多工位電液束加工技術(shù)

（中國(guó)航空制造技術(shù)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(chǔ)上發(fā)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(jīng)毛細(xì)玻璃管噴射形成液束流，工件和毛細(xì)玻璃管中的金屬電極分別與直流電源正、負(fù)極接通，在電場(chǎng)的作用下，液束被陰極化，陽極金屬工件被“溶解”去除，從而實(shí)現(xiàn)小孔的成形[3–4]。在電液束加工時(shí)，其電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電化學(xué)加工穩(wěn)定狀態(tài)下的電流密度，屬于電化學(xué)與化學(xué)加工復(fù)合作用的一種高能加工[5]。由于其具有的電化學(xué)冷加工特性，與普遍應(yīng)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(zhì)更高，加工的氣膜孔不存在重熔層、微裂紋、熱影響區(qū)，葉片制孔后不需要后續(xù)處理，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著[6]。氣膜孔的加工質(zhì)量直接關(guān)系到葉片的安全可靠性[7]，因此，在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄國(guó)等先進(jìn)國(guó)家受到了足夠的重視。

英、美、俄等對(duì)氣膜孔加工工藝和設(shè)備一直進(jìn)行持續(xù)不斷的深入研究，從工藝技術(shù)、加工設(shè)備、在線檢測(cè)、自動(dòng)物料庫(kù)、自動(dòng)化控制等多個(gè)方面進(jìn)行不斷的升級(jí)和更新。電液束加工工藝在美國(guó)GE、德國(guó)MTU、英國(guó)ELE等公司實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期的穩(wěn)定應(yīng)用。近年來荷蘭、俄羅斯、印度等國(guó)也廣泛開展該項(xiàng)技術(shù)的研究[8]。近年來國(guó)內(nèi)開始對(duì)電液束加工方法進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)估，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)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(guó)航空制造技術(shù)研究院自20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行電液束加工工藝研究。對(duì)電液束加工小孔的重要參數(shù)包括加工電壓、電流，酸溶液成分、濃度、溫度、壓力，進(jìn)給速度，玻璃管電極形狀、尺寸及玻璃管電極導(dǎo)電體布置等進(jìn)行了充分探索，并針對(duì)加工參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試分析。試驗(yàn)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(gè)型號(hào)的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)單晶材料工作葉片氣膜孔加工中得到應(yīng)用[9]。

除了渦輪葉片氣膜孔的尺寸精度、表面質(zhì)量要求，渦輪葉片氣膜孔的形狀對(duì)冷卻效果的影響至關(guān)重要[10–11]。在渦輪葉片氣膜冷卻技術(shù)的應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師希望用盡可能少的冷氣量來達(dá)到一定的冷卻性能要求。因此，對(duì)氣膜孔的尺寸形貌以及質(zhì)量穩(wěn)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(biāo)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?yōu)槎嘟嵌?、不等間距的排列[12–14]。二是要求孔形規(guī)則，出入口圓滑，不能出現(xiàn)缺陷而導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響葉片的疲勞性能。這對(duì)電液束加工過程中的主要參數(shù)如電極進(jìn)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(yán)苛的要求。同時(shí)，葉片表面小孔數(shù)量與分布密度進(jìn)一步提高，加工量大，加工效率已成為新機(jī)研制中重點(diǎn)關(guān)注的因素。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上通常分布有數(shù)百個(gè)氣膜孔，海量的小孔需要較高的加工效率才能滿足生產(chǎn)要求。目前，單點(diǎn)、單工位的電液束加工工藝很難滿足日益增長(zhǎng)的型號(hào)研制需求。因此，國(guó)內(nèi)外均將葉片氣膜孔的加工效率和質(zhì)量提到了一個(gè)同等高度進(jìn)行考慮。

目前，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片采用單晶鑄造材料，具有高溫強(qiáng)度高、組織穩(wěn)定及鑄造工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)[15–17]，其在制孔中嚴(yán)禁出現(xiàn)熱影響區(qū)以防止出現(xiàn)再結(jié)晶[18]。電液束冷加工方法已成為首選工藝。高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片海量、密集小孔的加工效率已成為新型發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻問題。依靠單點(diǎn)、單工位電液束加工工藝，需要大量的設(shè)備及操作人員才能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)新型號(hào)研制需求。進(jìn)入量產(chǎn)后，更需投入大量的人力與裝備，因而引出了對(duì)多工位電液束技術(shù)的需求。采用多工位加工，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)主要由加工主機(jī)單元、控制系統(tǒng)、工件傳輸系統(tǒng)、集中供液系統(tǒng)等組成。

加工工位有3個(gè)，每個(gè)工位均設(shè)計(jì)有X、Y、Z直線運(yùn)動(dòng)及B、C旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)五軸；各工位均為單獨(dú)的工作箱，彼此之間無干涉； 3個(gè)工位集中控制；集中供液系統(tǒng)分為3路向3個(gè)工位提供加工溶液； 3個(gè)工位在自動(dòng)加工時(shí)由一個(gè)6軸機(jī)器人進(jìn)行工件裝卸、運(yùn)轉(zhuǎn)，采用站臺(tái)式的連續(xù)傳輸形式，工件的流轉(zhuǎn)路徑如圖3所示。加工程序由儲(chǔ)存區(qū)1發(fā)起，葉片傳送至工位1，完成當(dāng)前工位加工后，流轉(zhuǎn)至儲(chǔ)存區(qū)2，待工位2空閑時(shí)，再轉(zhuǎn)至工位2，完成當(dāng)前工位加工后，流轉(zhuǎn)至儲(chǔ)存區(qū)3，待工位3空閑時(shí)，再轉(zhuǎn)至工位3，以此類推進(jìn)行交叉循環(huán)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄、判斷工位加工狀態(tài)。每個(gè)葉片全部小孔加工完成后，均流轉(zhuǎn)至成品區(qū)，即完成區(qū)。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)

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

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

電液束加工設(shè)備較為特殊，要在酸性環(huán)境下同時(shí)實(shí)現(xiàn)酸液的輸送、電源電壓的施加以及多個(gè)加工軸的進(jìn)給，這對(duì)設(shè)備部件的耐蝕防護(hù)和對(duì)操作者的安全保護(hù)提出了比一般電化學(xué)加工設(shè)備更高的要求。其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)有以下4點(diǎn)。（1）運(yùn)行環(huán)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(qū)、管路外，還有少量的酸霧，對(duì)設(shè)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(xué)加工領(lǐng)域，需要控制的主要參數(shù)有加工電壓、溶液壓力、溶液溫度、進(jìn)給速度等，主要附屬設(shè)備有輸液系統(tǒng)、電源、風(fēng)機(jī)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(huán)境為酸性，加工過程中不能接觸工作區(qū)；操作時(shí)，需對(duì)制孔過程的參數(shù)穩(wěn)定性、制孔過程進(jìn)行監(jiān)控，主要包括：參數(shù)監(jiān)控（電壓、電流、溶液壓力、溶液溫度、溶液pH值等），狀態(tài)監(jiān)控（小孔穿透、電極破損、電極堵塞等），外部設(shè)備監(jiān)控（輸液系統(tǒng)、過濾有效性、電源運(yùn)行等）。（4）多工位加工的工位協(xié)調(diào)：多工位加工時(shí)，不同工位制孔的對(duì)象不同，需要工件在工位間的流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化物流。

主機(jī)設(shè)計(jì)如圖4所示。機(jī)床設(shè)計(jì)了3個(gè)加工單元，形成3個(gè)工位?？刂泼姘蹇梢杂蝿?dòng)于3個(gè)工位位置前面。物料架位于主機(jī)右側(cè)，工件周轉(zhuǎn)容量為8個(gè)，由機(jī)器人將葉片在3個(gè)工位和物料架間完成自動(dòng)流轉(zhuǎn)。

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

圖4 多工位工作區(qū)模型Fig.4 Multi-station workspace model

每個(gè)加工單元上均設(shè)計(jì)有X、Y、Z直線軸與B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，直線軸行程分別為X軸260mm、Y軸200mm、Z軸200mm，B軸、C軸旋轉(zhuǎn)范圍分別為±90°、360°。葉片通過夾具固定于C轉(zhuǎn)臺(tái)，C軸可以實(shí)現(xiàn)葉片小孔加工時(shí)角的調(diào)整，C轉(zhuǎn)臺(tái)通過轉(zhuǎn)臂與B轉(zhuǎn)臺(tái)連接，B軸運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)葉片角的調(diào)整，如圖5所示。

圖5 加工軸設(shè)計(jì)Fig.5 Design of processing axis

電液束加工時(shí)，加工電極沿X、Y方向進(jìn)行位置坐標(biāo)調(diào)整，加工小孔通過α、β兩個(gè)方向的角度變化實(shí)現(xiàn)兩個(gè)角度的調(diào)整功能。在加工時(shí)，為了避免重力對(duì)液束的影響，電極須沿垂直Z方向進(jìn)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(gè)工位的操作集成到一個(gè)控制面板。在機(jī)床和機(jī)器人活動(dòng)區(qū)域，設(shè)置圍欄，并在圍欄內(nèi)布置一對(duì)安全光幕，如圖6所示，有人進(jìn)入正在工作中的機(jī)器人活動(dòng)區(qū)域，機(jī)器人會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)。防護(hù)欄的安全門設(shè)置安全限位開關(guān)，門打開時(shí)，機(jī)器人也會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人停止不影響各個(gè)工位的正常加工。在防護(hù)欄、機(jī)器人控制箱以及機(jī)床操作箱上均布有急停按鈕，無論是機(jī)器人系統(tǒng)故障，還是主機(jī)床故障，按下急停按鈕，整個(gè)設(shè)備都能停止運(yùn)動(dòng)，以保障人員安全。

設(shè)備控制由機(jī)床控制系統(tǒng)與工件傳輸系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)床控制系統(tǒng)采用工控機(jī)作為核心單元，具有多工位、多坐標(biāo)邏輯順序控制、自動(dòng)對(duì)刀、加工后自動(dòng)換位等功能；進(jìn)給軸采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，控制內(nèi)容包括電液參數(shù)、工件位置角度、進(jìn)給速度等。工件傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)工件的識(shí)別、流轉(zhuǎn)以及自動(dòng)裝夾。機(jī)器人工件系統(tǒng)與機(jī)床控制系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)（EtherNet）接口通訊，實(shí)現(xiàn)的主要功能有以下方面。（1）自動(dòng)加工功能：根據(jù)工藝輸入各軸加工起、終點(diǎn)坐標(biāo)以及Z軸加工深度、加工總孔數(shù)等參數(shù)后自動(dòng)加工[19]。加工開始后，電極進(jìn)行自動(dòng)對(duì)刀，對(duì)刀后退回初始間隙，自動(dòng)接通電源（可設(shè)定延時(shí)）開始進(jìn)給。小孔加工穿透信號(hào)發(fā)出或到達(dá)預(yù)設(shè)行程后，自動(dòng)停止進(jìn)給并關(guān)斷電源（可設(shè)定延時(shí)），Z軸返回，換位加工下一個(gè)小孔。加工過程中可實(shí)現(xiàn)進(jìn)給暫停與恢復(fù)。加工至某一段最后一個(gè)小孔后，自動(dòng)停止進(jìn)給并關(guān)斷電源（可設(shè)定延時(shí)），Z軸返回至設(shè)定位置，該段加工結(jié)束。加工孔的過程中，X、Y位置以及B、C軸的角度按程序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并根據(jù)孔通信號(hào)以及行程控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換位。（2）監(jiān)控功能：對(duì)加工電壓、加工電流、溶液壓力等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)參數(shù)的異常情況及時(shí)做出報(bào)警或暫停加工等反應(yīng)。（3）日志功能：對(duì)重要加工參數(shù)（加工電壓、加工電流、溶液壓力、溶液溫度）進(jìn)行記錄。（4）故障處理功能：遇到突發(fā)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(xiàn)有狀態(tài)。問題工位恢復(fù)后，經(jīng)確認(rèn)，工件調(diào)度系統(tǒng)程序可以斷點(diǎn)續(xù)傳。如果某個(gè)工位的故障較嚴(yán)重，需要一段時(shí)間才能修復(fù)，調(diào)度系統(tǒng)可以操作繞過該故障工位。（5）安全防護(hù)功能：具備多重安全互鎖控制，例如加工電源啟動(dòng)前必須啟動(dòng)供液系統(tǒng)，啟動(dòng)供液系統(tǒng)前必須關(guān)閉工作箱門等。工件調(diào)度運(yùn)行時(shí)，如遇到人員闖入警戒區(qū)域，則調(diào)度系統(tǒng)立即停止動(dòng)作。人員離開后，調(diào)度系統(tǒng)才可以繼續(xù)動(dòng)作。

輸液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多工位集中供液。電液束加工采用酸性溶液，對(duì)設(shè)備及溶液傳輸系統(tǒng)要求很高。多工位集成式供液系統(tǒng)由酸液容器、耐酸高壓泵、穩(wěn)壓裝置、調(diào)節(jié)閥、精密耐酸過濾器等組成。具備的主要功能如下。（1）循環(huán)供液功能：可按設(shè)定的供液壓力為電液束加工設(shè)備連續(xù)供液，運(yùn)行中保持預(yù)先設(shè)定的壓力值。具備低液位報(bào)警功能，保證循環(huán)供液過程中禁止出現(xiàn)溶液箱抽空或回流液箱溢出故障。（2）穩(wěn)壓控制功能：采用脈沖計(jì)量泵，為保證供液壓力的穩(wěn)定性，配備了脈沖消減裝置進(jìn)行穩(wěn)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(xì)小，所以必須實(shí)現(xiàn)精密過濾，同時(shí)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(shè)定溫度范圍20～40℃。

圖7為多工位電液束加工設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)。

多工位電液束加工關(guān)鍵技術(shù)

1 葉片定位與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

葉片通過工裝安裝到機(jī)床夾盤上時(shí)，由于葉片榫頭與葉片葉身存在偏差，夾盤的轉(zhuǎn)軸也與葉片的積疊軸存在誤差，若采用理論程序進(jìn)行孔的加工，則會(huì)導(dǎo)致孔的位置和孔軸線與設(shè)計(jì)不符，造成零件報(bào)廢。在國(guó)外的電火花制孔設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片的在線五坐標(biāo)檢測(cè)，通過檢測(cè)結(jié)果，對(duì)葉片的各個(gè)孔的加工位置進(jìn)行了最優(yōu)的調(diào)整，最大程度擬合理論狀態(tài)。但在電液束的加工環(huán)境中，酸液和酸霧的環(huán)境使在線檢測(cè)的裝置無法進(jìn)行布置，因此采用了測(cè)量機(jī)和多工位主機(jī)隔離放置的方案，即將葉身型面測(cè)量和氣膜孔加工兩種工藝進(jìn)行了分離，不同于一工位一機(jī)的傳統(tǒng)思路，采用一臺(tái)測(cè)量機(jī)服務(wù)于多設(shè)備、多工位的方法。測(cè)量機(jī)主體具備X、Y、Z直線軸和B、C軸旋轉(zhuǎn)功能，布局與加工單元完全一致，如圖8所示。測(cè)量機(jī)臺(tái)面采用天然花崗巖材料，熱膨脹系數(shù)低，穩(wěn)定低形變，導(dǎo)軌采用全閉式空氣軸承。測(cè)量軟件包括測(cè)量模塊和自動(dòng)檢測(cè)模塊。檢測(cè)裝置的五坐標(biāo)全部測(cè)量運(yùn)算功能由控制系統(tǒng)、專用測(cè)頭、分析軟件、專用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖6 安全圍欄設(shè)計(jì)Fig.6 Design of safety fence

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

為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在多工位主機(jī)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確還原，測(cè)量機(jī)和多工位主機(jī)必須采用幾何尺寸、精度等級(jí)完全一致的B、C雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖9所示。通過檢測(cè)、調(diào)試等手段來保證B、C雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)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(jí)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(cè)量機(jī)和多工位主機(jī)上安裝后位置的一致性。

圖8 五坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Fig.8 Five–axis measuring machines

自動(dòng)檢測(cè)定位步驟如圖10所示。葉片通過定位基準(zhǔn)座安裝于測(cè)量機(jī)上；測(cè)量機(jī)通過對(duì)渦輪葉片的葉身的檢測(cè)，獲取真實(shí)葉身型面的數(shù)據(jù)，并根據(jù)理論數(shù)模進(jìn)行誤差分析，計(jì)算出每個(gè)孔的坐標(biāo)各矢向誤差值；如果計(jì)算結(jié)果超出了設(shè)定的允差值，則需要增加葉身測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行再測(cè)量（再超過允差將不予處理），通過擬合運(yùn)算，得出葉片5個(gè)坐標(biāo)軸原點(diǎn)修正數(shù)據(jù)；利用CAM軟件對(duì)基于理論數(shù)據(jù)的加工程序進(jìn)行改編，最后轉(zhuǎn)換為Z向進(jìn)給加工數(shù)據(jù)，生成新的加工程序。

相比葉片機(jī)床在線檢測(cè)定位技術(shù)，電液束加工的檢測(cè)定位采用的是將型面測(cè)量和氣膜孔加工兩種工藝進(jìn)行分離的布置方式，有效解決了電液束加工酸性環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)頭腐蝕的難題。測(cè)量機(jī)和多工位加工單元采用了幾何尺寸、精度等級(jí)一致的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)和精密定位夾頭，實(shí)現(xiàn)了葉片及夾具異地?cái)?shù)據(jù)的精確還原，取得了與在線測(cè)量同樣的效果。一臺(tái)測(cè)量機(jī)通過數(shù)據(jù)通信服務(wù)于多臺(tái)設(shè)備，大大節(jié)省了硬件成本。通過葉片氣膜孔加工驗(yàn)證，調(diào)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(diào)整后程序的0.03～0.2mm。

圖9 測(cè)量機(jī)和加工設(shè)備的B、C轉(zhuǎn)臺(tái)Fig.9 B、C rotary table of machining and measuring equipment

2 加工初始間隙自動(dòng)確定技術(shù)

電液束加工采用的毛細(xì)玻璃管透明、薄脆、強(qiáng)度差，不能采用光學(xué)、觸碰、超聲檢測(cè)等方法進(jìn)行位置的偵測(cè)，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(shù)中的一項(xiàng)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(guān)。其中初始間隙與加工入口的擴(kuò)口狀態(tài)呈近似正比線性關(guān)系。如初始間隙過大，則會(huì)出現(xiàn)較大的擴(kuò)口，呈喇叭口形狀，而初始間隙過小，則會(huì)因?yàn)楣ぷ鬟M(jìn)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(cè)加工初始間隙，人工調(diào)整電極的位置坐標(biāo)，然后手工輸入加工起始位置坐標(biāo)，啟動(dòng)程序加工。

在多工位電液束加工技術(shù)研究中，根據(jù)電液束加工環(huán)境的特點(diǎn)，提出了換位“對(duì)刀”技術(shù)，即采用與玻璃管電極具有固定的位置關(guān)系的“影子”探針置換實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)定位步驟Fig.10 Detection and positioning steps of blade

初始間隙的自動(dòng)確定過程如圖12所示。（1）毛細(xì)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(dǎo)電密封頭與連接架均與電液束加工機(jī)床陰極安裝板連接，毛細(xì)玻璃管電極與金屬探針形成固定的X、Y方向位置關(guān)系，X、Y坐標(biāo)差值分別為Δx、Δy。金屬探針通過調(diào)整螺母調(diào)節(jié)上下位置，使金屬探針端部與毛細(xì)玻璃管電極端部Z向位置相等。（2）啟動(dòng)小孔加工程序后，機(jī)床陰極安裝板沿X、Y方向分別運(yùn)動(dòng)使金屬探針與基準(zhǔn)塊的X、Y向兩面觸碰，獲取觸碰信號(hào)后記錄當(dāng)前坐標(biāo)為（x0，y0）。（3）金屬探針沿X、Y反向運(yùn)動(dòng)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(dòng)接近工件，獲取其與葉片表面接觸的信號(hào)；出現(xiàn)接觸信號(hào)后，系統(tǒng)記錄坐標(biāo)觸碰位置1（x1，y1，z1），并自動(dòng)將Z坐標(biāo)值減去設(shè)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(shù)值自動(dòng)賦值至加工程序，確定起始加工位置。（5）機(jī)床陰極安裝板退回啟動(dòng)位置，X、Y分別移動(dòng)Δx、Δy，使毛細(xì)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(dòng)到達(dá)位置2（x1，y1，z2），按自動(dòng)設(shè)定的初始加工間隙開始加工。

采用加工初始間隙自動(dòng)控制，加工小孔的擴(kuò)口尺寸在0.54 ～ 0.57mm之間，一致性誤差為0.03mm?？梢钥闯?，初始間隙的控制方法對(duì)保證小孔入口形貌的一致性起到了關(guān)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(yàn)表明，采用與玻璃管相對(duì)位置固定的金屬探針，通過真實(shí)對(duì)刀后，根據(jù)坐標(biāo)差實(shí)現(xiàn)玻璃管電極的自動(dòng)定位，位置精確，調(diào)整快捷，對(duì)刀數(shù)據(jù)直接寫入加工程序，準(zhǔn)確控制每個(gè)孔起始加工位置，大幅提升了入口形貌一致性。自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)是電液束實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化加工的關(guān)鍵之一。

3 加工穿透檢測(cè)技術(shù)

電液束加工葉片氣膜冷卻孔時(shí)，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(xù)加工余下的“半孔”，此時(shí)加工狀態(tài)非常復(fù)雜，如果處理不當(dāng)極易造成出口過大或者產(chǎn)生縮口，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔邊臺(tái)階、凹坑等形貌，影響小孔品質(zhì)。但如果加工穿透后未能及時(shí)停止，長(zhǎng)時(shí)間的繼續(xù)加工，也會(huì)因電液束作用導(dǎo)致出現(xiàn)蝕痕、蝕坑等對(duì)壁擊傷缺陷。在目前現(xiàn)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(yù)刪除程序進(jìn)給余程，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，能否在小孔加工穿透后及時(shí)實(shí)現(xiàn)換位加工，也是電液束制孔質(zhì)量控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的關(guān)鍵[21]。實(shí)現(xiàn)穿透檢測(cè)，首先是檢測(cè)信號(hào)源的選取。對(duì)于電化學(xué)小孔加工的盲通狀態(tài)檢測(cè)，必須提取加工過程中最為突出且重復(fù)性為100%的特征作為信號(hào)源。電液束加工在小孔穿透的瞬間，狀態(tài)變化劇烈，理論上加工電流會(huì)有一個(gè)明顯的突變，這在常規(guī)的電化學(xué)加工控制中具有實(shí)際的意義。但是在電液束實(shí)際加工過程中，電流信號(hào)在變化復(fù)雜的葉片內(nèi)腔環(huán)境下受到了諸多因素的干擾，與加工過程中的電流波動(dòng)無法準(zhǔn)確甄別。單純的電流信號(hào)檢測(cè)誤報(bào)量大，基本不可行[22]。在電液束加工時(shí)，玻璃管進(jìn)入工件金屬體后，加工溶液自盲孔間隙中返回，會(huì)形成返液現(xiàn)象并持續(xù)，在小孔穿透瞬間，返液現(xiàn)象消失。返液的隱現(xiàn)現(xiàn)象在加工中的重復(fù)率為100%，因此在研究中通過對(duì)加工返液現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工穿透的檢測(cè)。為此，根據(jù)液束變化與孔通之間鮮明關(guān)系的特點(diǎn)，小孔加工穿透檢測(cè)技術(shù)采用了圖像監(jiān)測(cè)加工返液狀態(tài)的方案，即通過液束圖像的變化信號(hào)判斷孔通與否。在多工位電液束加工設(shè)備的每個(gè)工位，均安裝了圖像采集裝置。監(jiān)控原理如圖14所示。圖像采集裝置通過前端數(shù)字?jǐn)z像頭采集監(jiān)視環(huán)境的液束圖像信息，運(yùn)算器通過閾值計(jì)算，根據(jù)圖像閾值大小，判定當(dāng)前返液區(qū)的狀態(tài)。例如，閾值小于一設(shè)定值，如符合則判定孔通（圖15）。孔通信號(hào)發(fā)送至機(jī)床控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸執(zhí)行電極換位動(dòng)作。

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

結(jié)論

（1）針對(duì)電液束加工的工藝特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了基于葉身測(cè)量的葉片自適應(yīng)定位系統(tǒng)，通過與加工工位同等規(guī)格的五坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行葉片型面的測(cè)量，解決了腐蝕環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的難題。測(cè)量機(jī)和加工機(jī)采用了幾何尺寸、精度等級(jí)均一致的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)和精密定位夾頭，實(shí)現(xiàn)了葉片及夾具異地?cái)?shù)據(jù)的精確還原，只用一臺(tái)測(cè)量機(jī)利用數(shù)據(jù)通信同時(shí)服務(wù)于多臺(tái)加工設(shè)備，為生產(chǎn)建線提供了參照模式。

圖14 穿透監(jiān)控原理Fig.14 Principle of penetration monitoring

（2）針對(duì)電液束加工毛細(xì)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(shù)難題，研究出了利用“影子”探針進(jìn)行自動(dòng)位置檢測(cè)，然后按坐標(biāo)差自動(dòng)切換位置的毛細(xì)玻璃管間接定位方法，實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)玻璃管電極位置與加工初始間隙的自動(dòng)化精確控制，替代人工操作，為電液束加工技術(shù)的工程化提供了重要的技術(shù)支撐。

（3）利用返液圖像傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電液束加工穿透的監(jiān)控，可在酸堿腐蝕環(huán)境下工作，工作可靠、沒有誤報(bào)，響應(yīng)速度快，信號(hào)傳輸沒有遲滯，裝置簡(jiǎn)單、運(yùn)維成本低。在避免了工件內(nèi)腔非加工部位損傷的同時(shí)，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

多工位電液束全自動(dòng)加工大幅提高了加工效率，保證了葉片氣膜孔的加工質(zhì)量及質(zhì)量穩(wěn)定性，有力推進(jìn)了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高品質(zhì)氣膜冷卻孔加工技術(shù)的工程化進(jìn)程，縮短了與先進(jìn)國(guó)家高品質(zhì)制孔技術(shù)的差距。

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