放电加工技术在航空航天制造中的应用
发布时间：2021-10-15
摘要：为获得更高的服役性能，航空航天领域大量采用高性能材料和复杂结构，这些都给制造技术带来巨大挑战。作为最为成熟、应用最为广泛的特种加工方法—放电加工技术具有非接触、无切削力、加工性能不受材料强度、韧性、硬度、刚度等机械性能影响的特点，在航空航天产品特别是发动机产品中被广泛采用。本文重点介绍航空航天制造领域中放电加工技术国内外的相关研究进展及成功应用案例。另外，随着智能制造技术的发展并迅速渗透到航空航天制造领域，国内放电加工智能制造技术解决方案也不断涌现，对几个典型的放电加工智能制造系统解决方案也进行了介绍。
关键词：放电加工技术;电火花成形加工;电火花线切割加工;小孔高速电火花加工;电弧放电加工
放电加工利用工具和工件之间脉冲性放电时的瞬时高温来去除工件上多余的材料，以达到预定的零件尺寸、形状及表面质量等技术要求。
按工具电极和工件相对运动方式、用途以及放电形式的不同，可将放电加工分为电火花成形加工、电火花线切割加工、小孔高速电火花加工、放电磨削加工、微细电火花加工和高速电弧放电加工等。
放电加工可以用软的工具加工硬得多的工件，实现“以柔克刚”，从而摆脱传统切削加工对刀具材料的限制。另外，由于工具电极和工件之间不直接接触，基本没有宏观作用力，因此可以加工低刚度零件及微细结构。放电加工尤其适合于难切削材料、复杂形状、小、深、斜孔、深窄槽、复杂型腔、半封闭流道、刀具可达性差的弯曲型腔等的加工。
随着新材料、新结构的不断出现以及工业界对制造要求的持续提升，新的放电加工工艺方法也不断涌现出来，且放电加工的成功案例也越来越丰富。
1电火花成形加工技术的应用
电火花成形加工以成形电极为工具，配合简单或复杂的轨迹运动，在工件上获得复杂曲面、流道、窄槽和型腔等设计要求的几何特征。传统的电火花成形加工中，工件上成形的几何特征是工具电极的简单反向拷贝。随着六轴联动电火花技术的逐步成熟，电火花成形加工具有了无可比拟的空间可达性和形状适应性，可以使常规加工难以实现的几何特征变得更容易加工。从材料适应性来说，电火花成形加工可轻松解决各类难切削材料的加工难题，如镍基合金、钛合金、金属基复合材料、陶瓷材料等。
电火花成形加工技术的一个典型高端应用就是航空、航天发动机的闭式整体叶盘类零件。航空、航天发动机采用叶片顶端带叶冠的闭式整体结构替代传统不带叶冠的开式结构后，可大幅降低单个叶片损坏造成整个叶盘失效的可能性，显著提高航空航天发动机的工作可靠性，还能带来整机效率的提升。但闭式整体叶盘通常具有流道狭长、弯扭，加工空间半封闭等几何特征，刀具的可达性差;再加上高温合金的难切削特性，采用切削加工极难实现。因此，国内外均优先采用5～6轴数控电火花成形加工技术方案来制造此类零件。其基本过程是：具有流道几何特征的复杂形面工具电极沿着一条与最终叶盘无干涉的轨迹进给到流道部位，然后通过“终位形面拷贝”运动来加工流道和叶片形状。闭式整体叶盘电火花加工的核心问题是工具电极进给轨迹的获取。目前，多轴联动电火花成形加工技术已经成功应用于液体火箭发动机、航空发动机等上的闭式整体叶盘加工。闭式整体叶盘的加工样例如图1所示。
航空发动机导向叶片上的封严槽加工也广泛采用了电火花加工方法[1-4]。通过专用夹具和过程控制，可以同时在多个工件中加工封严槽，以克服电火花加工工艺材料去除率较低的问题。为实现复杂形状的封严槽加工且提高加工效率，苏黎世联邦理工学院的Maradia等提出了一种将高速电火花打孔和放电铣削加工相结合的封严槽加工方法[5]，放电铣削在电极成本以及几何灵活性方面有着显著优势，但其加工效率远低于成形加工，为此Maradia等先利用高速电火花打孔去除大部分封严槽材料，然后利用放电铣削进行精加工，保证几何精度和表面质量的同时提高加工效率，进一步提高封严槽加工效率和表面完整性。其加工样例如图2所示。
此外，学术界和工业界探索了使用放电铣削的方式来加工扩散口的工艺方法。苏黎世联邦理工学院的Kliuev提出在小孔高速电火花加工机床上使用中空电极放电铣削加工来获得扩散口几何形状[6]。先使用小孔高速电火花加工技术去除大部分扩散口材料，随后使用分层放电铣削进行精加工，从而使加工效率得到较大提升[7]。比利时鲁汶大学的钱军等人研究了高速电火花铣削加工倾斜表面时的放电过程和电极损耗现象，提出了一种基于放电脉冲识别和损耗感知的自适应电极损耗补偿策略，可将平均轮廓误差控制4.8μm以内[8]，如图3(a)所示。英国的Winbro公司和日本的Elenix公司、日本的牧野机床公司都曾报道用电火花铣削加工的方法来加工异形扩散口，如图3(b)所示，但并未对扩散口加工的几何精度及表面再铸层(也称熔化凝固层)做进一步说明，扩散口电火花铣削的技术实现细节也没有更多的披露。
2电火花线切割加工
电火花线切割加工(WireElectricalDischargeMachining，WEDM)简称线切割，其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝(电极丝)作为工具电极，通过工具电极与工件之间的脉冲火花放电来蚀除工件金属材料、进而切割成形。线切割加工无需准备复杂形状刀具，也不需要制造成形电极，仅用简单的电极丝(黄铜丝、钼丝、如钨丝等)，通过CAM软件自动编程和多轴数控，便可加工出各种直纹面几何特征。该加工方法的材料适应性强，再铸层等热影响区可控性好，可用于切割各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料，如淬火钢、工具钢和硬质合金、镍基高温合金、聚晶金刚石等。在加工过程中电极丝始终按一定速度送进，不断循环流动的工作液将放电蚀除产物带出加工区域，工具电极的自身损耗对加工精度的影响很小;可加工精密微细、复杂轮廓的各类零件。
德国亚琛工业大学采用四道线切割工艺来加工涡轮盘榫槽线，加工表面的再铸层厚度小于2mm[9]。近年来，瑞士GFMS率先推出涡轮盘榫槽线切割专用机床Cut-200D，该工艺已经通过适航认证并成功取代传统拉削。线切割加工不仅工艺柔性好，且机床和工具的成本也大为降低，已经在国际知名航发公司的生产线上得到成功应用。上海交通大学和苏州电加工机床研究所合作也成功开发出涡轮盘榫槽线切割专用机床。应用于某型涡扇发动机涡轮盘64个榫槽的高轮廓精度加工。该机床为五轴数控，采用单向走丝线切割工艺。涡轮盘榫槽的加工样例如图4所示。目前通过榫槽线切割粗加工和高精度超硬砂轮精磨加工来实现榫槽的高效加工。
3小孔高速电火花加工
小孔高速电火花加工是电火花加工技术的一个重要分支。该工艺采用旋转的中空管状工具电极(Æ0.2mm～Æ3.0mm)，通过高压内冲液对放电极间进行强制排屑和冷却，因此可获得非常高的加工效率，且具有加工超大深径比(>100:1)小孔的能力，非常适合处理难切削材料。小孔高速电火花加工在涡轮工作叶片和导向叶片气膜冷却孔加工[10]、浮壁式火焰筒冲击孔[11]以及巡航导弹用涡喷、涡扇发动机喷油环[12]的加工中得到了广泛的应用，如图5所示。
航空航天发动机上的很多关键零部件上有为数众多的小孔，且这类零部件大多工作在高温高压、交变载荷、热冲击、化学腐蚀等极端恶劣环境之下，因而对小孔电火花加工的几何精度、形位精度、再铸层厚度、背伤防止、加工效率等指标提出了严苛的要求。
在孔位确定方面，西安航空发动机有限公司徐佩等人利用UG建模工具获取三维空间小孔的位置与矢量信息，采用接触感知功能得到设备回转轴的回转偏差，最后通过坐标变换获得对随机分布的空间矢量小孔精准定位的加工方案[13]。
在孔的穿透检测和防背伤方面，西安航空发动机有限公司的何金梅等人研究了国产电火花小孔加工机床的加工通孔时的深度控制及穿透控制问题，但过程需人工干预，自动化程度较低[14]。上海交通大学夏蔚文提出了基于加工状态图分类的穿透检测模型和基于条件放电信号的贯穿判定方法[15-16]，在其全部测试的样本中成功率可达100%。
在小孔的再铸层控制方面，清华大学李朝将等人对航空发动机气膜冷却孔电火花加工参数优化，详细分析了影响加工速度和再铸层厚度的主要因素[17]。沈阳黎明航空发动机公司的于冰、朱海南通过正交试验优化了航空发动机高压涡轮叶片气膜冷却孔电火花加工工艺参数，获得了再铸层平均厚度较小的加工参数组合[18]。南京航空航天大学的徐正扬提出了微小孔电火花-电解同步复合加工方法,通过电火花加工和电化学溶解同步进行,实现高效低损伤小孔加工[19]。
北京易通电加工技术研究所马名峻等开展了大深径比小孔电火花电解复合加工工艺的试验研究，研发了一种液体成膜的低浓度电解质环保水溶液作为高速电火花小孔加工机床的专用工作液，可避免锥形电极损耗，对于控制加工孔的锥度有着积极意义[20]。该技术可用于航空发动机叶片气膜孔及钨钼类高熔点金属超深小孔加工。
4电弧放电加工
为满足更大的推力、更高的推重比、更好的经济性、更加绿色环保等要求，航空航天发动机乃至燃气轮机的热端部件和高压压气机部件中大量应用新型高性能合金材料。这些新材料的优异性能也给制造带来了新的挑战。对传统的切削方法而言不仅加工效率低，而且刀具磨损严重，加工成本高昂。另外，整体式结构也越来越多地被采用以进一步提升燃机的性能。以此，难加工材料构件的高效、低成本加工能力已成为制约航空航天发动机及燃气轮机制造的瓶颈之一。
研究表明，电弧放电等离子体的能量密度可达1010J/cm2，且温度可达上万度，远高于火花放电等离子体。以电弧等离子体作为能量源，可望高效地熔化和气化工件材料，为实现难切削材料的高效加工提供了强有力的工具。然而，高温的稳定电弧又是一把双刃剑，如果不能被有效控制，不能及时移动、关断，则会造成工件放电局部严重烧伤。因此，如何有效控制电弧乃是实现电弧高效加工的关键。
当前，电弧加工中的断弧方法可以分为依赖脉冲式放电实现的电气断弧、依靠电极和工件之间的快速相对运动实现的机械运动断弧和通过间隙高速流场实现的流体动力断弧三种[21-22]。流体动力断弧的原理如图6所示。相比机械运动断弧而言，流体动力断弧不依赖于电极与工件之间的相对运动，可以使电弧加工由车/磨、铣削模式发展出更加丰富的加工模式，如：沉入式加工、侧铣加工、扫铣加工、多轴联动复杂流道加工等模式，使得航空航天发动机闭式整体叶盘类零件的流道高效加工成为可能。此外，在电弧铣加工时，也可以同时运用三种断弧模式，以获得更好的加工效果。
美国的GE公司将其研发的“蓝弧”加工技术应用于高压压气机整体叶盘类零件的加工，最初采用的是将工件浸没在特制的电解液中进行电弧放电蚀除。由于电解液具有腐蚀性，对装备的防护要求很高。国内的上海交通大学提出了基于流体动力断弧的高速电弧放电加工方法，采用多孔内冲液及水基工作液的加工模式以充分发挥流体动力断弧机制的作用，获得了优异的加工性能，并成功它应用于多种航空航天零件的加工。图7所示为上海交通大学采用电弧铣削模式加工的诱导轮模拟样件。哈尔滨工业大学[23]、中国石油大学(华东)[24]、山东大学也开展了电弧加工的相关研究[25]。如中国石油大学(华东)的刘永红教授团队提出电弧-电火花复合加工工艺，并进行水包油纳米乳化剂工作液的研究，发现较采用水基工作液可以获得更好的材料去除率及更低的电极损耗率[24]。山东大学张勤河教授团队还进行了超声复合电弧放电加工的研究[25]。
采用成形电极的高速电弧放电扫铣式加工适用于开式整体叶盘[26]。扫铣加工的特点是在电极进给的过程中，引入分层扫掠方式实现材料去除。分层扫掠的优点在于增大了相对放电面积和排屑空间，可充分发挥流体动力断弧机制的控制效果，进而提高加工效率和稳定性。
针对难加工材料的开敞式和中空式结构零部件所具有的直纹面、大余量去除的特征，上海交通大学提出了基于复合断弧机制的电弧轮廓切割的加工方法，可实现高效、低成本的轮廓轨迹切割加工。图8(a)为电弧放电轮廓切割加工完成后的20%volSiCp/Al支架结构零件及其切割余料[27]。整个支架结构的切割加工时间小于2h，平均切割面积效率值约为550mm2/min，远高于线切割加工100mm2/min的切割速度，且没有断丝的问题。图8(b)为采用先电弧切割粗加工，后铣削加工的方法加工的天宫二号铝基碳化硅支架零件。
5放电磨削
放电磨削是由明治大学横川教授等人率先研发的一种针对难加工材料通过放电实现类似磨削效果的加工法[28]。与机械磨削相类似，放电磨削利用工具电极磨轮和工件之间的放电来蚀除工件表面材料，实现高精度去除工件材料的目的。
如图9所示，美国STECO公司研制了放电磨削(SparkErosionGrinding，SEG)专用设备，可实现蜂窝结构的高质量加工。放电磨削的突出优势在于蜂窝及薄壁结构的加工能力。该技术在GE及罗罗公司已获得蜂窝加工的工艺认证。国内的“电熔爆”等方法也实现了蜂窝结构的高效高质量加工[29]。该加工方法在航空发动机燃烧室蜂窝结构封严环和低刚度薄板零件加工方面具有明显优势。
为减少高温气体的流量损失，航空发动机燃烧室单元体密封组合件采用内、外交叠式蜂窝密封结构，多道蜂窝环位置重叠交错，相对空间狭小(毛坯状态下仅3～4mm)，且蜂窝表面不允许有明显的烧伤和划碰伤，对表面质量要求极高。上海交通大学研制了多轴联动燃烧室封严环专用机床，实现了某型发动机蜂窝结构电火花磨削加工，通过控制放电电流控制再铸层的厚度，再铸层的厚度最小可达2mm，如图10所示。
北京市电加工研究所蒋亨顺对蜂窝件电火花磨削工艺进行系统性的研究，提出了工具电极直径与磨削工件尺寸应相差不大，利用包络弧面增大磨削放电面积，提出限位伺服进给方法，提升加工稳定性，利用粗-中-精加工的提升磨削加工效率和加工精度[30]。苏州电加工研究所研制了6轴数控电火花蜂窝磨削加工专用机床,由计算机对加工电参数、伺服过程及工艺规准进行自动控制,得到了高效、精密的加工效果[31]。中航工业沈阳黎明航空发动机有限责任公司针对重型燃机透平部件和压气机部件的蜂窝密封环设计了大型蜂窝环加工专用磨削电火花加工机床，电极采用悬臂内套镶嵌旋转结构、利用双主轴头结构使加工和测量分离，排削采用冲液加工方式，最终实现了重型燃机的大型蜂窝环电火花磨削加工[32]。
多余度伺服阀精密反馈杆等低刚度零件的尺寸精度和形状精度对其使用性能影响较大。然而，这类零件往往结构刚度极低，在加工过程中很容易受到各种力和热作用，产生较大变形，难以达到尺寸精度和形面精度要求。因此，磨削力引起的变形、夹持变形、加工热变形等问题是制约反馈杆等低刚度零件加工精度提高的关键因素。
上海交通大学利用电火花线切割装备，以电极丝作为工具实现大长径比、变截面反馈杆的高效、高质量加工。由于放电加工无宏观作用力，加工过程零件无受力变形，可实现长径比大于100的零件加工。配合研发的专利技术，可实现远高于传统车削及磨削加工效率及成品率、且满足设计要求的反馈杆零件的高质量加工，如图11所示，加工尺寸精度可达±3μm，粗糙度0.5μm。
6放电加工装备成套解决方案
新一代航空航天产品的研发速度不断加快，新材料、新结构不断被采用。而传统的制造技术发展路径为：标准工艺装备—>加工工艺开发—>工艺路线确定—>工装配套—>操作者培训—>形成最终产能。这种方式越来越难以满足航空航天制造的需要。特别是在智能制造系统不断发展的今天，更要以整体解决方案的方式来构建航空航天制造的能力和体系。这种新型航空航天制造体系的形成过程可描述为：以先进的材料和结构制造问题为需求牵引，制定系统优化的工艺流程，根据优化的工艺流程提出符合要求的装备与系统解决方案，必要时研制出专用装备，最终形成智能制造能力。新型航空航天制造体系的系统解决方案应该以优化的工艺流程为核心，以加工、测量、检验的数字化、自动化、智能化为特征。承载系统解决方案的关键是开放、自主、可控的数控系统和开放式自动化工业标准。
6.1航发涡轮叶片气膜冷却孔智能制造示范线
上海交通大学对涡轮叶片气膜冷却孔小孔高速电火花加工极间物理现象、穿透及贯穿检测、分阶段自适应控制、专用CAM软件研发、加工轨迹优化、自适应加工方法以及几何精度、位置度测量等方面进行了深入研究，形成了完整的技术体系和加工方案[33-35]。
上海交通大学通过对实际叶片的测量点云与叶片模型的配准，计算出实际叶片与模型叶片之间的变换矩阵，根据该变换矩阵和机床的校准数据自动计算出特定叶片在特定机床上的加工G代码，实现了叶片气膜冷却孔的准确定位[34]。针对涡轮叶片气膜冷却孔的孔位顺序在CAD中随设计几何操作过程而定，导致空行程过多、机床运行效率较低的问题，提出一种变邻域-禁忌搜索算法对其进行高效求解，可将仿真实验的非加工时间缩短80%以上，并应用于自主开发的气膜冷却孔专用CAD/CAM软件中，在五轴数控小孔高速电火花加工机床上获得了有效验证。针对大深径比小孔加工各阶段特点，提出分段自适应控制策略，显著提升了加工效率和孔入口区域质量[36]。此外，还开发了用于检测气膜孔位置精度、轴线方向、以及入口尺寸的三维激光检测系统。在上述工作的基础上，上海交通大学与苏州中谷实业、贵州安吉华元合作，研制了我国首条航发涡轮叶片气膜孔智能制造示范线，如图12所示。
该系统由四台五轴数控小孔高速电火花加工机床、一台六轴数控电火花成形加工机床(用于加工扩散口)，两台六自由度机器人和多条传送带组成。该系统完整实现了叶片初始安装误差的自动测量与校正、自适应打孔、工件和电极自动交换等一系列过程的自动化，加工中无需人工操作与调整。该系统还应用了自主开发的制造执行系统(ManufacturingExecutiveSystem,MES)，将加工代码自动发送到分配到配置有自动上下料和自动更换电极功能的小孔高速电火花加工机床。各机床的运行状态均可随时监控。目前该智能制造示范线自2019年6月在某航发叶片制造厂投入生产以来，一直运行良好，叶片打孔加工质量稳定。
英国Winbro公司和瑞士GF加工方案研制了一个高速电火花加工系统，可加工涡轮叶片和导向叶栅环上的孔和窄槽，如果13所示[9]。加工的孔包括直径0.3～3mm的圆孔、型孔和椭圆孔。
6.2闭式整体叶盘六轴联动电火花加工技术与装备
上海交通大学与西安航天发动机公司、首都机械有限公司、北京市电加工研究所等单位合作，历经十余年持续攻关，突破了一系列核心关键技术，构建了闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工完整的先进制造体系，如图14所示。
该体系包含：
1)闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工专用方法—发明了电极形面-闭式叶盘流道几何共轭搜索法、最大自由行程法工具电极进给轨迹搜索算法[37-38]，开发了国际首套闭式整体叶盘六轴联动电火花加工专用CAD/CAM软件包。从根本上解决了狭长、弯扭复杂流道闭式整体叶盘的可加工性问题。
2)弯曲流道高效加工方法—发明了旨在大幅度提高闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工效率的多种高效工艺方法，包括多电极加工、多轴摄动进给、多轴摇动修光和分级加工策略等，在确保加工质量的前提下使加工效率成倍提升，保障了航天航空发动机关键部件的批产能力[39]。
3)5～6轴联动电火花加工数控系统与机床—发明了广义单位弧长增量插补原理与算法，实现了工具电极空间曲线进给轨迹与位姿的六轴联动直接插补，研制的5～6轴联动电火花加工数控系统及机床获得应用。合作伙伴北京市电加工研究所和苏州电加工研究所分别发明了浸液式数控转台关键功能部件，确保了闭式整体叶盘5～6轴电火花加工装备的完全自主可控。6轴联动功能使更复杂叶盘流道加工成为可能[40-42]。
该技术成果已成功应用于西安航天发动机公司和首都航天机械有限公司大推力液体火箭发动机闭式整体涡轮盘、泵叶轮等零件的生产，加工效率平均提高300%，保障了高密度航天发射任务的顺利完成。航天三十一所某型发动机闭式整体泵叶轮及喷嘴环采用该项目电火花加工技术使得发动机整体性能和可靠性显著提高。——论文作者：赵万生，康小明*，顾琳，奚学程，张亚欧，胡静，赵福春
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