)備成本的綜合優(yōu)勢(shì)，電火花加工及其組合/復(fù)合工藝是國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用中最常選用的工藝途徑。

通過(guò)近十年國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研分析，航機(jī)渦輪葉片氣膜孔加工相關(guān)論文發(fā)表不多，電火花加工氣膜孔的發(fā)明專利時(shí)有公開。2012年，美國(guó)佛羅里達(dá)渦輪技術(shù)公司（Florida Turbine Technologies Inc）公開了一種用于電火花成形加工氣膜孔擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的陣列成型電極[7]；日本日立公司（Hitachi Ltd）公開了一種渦輪葉片上電火花加工鎳基高溫合金氣膜孔、掩膜水射流去除氧化鋯陶瓷熱障涂層的組合工藝過(guò)程[8]。2014年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司（United Technologies Corp）公開了一種用于渦輪葉片上氣膜孔電火花加工用彎曲工具電極的導(dǎo)向定位系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有電火花穿孔加工過(guò)程中保護(hù)出口位置熱障涂層完整性的優(yōu)點(diǎn)[9]。從國(guó)外公開專利可見，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)也在不斷研究并應(yīng)用電火花加工工藝解決氣膜孔加工問(wèn)題。

由國(guó)家需求牽引，國(guó)內(nèi)氣膜孔電火花加工及其組合/復(fù)合工藝取得了研究進(jìn)展。2010年，中國(guó)航發(fā)黎明研發(fā)了電火花加工專用電極夾具及導(dǎo)向器，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾加工出葉身型面上全部氣膜孔[10]。2016年，中國(guó)航發(fā)西航探索了激光去除陶瓷熱障涂層–電火花加工高溫合金氣膜孔的組合工藝[11]。2015～2020年，南京航空航天大學(xué)較為系統(tǒng)地開展了電火花電解組合/復(fù)合加工工藝，以實(shí)現(xiàn)表面無(wú)重鑄層的氣膜孔穿孔加工[12–15]。2018年，上海交通大學(xué)探究了采用微鉆頭工具電極的電化學(xué)放電加工帶有氧化鋁陶瓷熱障涂層的復(fù)合材料穿孔工藝[16]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)探究了導(dǎo)電電極輔助情況下帶有陶瓷熱障涂層復(fù)合材料的穿孔加工工藝[17]。國(guó)內(nèi)研究主要考慮無(wú)損傷目標(biāo)、帶有熱障涂層復(fù)合材料的電加工工藝及其解決方案。

本研究團(tuán)隊(duì)在微細(xì)孔電火花加工工藝與裝備研究基礎(chǔ)上[18]，以復(fù)合材料（高溫合金基體+陶瓷熱障涂層）、復(fù)合結(jié)構(gòu)（圓柱孔+擴(kuò)散結(jié)構(gòu)）的低/無(wú)損傷加工為目標(biāo)，較早提出電火花加工及其組合/復(fù)合創(chuàng)新工藝[19]，在技術(shù)積累的基礎(chǔ)上研發(fā)出復(fù)合功能主軸、高能量密度脈沖電源、加工過(guò)程智能控制等關(guān)鍵技術(shù)，集成開發(fā)出氣膜孔加工裝備。本文主要介紹本研究團(tuán)隊(duì)在氣膜孔穿孔加工、重鑄層減薄/去除、擴(kuò)散結(jié)構(gòu)成形加工、氧化鋯陶瓷熱障涂層加工上的創(chuàng)新思想和研究進(jìn)展。

氣膜冷卻孔電火花加工裝備關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

通過(guò)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的方式，在電加工工藝、技術(shù)及裝備的積累基礎(chǔ)上，面向重鑄層減薄的高溫合金高效穿孔加工，攻克復(fù)合功能主軸頭、窄脈寬高能量密度脈沖電源、提升脈沖利用率的放電間隙伺服控制、貫穿沖液與貫穿檢測(cè)的關(guān)鍵方法及其技術(shù)，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣膜孔電加工裝備，而且衍生技術(shù)亦可應(yīng)用于對(duì)深小孔精密加工需求領(lǐng)域。

1 復(fù)合功能主軸頭設(shè)計(jì)及性能

傳統(tǒng)氣膜孔電火花高速穿孔加工用主軸機(jī)構(gòu)采用夾頭夾持長(zhǎng)電極后端的后推式進(jìn)給方式，由于后推端與前端導(dǎo)向器之間距離較長(zhǎng)，造成電極伺服進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)時(shí)剛度低、易引起彎曲變形情況，影響穿孔加工精度和效率。雖然可通過(guò)在后推端和導(dǎo)向器端之間的電極上附加輔助導(dǎo)向器提高電極剛度，但這以減小電極可用長(zhǎng)度為代價(jià)。

在已開發(fā)并應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴微細(xì)噴孔電火花加工的蠕動(dòng)式主軸頭基礎(chǔ)上[18]，為滿足氣膜孔電火花穿孔加工對(duì)工具電極旋轉(zhuǎn)精度、損耗補(bǔ)償、加工產(chǎn)物快速排出的要求，本研究設(shè)計(jì)出一種可實(shí)現(xiàn)電極高精度旋轉(zhuǎn)、蠕動(dòng)進(jìn)給、高壓內(nèi)沖液的功能復(fù)合型主軸頭[20]，其機(jī)構(gòu)原理和三維模型分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 復(fù)合功能主軸機(jī)構(gòu)原理Fig.1 Principle of multi-functional spindle mechanism

圖2 復(fù)合功能主軸機(jī)構(gòu)三維模型Fig.2 3D model of multi-functional spindle mechanism

采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)疊加于軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之上的構(gòu)成方案，主軸頭定位Z軸和電極進(jìn)給S軸組成宏微復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式。氣膜孔加工前，Z軸定位主軸機(jī)構(gòu)相對(duì)于工件表面的位置；氣膜孔加工過(guò)程中，S軸伺服控制電極保持放電間隙，同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸R軸帶動(dòng)常閉夾子夾緊電極轉(zhuǎn)動(dòng)、管電極中空高壓沖液用來(lái)提高排屑和加工效率，精密導(dǎo)向器約束電極底端旋轉(zhuǎn)徑跳誤差以提高旋轉(zhuǎn)精度；每個(gè)氣膜孔加工完成后，通過(guò)協(xié)調(diào)控制常閉夾子和常開夾子開閉與S軸進(jìn)退，蠕動(dòng)進(jìn)給工具電極實(shí)現(xiàn)其損耗補(bǔ)償。高壓工作液密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了蠕動(dòng)進(jìn)給密封問(wèn)題，利用蠕動(dòng)密封結(jié)構(gòu)件達(dá)到加工時(shí)高壓沖液自動(dòng)壓緊電極密封、電極蠕動(dòng)進(jìn)給時(shí)停止高壓沖液自動(dòng)松開電極的密封效果。采用專門設(shè)計(jì)的導(dǎo)電環(huán)實(shí)現(xiàn)將脈沖電連接到旋轉(zhuǎn)工具電極上。為解決常閉夾子開閉后旋轉(zhuǎn)精度和夾緊力容易受到旋轉(zhuǎn)離心力影響的問(wèn)題，采用雙瓣夾頭結(jié)構(gòu)并與絕緣套筒的小錐角錐面定位夾緊的方式，不僅提供可靠徑向夾緊力，而且外錐面定位保證夾緊后電極軸線與旋轉(zhuǎn)中心的同軸精度。

主軸頭性能測(cè)試表明可滿足復(fù)合功能要求，工具電極伸出導(dǎo)向器2mm 位置的旋轉(zhuǎn)徑跳誤差< 8μm，主軸轉(zhuǎn)速400r/min 情況下中空沖液密封壓力可達(dá)6MPa，蠕動(dòng)進(jìn)給行程和速度分別可達(dá)150mm 和2mm/s。研究解決了旋轉(zhuǎn)常閉夾子開合驅(qū)動(dòng)及夾緊力可控、高壓工作液密封、脈沖電供給及隔離等關(guān)鍵問(wèn)題。

2 窄脈寬高能量密度脈沖電源

電火花加工用脈沖電源對(duì)加工效率、表面質(zhì)量、電極損耗、能量利用率有重要影響。窄脈沖高能量密度放電加工能提高工件材料氣化去除比例，可有效減薄由于熔化過(guò)程造成的重鑄層厚度。本研究研發(fā)出一種高頻窄脈寬高能量密度獨(dú)立式脈沖電源[21]。

設(shè)計(jì)原理框圖如圖3 所示，主要由上位機(jī)、信號(hào)控制模塊、功率放大模塊、功率管保護(hù)回路、放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。上位機(jī)根據(jù)加工需要，通過(guò)串口232 給單片機(jī)發(fā)送加工電參數(shù)（脈寬、脈間、電流、電壓）；信號(hào)控制模塊FPGA 將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)和I/O 調(diào)控信號(hào)輸出；光耦隔離防止強(qiáng)電信號(hào)干擾FPGA 發(fā)出的弱電信號(hào)；功率放大模塊根據(jù)脈沖信號(hào)控制功率管開關(guān)來(lái)產(chǎn)生放電脈沖；放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)加工間隙的電壓和電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)反饋?zhàn)鳛榉烹婇g隙伺服控制的依據(jù)；通過(guò)PMAC 控制口輸出可調(diào)節(jié)直流電壓，從而調(diào)節(jié)放電電路的開路電壓。

圖3 脈沖電源的設(shè)計(jì)原理Fig.3 Design principle of pulsed power supply

上述原理脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示，通過(guò)T1、T2、T3選擇調(diào)節(jié)電阻阻值來(lái)調(diào)控峰值電流，而且設(shè)計(jì)了放電過(guò)程中多余能量回收回路，可以通過(guò)快速響應(yīng)二極管將間隙多余能量反饋回直流電源E。可實(shí)現(xiàn)開路電壓、脈寬及占空比、峰值電流的在線調(diào)控功能，達(dá)到的主要性能指標(biāo)見表1。

圖4 脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topological structure of pulsed power supply

3 提高脈沖利用率的放電間隙伺服控制方法

電火花加工過(guò)程中工具電極與工件電極間的放電間隙直接影響有效放電率，微小放電間隙伺服控制是一種控制目標(biāo)不確定且微觀瞬態(tài)隨機(jī)變化的非線性控制難題。極間間隙狀態(tài)隨著電火花穿孔加工過(guò)程中瞬時(shí)的工件材料去除和工具電極損耗而瞬時(shí)變化，工具電極需要伺服控制軸向運(yùn)動(dòng)以保持合理放電間隙[22]。研究表明輔助工具電極或工件高頻微幅振動(dòng)可提高合理放電間隙出現(xiàn)概率，從而提高電火花加工的有效放電率[23]。但考慮到用于氣膜孔加工的復(fù)合功能主軸頭機(jī)構(gòu)復(fù)雜性以及渦輪葉片工件的特殊性，難以通過(guò)輔助高頻振動(dòng)的方法提高有效放電率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，控制系統(tǒng)硬件性能不斷提高，這為復(fù)雜智能控制方法應(yīng)用于放電間隙伺服控制提供了可行性。

本研究分析了氣膜孔電火花加工中工具電極運(yùn)動(dòng)和工件材料蝕除過(guò)程，建立了氣膜孔電火花加工間隙的狀態(tài)方程，提出一種基于滑模控制器的加工間隙伺服控制算法[24]。算法實(shí)現(xiàn)先是通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)得到工具電極主軸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，之后通過(guò)建模仿真方法優(yōu)化滑模控制器參數(shù)。伺服控制系統(tǒng)實(shí)施方案如圖5 所示，滑模控制器接收間隙狀態(tài)檢測(cè)和工具電極運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，通過(guò)滑模控制算法計(jì)算工具電極的目標(biāo)速度來(lái)伺服調(diào)控放電間隙。

圖5 放電間隙伺服控制系統(tǒng)實(shí)施方案Fig.5 Implementation scheme for discharge-gap servo control system

在鎳基高溫合金上的穿孔加工試驗(yàn)表明，當(dāng)采用可引入工具電極中等振幅抖動(dòng)特性的滑模控制器參數(shù)時(shí)，可更加充分地發(fā)揮滑模控制算法優(yōu)勢(shì)以提高有效放電率。控制算法可在較高電極進(jìn)給速度下，仍能抑制加工產(chǎn)物對(duì)放電過(guò)程的干擾。試驗(yàn)中放電間隙可基本維持在15μm 左右，有效脈沖利用率可達(dá)55.8%，在保證加工質(zhì)量條件下加工效率比閾值控制方法提升了38.1%（圖6）。

表 1 脈沖電源的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance index of pulsed power supply

圖6 滑模控制方法的放電間隙伺服控制效果Fig.6 Discharge-gap servo control effect using sliding-mode control method

4 貫穿沖液與貫穿檢測(cè)技術(shù)

在電火花穿孔加工過(guò)程中，由于工具電極損耗使得其端部變尖且有一定長(zhǎng)度，這樣加工過(guò)程可分為盲孔加工和和貫穿加工兩個(gè)階段，如圖7所示。貫穿加工是電極端部已穿過(guò)工件后前面尖端要全部穿過(guò)工件的加工過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中高壓內(nèi)沖液迅速?gòu)碾姌O頂端流出而不再流經(jīng)放電間隙（圖7 中貫穿加工B 階段），加工間隙內(nèi)的工作液停止流動(dòng)使得加工產(chǎn)物堆積，導(dǎo)致加工速度變慢且易產(chǎn)生短路、電弧放電等不利現(xiàn)象。考慮到工具電極端部損耗變形對(duì)出口孔形的影響，工具電極穿孔后還要有一定過(guò)貫穿量（圖7 中過(guò)貫穿加工C 階段）來(lái)保證出口孔形精度，但過(guò)貫穿量過(guò)大會(huì)加工到渦輪葉片薄壁空腔結(jié)構(gòu)另一側(cè)壁面，造成背傷破壞葉片完整性的不利現(xiàn)象。這要求對(duì)過(guò)貫穿量要進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)及控制，特別是對(duì)于渦輪葉片上較窄空腔部位的氣膜孔加工。2017—2019年，上海交通大學(xué)、比利時(shí)魯汶大學(xué)（KU Leuven）主要基于電信號(hào)、工具電極進(jìn)給速度的信號(hào)反饋，開展了穿孔加工貫穿過(guò)程特征及貫穿檢測(cè)研究[25–26]。

面向解決貫穿加工過(guò)程中（圖7中貫穿加工B 階段）加工產(chǎn)物堆積問(wèn)題，本研究分析了盲孔加工和貫穿加工過(guò)程中加工產(chǎn)物的分布情況，提出一種可避免貫穿瞬間加工產(chǎn)物顆粒堆積的高壓內(nèi)沖液和高速外沖液組合沖液方式。盲孔加工時(shí)高壓內(nèi)沖液快速排出加工產(chǎn)物，貫穿加工時(shí)高速外沖液快速排出側(cè)壁及放電間隙內(nèi)的加工產(chǎn)物。此研究通過(guò)流體仿真方法和基礎(chǔ)試驗(yàn)分析了組合沖液的有效性（圖8），得到了沖液條件因素對(duì)加工產(chǎn)物排出的影響規(guī)律[27]。電火花高速穿孔試驗(yàn)驗(yàn)證了組合沖液效果，多噴嘴或環(huán)形外沖液相比單噴嘴更有效，組合沖液情況下盲孔加工階段效率提高了9%～33%，貫穿階段加工效率提高了89%，而且提高了孔加工的表面質(zhì)量和出口孔徑精度。

圖7 電火花高速小孔加工過(guò)程Fig.7 Process of fast hole-drilling EDM

圖8 組合沖液模型及壓力模擬Fig.8 Combined–flushing model and pressure simulation

面向解決過(guò)貫穿加工過(guò)程中（圖7 中過(guò)貫穿加工C 階段）貫穿位置檢測(cè)及控制停止問(wèn)題，本研究分析了電火花穿孔加工過(guò)程中可用的反饋信號(hào)，提出聲音信號(hào)–間隙電信號(hào)–工具電極運(yùn)動(dòng)的信息融合貫穿檢測(cè)方法[28]。研究發(fā)現(xiàn)，采用方向敏感性好的麥克風(fēng)采集貫穿階段的聲音信號(hào)可得到明顯特征，通過(guò)設(shè)計(jì)聲音信號(hào)特征提取算法可得到作為貫穿檢測(cè)依據(jù)的定量化指標(biāo)。試驗(yàn)表明，單一的聲音信號(hào)、間隙電信號(hào)或者工具電極運(yùn)動(dòng)信號(hào)都無(wú)法高可靠性地準(zhǔn)確判斷貫穿時(shí)刻，信息融合檢測(cè)方法可有效提升貫穿檢測(cè)精度，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)位置平均誤差0.5～0.7 mm，最大檢測(cè)誤差1.5～1.8 mm，檢測(cè)誤檢率和漏檢率都<3%的效果。

5 裝備集成與加工驗(yàn)證效果

集成研發(fā)出軟硬件關(guān)鍵技術(shù)及其功能模塊，進(jìn)而開發(fā)出氣膜孔電火花加工的六軸數(shù)控裝備如圖9 所示，主要性能參數(shù)見表2。加工的直孔和斜孔樣件如圖10 所示，實(shí)現(xiàn)了穿孔效率達(dá)到>20mm/min、孔徑精度優(yōu)于±20μm、重鑄層平均厚度可控<10μm。

圖9 氣膜孔電火花加工裝備Fig.9 EDM equipment of film cooling holes

表2 加工裝備主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of equipment

圖10 加工樣件Fig.10 Machined samples

面向無(wú)重鑄層的電火花電解組合/復(fù)合加工工藝

盡管窄脈寬高能量密度脈沖放電可提高氣化去除比例來(lái)減薄重鑄層，但對(duì)于表面無(wú)重鑄層的氣膜孔穿孔加工，基于電加工原理的電火花電解組合/復(fù)合加工是較好的解決方案。為了能直觀觀測(cè)重鑄層厚度效果，首先研究了采用光學(xué)顯微鏡的重鑄層觀測(cè)方法。進(jìn)而開展了水基弱電解質(zhì)工作液的電火花電解復(fù)合/組合自適應(yīng)加工工藝研究。

1 重鑄層觀測(cè)方法

本研究采用試件熱鑲嵌、粗磨—細(xì)磨—拋光、腐蝕的步驟，實(shí)現(xiàn)了在鎳基高溫合金上清晰觀測(cè)出孔表面材料的晶相組織和重鑄層。對(duì)熱鑲嵌試件進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光，使被觀測(cè)的側(cè)面達(dá)到光滑鏡面效果，之后對(duì)表面進(jìn)行化學(xué)浸蝕（酒精、鹽酸和氯化銅組成的混合溶液），這樣在光學(xué)顯微鏡下可明顯觀察出顯微組織和重鑄層。如圖11 所示，光學(xué)顯微鏡下鎳基高溫合金重鑄層與基體之間界線明顯，重鑄層的厚度并不均勻但組織結(jié)構(gòu)比較致密。

圖11 鎳基高溫合金重鑄層觀測(cè)Fig.11 Recast layer observation of nickel-based superalloy

2 重鑄層去除工藝及效果

本研究采用管狀工具電極的去離子水高壓內(nèi)沖液和水基弱電解質(zhì)高速外沖液的內(nèi)外同時(shí)沖液方案，以穿孔貫穿過(guò)程中監(jiān)測(cè)電信號(hào)作為調(diào)整電參數(shù)的依據(jù)，提出電火花高速穿孔盲孔加工–電火花電解復(fù)合貫穿加工–保持電解加工停留時(shí)間去除重鑄層的自適應(yīng)加工過(guò)程[29]。此過(guò)程中通過(guò)內(nèi)外沖液壓力不同自適應(yīng)調(diào)整去離子水和電解液，以適應(yīng)穿孔過(guò)程和重鑄層去除過(guò)程。當(dāng)判斷進(jìn)入貫穿加工階段時(shí)，加工液沖液能自動(dòng)調(diào)整為電解液外沖液主導(dǎo)的電極側(cè)壁電解加工。為清楚觀測(cè)鎳基高溫合金穿孔后孔壁內(nèi)側(cè)重鑄層去除效果，采用拋開孔壁的掃描電子顯微鏡觀測(cè)方法。

工藝過(guò)程分為4 個(gè)階段，如圖12 所示。第1 階段是盲孔加工過(guò)程（圖12（a）），內(nèi)沖液壓力遠(yuǎn)高于外沖液壓力使得加工產(chǎn)物快速?gòu)膫?cè)壁間隙排出，這是典型的高效率穿孔加工過(guò)程。第2 階段是貫穿加工過(guò)程（圖12（b）），由于內(nèi)沖液從工件底部貫穿孔逐漸泄壓，造成內(nèi)外沖液相互作用的不穩(wěn)定加工過(guò)程，隨著孔深增加外沖液逐漸起主導(dǎo)作用，從而自動(dòng)調(diào)整到側(cè)壁間隙內(nèi)電解加工去除重鑄層，同時(shí)伴隨貫穿過(guò)程中工具電極端部水基弱電解液電火花電解復(fù)合加工過(guò)程，因?yàn)檫@時(shí)端部極間間隙可以足夠小達(dá)到電火花擊穿放電效果。第3 階段是過(guò)貫穿形成直孔過(guò)程（圖12（c）），消除工具電極端部損耗變尖造成對(duì)孔形的影響，孔的下端錐形部位加工間隙小，也將伴隨電火花電解復(fù)合加工過(guò)程，這時(shí)側(cè)壁大部分面積以電解加工去除為主。在這個(gè)階段基于貫穿信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電參數(shù)，用以減少側(cè)壁二次放電的影響。第4階段是保持工具電極位置一定時(shí)間（12（d）），通過(guò)電解加工去除側(cè)壁重鑄層并修整孔形，提高孔徑一致性精度。不同保持時(shí)間對(duì)重鑄層和加工表面質(zhì)量影響如圖13 所示，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可得到無(wú)重鑄層的穿孔加工表面。

圖12 自適應(yīng)電火花電解加工工藝過(guò)程Fig.12 Self-adjusting EDM–ECM process

圖13 孔壁電解加工去除重鑄層效果Fig.13 ECM effect of hole-wall recast layer

三維擴(kuò)散結(jié)構(gòu)分塊成形工藝

擴(kuò)散型氣膜孔由圓柱形孔段和擴(kuò)散形孔口組成，研究表明其比單純圓柱孔有更好的冷卻效率。考慮到傳統(tǒng)電火花成形加工擴(kuò)散結(jié)構(gòu)存在成型電極制作及更換成本高、二次裝夾誤差以及小加工間隙中加工液更新和排屑困難的問(wèn)題，本研究提出一種擴(kuò)散結(jié)構(gòu)電火花分塊成形加工工藝。為改善工藝效果，通過(guò)三維幾何仿真方法可預(yù)測(cè)工具電極損耗，提出工具電極損耗自修復(fù)和輪廓誤差補(bǔ)償方法，試驗(yàn)驗(yàn)證了新工藝及優(yōu)化方法的有效性[30]。

1 分塊成形工藝方法

分塊成形方法如圖14 所示，這是將三維擴(kuò)散結(jié)構(gòu)根據(jù)底部形狀向上放樣為若干塊，用方形棒狀工具電極分別對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行成形加工的方法。棒狀工具電極為細(xì)長(zhǎng)桿狀，易于多次進(jìn)給重復(fù)使用，通過(guò)每次進(jìn)給加工一個(gè)子塊，多次進(jìn)給加工出擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。分塊方法是將擴(kuò)散結(jié)構(gòu)先擴(kuò)展為一個(gè)倒四棱臺(tái)，倒四棱臺(tái)底面正方形邊長(zhǎng)與圓柱形孔段直徑匹配。分塊加工方式有利于快速更新工作液和排出加工屑，突出優(yōu)勢(shì)是無(wú)需準(zhǔn)備特殊的三維成型電極，棒狀電極可通過(guò)工業(yè)拉拔低成本快速制造。對(duì)于這種簡(jiǎn)單形狀工具電極，通過(guò)控制電極三軸聯(lián)動(dòng)伺服進(jìn)給可在線補(bǔ)償電極長(zhǎng)度損耗，通過(guò)控制電極有規(guī)律翻轉(zhuǎn)可在線均化電極端部損耗。

分塊成形加工過(guò)程中工具電極采用三軸聯(lián)動(dòng)伺服控制放電間隙方法，如圖15 所示。分塊成形加工前先高速穿孔加工出擴(kuò)散型氣膜孔的圓柱形孔段部分，然后將方形工具電極底面移至倒四棱臺(tái)頂面正方形的中心位置，并將工具電極軸線與圓柱形孔的軸線對(duì)準(zhǔn)平行，工具電極再分別沿著各子區(qū)域?qū)?yīng)的進(jìn)給路徑伺服進(jìn)給。由于進(jìn)給路徑是一條三維空間斜線，運(yùn)動(dòng)時(shí)采用X–Y–Z軸的三軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給方式保證間隙伺服合成運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給路徑重合，每次工具電極底面進(jìn)給到倒四棱臺(tái)底面中心位置時(shí)完成該次進(jìn)給。

2 工具電極損耗的補(bǔ)償策略

擴(kuò)散結(jié)構(gòu)分塊成形加工過(guò)程中工具電極會(huì)存在電極損耗問(wèn)題。加工過(guò)程中工具電極的長(zhǎng)度和形狀均發(fā)生變化，這是產(chǎn)生加工輪廓誤差的主要原因。擴(kuò)散結(jié)構(gòu)輪廓（側(cè)壁）是由工具電極端部邊角最終成形的，工具電極端部邊角位置直接決定擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的形狀輪廓精度。因此，從工具電極形狀和長(zhǎng)度兩個(gè)方面進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可有效減小電極損耗對(duì)加工精度的影響。為改善分塊成形加工精度，本研究提出工具電極翻轉(zhuǎn)的修整補(bǔ)償策略。

工具電極翻轉(zhuǎn)修整策略通過(guò)在線有規(guī)律繞軸線90°翻轉(zhuǎn)，利用后續(xù)加工中電極損耗修整之前已有的電極損耗，以均化修整工具電極端部形狀。翻轉(zhuǎn)策略在加工之前通過(guò)幾何仿真方法優(yōu)化得到，即通過(guò)幾何仿真遍歷多種翻轉(zhuǎn)方式，以端部變形最小作為優(yōu)化目標(biāo)得到翻轉(zhuǎn)策略。幾何仿真采用三維矩陣的建模方法建立工具電極和工件矩陣，計(jì)算矩陣每個(gè)元素在坐標(biāo)系中的位置，利用MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)模型顯示。通過(guò)少數(shù)次基礎(chǔ)試驗(yàn)測(cè)得的放電間隙、單次放電材料蝕除量、以及設(shè)計(jì)的工具電極進(jìn)給路徑等工藝條件作為輸入?yún)?shù)和邊界條件，仿真過(guò)程根據(jù)進(jìn)給路徑、搜索放電點(diǎn)、放電點(diǎn)材料蝕除的過(guò)程不斷循環(huán)迭代，實(shí)現(xiàn)蝕除過(guò)程仿真[30]。試驗(yàn)已驗(yàn)證了工具電極翻轉(zhuǎn)修整策略的有效性（圖16）。在每一塊加工之前采用負(fù)極性加工方法，利用工件表面修平方形電極端部以修復(fù)電極端部形狀。

3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究開展了擴(kuò)散結(jié)構(gòu)分塊成形加工試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于一個(gè)給定位置的擴(kuò)散型氣膜孔，先用中空管狀電極電火花穿孔加工出圓柱形孔段，然后用方形電極通過(guò)分塊成形加工工藝進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)構(gòu)加工。將穿孔加工用主軸頭和分塊成形加工用主軸頭集成在同一加工裝備上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)擴(kuò)散型氣膜孔的連續(xù)自動(dòng)化加工過(guò)程。在鎳基高溫合金上加工試驗(yàn)結(jié)果如圖17 所示，驗(yàn)證了分塊成形加工工藝的可行性。加工出擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的傾角誤差可控<5%。擴(kuò)散形孔段的側(cè)壁平均輪廓誤差可控<35μm。

陶瓷熱障涂層放電輔助化學(xué)加工

圖14 三維擴(kuò)散結(jié)構(gòu)分塊成形加工方法Fig.14 Block divided method of 3D diffuser shaped structures

圖15 分塊成形加工中工具電極伺服控制Fig.15 Servo control of tool electrode in block divided EDM

圖16 工具電極端部損耗修整策略的幾何仿真及試驗(yàn)效果Fig.16 Geometric simulation and experimental results using repair strategy of tool-electrode end wear

圖17 三維擴(kuò)散結(jié)構(gòu)分塊成形加工試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Experimental results of 3D diffuser shaped structures using block divided EDM

氧化鋯陶瓷已成為國(guó)內(nèi)外首選的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端渦輪葉片的熱障涂層材料之一。帶有陶瓷熱障涂層的復(fù)合材料大幅度增加了氣膜孔加工難度，特別是考慮到無(wú)損傷加工工藝并能與基體材料電火花加工結(jié)合的可能性。本研究以氣膜孔擴(kuò)散結(jié)構(gòu)異形孔口熱障涂層加工為目標(biāo)，探索了氧化鋯陶瓷的放電輔助化學(xué)加工（Spark assisted chemical engraving，SACE）機(jī)理及掃描工藝。

放電輔助化學(xué)加工將工具電極和輔助電極分別接加工電源負(fù)極和正極，工作液（電解液）內(nèi)工具電極表面電解產(chǎn)生氣膜作為放電擊穿的絕緣介質(zhì)，利用電火花放電高溫高壓作用到絕緣工件表面產(chǎn)生的物理和化學(xué)作用去除工件材料，結(jié)合工具電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加工工藝。SACE 可兼容集成電火花加工、電解加工的電源和工作液循環(huán)系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)熱障涂層SACE 加工和基體高溫合金電加工的組合工藝。

1 氧化鋯陶瓷SACE 無(wú)損傷加工機(jī)理

氧化鋯陶瓷在NaOH 電解液內(nèi)的SACE 加工機(jī)理尚未認(rèn)識(shí)清楚。為揭示其物理化學(xué)去除機(jī)理和規(guī)律，He 等[31]提出了分析加工固體和液體產(chǎn)物反向佐證加工機(jī)理的方法；通過(guò)分析氧化鋯陶瓷在不同物理及化學(xué)條件下的相變路徑，作為判斷加工屑晶相的依據(jù)來(lái)反推加工中的物理和化學(xué)作用過(guò)程；利用拉曼光譜分析了加工屑的晶相組織（圖18），發(fā)現(xiàn)了加工屑呈現(xiàn)晶態(tài)、無(wú)定形態(tài)兩種晶型，試驗(yàn)驗(yàn)證了物理去除和化學(xué)反應(yīng)蝕除的綜合效果；進(jìn)一步通過(guò)對(duì)液體產(chǎn)物ICP–OES 分析，其Zr 濃度達(dá)到了最大飽和濃度，為化學(xué)蝕除過(guò)程存在性提供了有效證據(jù)；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種晶型加工屑在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出黑白外觀（圖19），這樣通過(guò)統(tǒng)計(jì)可較為準(zhǔn)確地得到物理去除和化學(xué)蝕除的量化比例。這種方法可為評(píng)價(jià)加工工藝中物理去除和化學(xué)蝕除的趨向提供依據(jù)。

圖18 加工屑拉曼光譜分析Fig.18 Raman spectrum analysis of machined chips

圖19 加工屑顯微鏡下外觀Fig.19 Microscopic appearance of machined chips

Ji 等[32]通過(guò)分析SACE 放電能量傳遞（圖20）及其作用于工件表面物理去除和化學(xué)去除的差異性，建立了一種基于電壓、脈寬和加工間隙調(diào)控電火花能量的過(guò)程模型，得到了物理和化學(xué)去除材料無(wú)損傷加工的臨界能量條件和關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控方法；通過(guò)電火花能量傳遞過(guò)程和作用于工件表面能量Q的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出由化學(xué)蝕除主導(dǎo)去除工件材料實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量加工的必要條件為：物理去除能量閾值Qcpr大于化學(xué)去除能量閾值Qccr（即Qcpr>Qccr），且通過(guò)調(diào)控能量實(shí)現(xiàn)Qcpr>Q>Qccr。加工試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了氧化鋯陶瓷SACE 加工中的接觸去除效應(yīng)，即只有在工具電極與氧化鋯工件表面相接觸的條件下才能實(shí)現(xiàn)工件材料的有效去除，這表明SACE 對(duì)加工間隙的敏感性；進(jìn)而建立工具電極端部放電約束條件下的氧化鋯陶瓷材料去除過(guò)程模型（圖21），為化學(xué)蝕除作用主導(dǎo)SACE 工藝過(guò)程提供理論依據(jù)。

圖20 放電能量傳遞與擴(kuò)散Fig.20 Discharge energy transfer and diffusion

2 掃描加工工藝優(yōu)化

為改善SACE 加工定域性精度和加工間隙內(nèi)電解液更新效果，Pu等[33]提出了層流控制微薄電解液深度方法，有效提高了SACE 加工能量集中度，改善了加工過(guò)程穩(wěn)定性和加工精度。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了微細(xì)工具電極側(cè)壁上吸附液滴現(xiàn)象，這是由工具電極表面親水特性造成的。通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵沖液參數(shù)，可避免電極上黏附液滴的不利現(xiàn)象，較好地實(shí)現(xiàn)了薄至200μm 沖液深度，實(shí)現(xiàn)了單層掃描達(dá)到2μm 的去除分辨率。

為提高工具電極端部放電約束效果以減少側(cè)壁放電造成的過(guò)切加工，Pu 等[34]提出改變工具電極端部粗糙度調(diào)控放電分布的方法，在線制備出了側(cè)壁光滑和端部粗糙分區(qū)的微細(xì)工具電極，基礎(chǔ)試驗(yàn)得到了端部粗糙度變化對(duì)SACE 氣泡和放電分布影響特性；SACE 放電觀測(cè)端部氣泡形態(tài)和運(yùn)動(dòng)范圍發(fā)現(xiàn)，增大工具電極端部的粗糙度有助于將放電能量有效地集中到端部，因而定義了氣泡運(yùn)動(dòng)縱橫比評(píng)價(jià)放電能量的約束效果（圖22），較好地實(shí)現(xiàn)了SACE 掃描加工中端部放電約束，在氧化鋯工件上加工出同心圓微結(jié)構(gòu)，材料去除率達(dá)到4.88×105μm3/s（圖23）。

為解決接觸效應(yīng)下SACE 掃描加工中工具電極受力彎曲問(wèn)題，提出了撓曲柔性工具電極微力接觸的掃描工藝方法，結(jié)合氧化鋯陶瓷SACE加工中接觸去除效應(yīng)和化學(xué)去除主導(dǎo)的加工過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)了氧化鋯陶瓷工件上掃描加工出典型無(wú)微裂紋的微結(jié)構(gòu)（圖24）[32]，并嘗試在合金基體氧化鋯陶瓷熱障涂層樣件上加工出氣膜孔擴(kuò)散孔口結(jié)構(gòu)（圖25），驗(yàn)證了工藝的可行性。

結(jié)論

面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端渦輪葉片上復(fù)合材料（高溫合金基體+陶瓷熱障涂層）、復(fù)合結(jié)構(gòu)（圓柱孔+擴(kuò)散結(jié)構(gòu)）的低/無(wú)損傷氣膜冷卻孔加工，側(cè)重闡述了本研究團(tuán)隊(duì)在電加工工藝與裝備技術(shù)方面的創(chuàng)新思想和研究進(jìn)展。

（1）研發(fā)出管狀電極高精度旋轉(zhuǎn)–蠕動(dòng)進(jìn)給–高壓內(nèi)沖液的復(fù)合功能主軸頭、窄脈寬高能量密度脈沖電源、基于滑模控制器的加工間隙伺服控制方法、高壓內(nèi)沖液和高速外沖液的組合沖液系統(tǒng)、聲音信號(hào)–間隙電信號(hào)–工具電極運(yùn)動(dòng)的信息融合貫穿檢測(cè)方法等關(guān)鍵方法和核心技術(shù)，有效改善了高溫合金電火花穿孔加工的工藝效果。

（2）集成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟硬件關(guān)鍵技術(shù)及其功能模塊，開發(fā)出用于氣膜冷卻孔電火花加工的六軸數(shù)控裝備，實(shí)現(xiàn)了直孔和斜孔批量化全自動(dòng)加工過(guò)程，穿孔效率達(dá)到>20mm/min、孔徑精度優(yōu)于±20μm、重鑄層平均厚度可控<10μm。

圖21 放電約束條件下氧化鋯陶瓷去除過(guò)程模型Fig.21 Removing process model of zirconia ceramic under discharging constraint

圖22 電極端部粗糙度對(duì)SACE 放電分布影響Fig.22 Influence of tool-electrode end roughness on SACE discharge distribution

圖23 氧化鋯工件上加工出微結(jié)構(gòu)Fig.23 Microstructures machined on zirconia workpiece

圖24 氧化鋯陶瓷工件上掃描加工出典型無(wú)微裂紋微結(jié)構(gòu)Fig.24 Scanning machined typical microstructures without microcracks on zirconia ceramic workpiece

圖25 擴(kuò)散孔口結(jié)構(gòu)樣件Fig.25 An example of diffuser structure porthole

（3）為實(shí)現(xiàn)表面無(wú)重鑄層的氣膜冷卻孔穿孔加工，采用管狀工具電極去離子水高壓內(nèi)沖液和水基弱電解質(zhì)高速外沖液的組合沖液方案，提出了以貫穿過(guò)程監(jiān)測(cè)信號(hào)為依據(jù)的電火花高速穿孔盲孔加工–電火花電解復(fù)合貫穿加工–保持電解加工停留時(shí)間去除重鑄層的自適應(yīng)加工工藝，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可得到無(wú)重鑄層的穿孔加工表面。

（4）考慮到傳統(tǒng)電火花成形加工氣膜冷卻孔擴(kuò)散結(jié)構(gòu)存在成型電極制作及更換成本高、二次裝夾誤差以及小加工間隙中加工液更新和排屑困難的問(wèn)題，提出了一種采用方形棒狀工具電極的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)電火花分塊成形加工工藝，進(jìn)而提出改善工藝效果的工具電極損耗自修復(fù)和輪廓誤差補(bǔ)償方法，在鎳基高溫合金上初步驗(yàn)證了此工藝及相關(guān)方法的可行性。

（5）以帶有氧化鋯陶瓷熱障涂層復(fù)合材料的氣膜冷卻孔擴(kuò)散孔口加工為目標(biāo)，以渦輪葉片先噴涂熱障涂層—單次裝夾—加工熱障涂層—加工高溫合金基體為工藝思路，考慮到可兼容集成電火花加工、電解加工的電源和工作液循環(huán)系統(tǒng)，探索了氧化鋯陶瓷的放電輔助化學(xué)加工機(jī)理及掃描工藝，已嘗試在氧化鋯陶瓷熱障涂層樣件上加工出擴(kuò)散孔口結(jié)構(gòu)。