放電加工技術在航空航天制造中的應用

趙萬生，康小明，顧琳，奚學程，張亞歐，胡靜，趙福春

上海交通大學 機械與動力工程學院 機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240

放電加工利用工具和工件之間脈沖性放電時的瞬時高溫來去除工件上多余的材料，以達到預定的零件尺寸、形狀及表面質量等技術要求。按工具電極和工件相對運動方式、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，實現“以柔克剛”，從而擺脫傳統切削加工對刀具材料的限制。另外，由于工具電極和工件之間不直接接觸，基本沒有宏觀作用力，因此可以加工低剛度零件及微細結構。放電加工尤其適合于難切削材料、復雜形狀、小、深、斜孔、深窄槽、復雜型腔、半封閉流道、刀具可達性差的彎曲型腔等的加工。

隨著新材料、新結構的不斷出現以及工業界對制造要求的持續提升，新的放電加工工藝方法也不斷涌現出來，且放電加工的成功案例也越來越豐富。

1 電火花成形加工技術的應用

電火花成形加工以成形電極為工具，配合簡單或復雜的軌跡運動，在工件上獲得復雜曲面、流道、窄槽和型腔等設計要求的幾何特征。傳統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單反向拷貝。隨著六軸聯動電火花技術的逐步成熟，電火花成形加工具有了無可比擬的空間可達性和形狀適應性，可以使常規加工難以實現的幾何特征變得更容易加工。從材料適應性來說，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、金屬基復合材料、陶瓷材料等。

電火花成形加工技術的一個典型高端應用就是航空、航天發動機的閉式整體葉盤類零件。航空、航天發動機采用葉片頂端帶葉冠的閉式整體結構替代傳統不帶葉冠的開式結構后，可大幅降低單個葉片損壞造成整個葉盤失效的可能性，顯著提高航空航天發動機的工作可靠性，還能帶來整機效率的提升。但閉式整體葉盤通常具有流道狹長、彎扭，加工空間半封閉等幾何特征，刀具的可達性差；再加上高溫合金的難切削特性，采用切削加工極難實現。因此，國內外均優先采用5～6軸數控電火花成形加工技術方案來制造此類零件。其基本過程是：具有流道幾何特征的復雜形面工具電極沿著一條與最終葉盤無干涉的軌跡進給到流道部位，然后通過“終位形面拷貝”運動來加工流道和葉片形狀。閉式整體葉盤電火花加工的核心問題是工具電極進給軌跡的獲取。目前，多軸聯動電火花成形加工技術已經成功應用于液體火箭發動機、航空發動機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 多軸聯動電火花加工的各種結構閉式整體葉盤Fig.1 Shrouded blisks of various structures for multi-axis linkage EDM

航空發動機導向葉片上的封嚴槽加工也廣泛采用了電火花加工方法。通過專用夾具和過程控制，可以同時在多個工件中加工封嚴槽，以克服電火花加工工藝材料去除率較低的問題。為實現復雜形狀的封嚴槽加工且提高加工效率，蘇黎世聯邦理工學院的Maradia等提出了一種將高速電火花打孔和放電銑削加工相結合的封嚴槽加工方法，放電銑削在電極成本以及幾何靈活性方面有著顯著優勢，但其加工效率遠低于成形加工，為此Maradia等先利用高速電火花打孔去除大部分封嚴槽材料，然后利用放電銑削進行精加工，保證幾何精度和表面質量的同時提高加工效率，進一步提高封嚴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向葉片封嚴槽Fig.2 High-speed EDM drilling and electric discharge milling methods to process guide vane sealing grooves

此外，學術界和工業界探索了使用放電銑削的方式來加工擴散口的工藝方法。蘇黎世聯邦理工學院的Kliuev提出在小孔高速電火花加工機床上使用中空電極放電銑削加工來獲得擴散口幾何形狀。先使用小孔高速電火花加工技術去除大部分擴散口材料，隨后使用分層放電銑削進行精加工，從而使加工效率得到較大提升。比利時魯汶大學的錢軍等人研究了高速電火花銑削加工傾斜表面時的放電過程和電極損耗現象，提出了一種基于放電脈沖識別和損耗感知的自適應電極損耗補償策略，可將平均輪廓誤差控制4.8 μm以內，如圖3(a)所示。英國Winbro公司和日本Elenix、牧野機床公司都曾報道用電火花銑削加工的方法來加工異形擴散口，如圖3(b)所示，但并未對擴散口加工的幾何精度及表面再鑄層(也稱熔化凝固層)做進一步說明，擴散口電火花銑削的技術實現細節也沒有更多的披露。

圖3 擴散孔放電銑削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)簡稱線切割，其基本工作原理是利用連續移動的細金屬絲(電極絲)作為工具電極，通過工具電極與工件之間的脈沖火花放電來蝕除工件金屬材料、進而切割成形。線切割加工無需準備復雜形狀刀具，也不需要制造成形電極，僅用簡單的電極絲(黃銅絲、鉬絲、如鎢絲等)，通過CAM軟件自動編程和多軸數控，便可加工出各種直紋面幾何特征。該加工方法的材料適應性強，再鑄層等熱影響區可控性好，可用于切割各種高硬度、高強度、高韌性和高脆性的導電材料，如淬火鋼、工具鋼和硬質合金、鎳基高溫合金、聚晶金剛石等。在加工過程中電極絲始終按一定速度送進，不斷循環流動的工作液將放電蝕除產物帶出加工區域，工具電極的自身損耗對加工精度的影響很小；可加工精密微細、復雜輪廓的各類零件。

德國亞琛工業大學采用四道線切割工藝來加工渦輪盤榫槽線，加工表面的再鑄層厚度小于2 μm。近年來，瑞士GFMS率先推出渦輪盤榫槽線切割專用機床Cut-200D，該工藝已經通過適航認證并成功取代傳統拉削。線切割加工不僅工藝柔性好，且機床和工具的成本也大為降低，已經在國際知名航發公司的生產線上得到成功應用。上海交通大學和蘇州電加工機床研究所合作也成功開發出渦輪盤榫槽線切割專用機床。應用于某型渦扇發動機渦輪盤64個榫槽的高精度輪廓加工。該機床為五軸數控，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。目前通過榫槽線切割粗加工和高精度超硬砂輪精磨加工來實現榫槽的高效加工。

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的一個重要分支。該工藝采用旋轉的中空管狀工具電極(?0.2～?3.0 mm)，通過高壓內沖液對放電極間進行強制排屑和冷卻，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向葉片氣膜冷卻孔加工、浮壁式火焰筒沖擊孔以及巡航導彈用渦噴、渦扇發動機噴油環的加工中得到了廣泛的應用，如圖5所示。

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

航空航天發動機上的很多關鍵零部件上有為數眾多的小孔，且這類零部件大多工作在高溫高壓、交變載荷、熱沖擊、化學腐蝕等極端惡劣環境之下，因而對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、加工效率等指標提出了嚴苛的要求。

在孔位確定方面，西安航空發動機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備回轉軸的回轉偏差，最后通過坐標變換獲得對隨機分布的空間矢量小孔精準定位的加工方案。

在孔的穿透檢測和防背傷方面，西安航空發動機有限公司的何金梅等研究了國產電火花小孔加工機床的加工通孔時的深度控制及穿透控制問題，但過程需人工干預，自動化程度較低。上海交通大學夏蔚文提出了基于加工狀態圖分類的穿透檢測模型和基于條件放電信號的貫穿判定方法，在其全部測試的樣本中成功率可達100%。

在小孔的再鑄層控制方面，清華大學李朝將等對航空發動機氣膜冷卻孔電火花加工參數優化，詳細分析了影響加工速度和再鑄層厚度的主要因素。沈陽黎明航空發動機公司的于冰、朱海南通過正交試驗優化了航空發動機高壓渦輪葉片氣膜冷卻孔電火花加工工藝參數，獲得了再鑄層平均厚度較小的加工參數組合。南京航空航天大學的徐正揚提出了微小孔電火花-電解同步復合加工方法,通過電火花加工和電化學溶解同步進行, 實現高效低損傷小孔加工。

北京易通電加工技術研究所馬名峻等開展了大深徑比小孔電火花電解復合加工工藝的試驗研究，研發了一種液體成膜的低濃度電解質環保水溶液作為高速電火花小孔加工機床的專用工作液，可避免錐形電極損耗，對于控制加工孔的錐度有著積極意義。該技術可用于航空發動機葉片氣膜孔及鎢鉬類高熔點金屬超深小孔加工。

4 電弧放電加工

為滿足更大的推力、更高的推重比、更好的經濟性、更加綠色環保等要求，航空航天發動機乃至燃氣輪機的熱端部件和高壓壓氣機部件中大量應用新型高性能合金材料。這些新材料的優異性能也給制造帶來了新的挑戰。對傳統的切削方法而言不僅加工效率低，而且刀具磨損嚴重，加工成本高昂。另外，整體式結構也越來越多地被采用以進一步提升燃機的性能。因此，難加工材料構件的高效、低成本加工能力已成為制約航空航天發動機及燃氣輪機制造的瓶頸之一。

研究表明，電弧放電等離子體的能量密度可達10J/cm，且溫度可達上萬度，遠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，為實現難切削材料的高效加工提供了強有力的工具。然而，高溫的穩定電弧又是一把雙刃劍，如果不能被有效控制，不能及時移動、關斷，則會造成工件放電局部嚴重燒傷。因此，如何有效控制電弧乃是實現電弧高效加工的關鍵。

當前，電弧加工中的斷弧方法可以分為依賴脈沖式放電實現的電氣斷弧、依靠電極和工件之間的快速相對運動實現的機械運動斷弧和通過間隙高速流場實現的流體動力斷弧三種。流體動力斷弧的原理如圖6所示。相比機械運動斷弧而言，流體動力斷弧不依賴于電極與工件之間的相對運動，可以使電弧加工由車/磨、銑削模式發展出更加豐富的加工模式，如：沉入式加工、側銑加工、掃銑加工、多軸聯動復雜流道加工等模式，使得航空航天發動機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，也可以同時運用3種斷弧模式，以獲得更好的加工效果。

圖6 流體動力斷弧原理Fig.6 Mechanism of hydrodynamic arc breaking

美國GE公司將其研發的“藍弧”加工技術應用于高壓壓氣機整體葉盤類零件的加工，最初采用的是將工件浸沒在特制的電解液中進行電弧放電蝕除。由于電解液具有腐蝕性，對裝備的防護要求很高。國內上海交通大學提出了基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工方法(Blasting Erosion Arc Machining,BEAM)，采用多孔內沖液及水基工作液的加工模式以充分發揮流體動力斷弧機制的作用，獲得了優異的加工性能，并成功它應用于多種航空航天零件的加工。圖7所示為上海交通大學采用電弧銑削模式加工的誘導輪模擬樣件。哈爾濱工業大學、中國石油大學(華東)、山東大學也開展了電弧加工的相關研究。如中國石油大學(華東)的劉永紅教授團隊提出電弧-電火花復合加工工藝，并進行水包油納米乳化劑工作液的研究，發現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。山東大學張勤河教授團隊還進行了超聲復合電弧放電加工的研究。

圖7 高速電弧銑加工的誘導輪試件(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。掃銑加工的特點是在電極進給的過程中，引入分層掃掠方式實現材料去除。分層掃掠的優點在于增大了相對放電面積和排屑空間，可充分發揮流體動力斷弧機制的控制效果，進而提高加工效率和穩定性。

針對難加工材料的開敞式和中空式結構零部件所具有的直紋面、大余量去除的特征，上海交通大學提出了基于復合斷弧機制的電弧輪廓切割的加工方法，可實現高效、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支架結構零件及其切割余料。

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

整個支架結構的切割加工時間小于2 h，平均切割面積效率值約為550 mm/min，遠高于線切割加工100 mm/min的切割速度，且沒有斷絲的問題。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鋁基碳化硅支架零件。

5 放電磨削

放電磨削是由明治大學橫川教授等率先研發的一種針對難加工材料通過放電實現類似磨削效果的加工方法。與機械磨削相類似，放電磨削利用工具電極磨輪和工件之間的放電來蝕除工件表面材料，實現高精度去除工件材料的目的。

如圖9所示，美國STECO公司研制了放電磨削(Spark Erosion Grinding，SEG)專用設備，可實現蜂窩結構的高質量加工。放電磨削的突出優勢在于蜂窩及薄壁結構的加工能力。該技術在GE及羅羅公司已獲得蜂窩加工的工藝認證。國內的“電熔爆”等方法也實現了蜂窩結構的高效高質量加工。該加工方法在航空發動機燃燒室蜂窩結構封嚴環和低剛度薄板零件加工方面具有明顯優勢。

為減少高溫氣體的流量損失，航空發動機燃燒室單元體密封組合件采用內、外交疊式蜂窩密封結構，多道蜂窩環位置重疊交錯，相對空間狹小(毛坯狀態下僅3～4 mm)，且蜂窩表面不允許有明顯的燒傷和劃碰傷，對表面質量要求極高。上海交通大學研制了多軸聯動燃燒室封嚴環專用機床，實現了某型發動機蜂窩結構電火花磨削加工，通過控制放電電流控制再鑄層的厚度，再鑄層的厚度最小可達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蜂窩件電火花磨削工藝進行系統性的研究，提出了工具電極直徑與磨削工件尺寸應相差不大，利用包絡弧面增大磨削放電面積，提出限位伺服進給方法，提升加工穩定性，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軸數控電火花蜂窩磨削加工專用機床, 由計算機對加工電參數、伺服過程及工藝規準進行自動控制, 得到了高效、精密的加工效果。中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司針對重型燃機透平部件和壓氣機部件的蜂窩密封環設計了大型蜂窩環加工專用磨削電火花加工機床，電極采用懸臂內套鑲嵌旋轉結構、利用雙主軸頭結構使加工和測量分離，排削采用沖液加工方式，最終實現了重型燃機的大型蜂窩環電火花磨削加工。

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其使用性能影響較大。然而，這類零件往往結構剛度極低，在加工過程中很容易受到各種力和熱作用，產生較大變形，難以達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、加工熱變形等問題是制約反饋桿等低剛度零件加工精度提高的關鍵因素。

上海交通大學利用電火花線切割裝備，以電極絲作為工具實現大長徑比、變截面反饋桿的高效、高質量加工。由于放電加工無宏觀作用力，加工過程零件無受力變形，可實現長徑比大于100的零件加工。配合研發的專利技術，可實現遠高于傳統車削及磨削加工效率及成品率、且滿足設計要求的反饋桿零件的高質量加工，如圖11所示，加工尺寸精度可達±3 μm，粗糙度0.5 μm。

圖11 采用電火花線電極磨削加工的細長桿類零件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

新一代航空航天產品的研發速度不斷加快，新材料、新結構不斷被采用。而傳統的制造技術發展路徑為：標準工藝裝備→加工工藝開發→工藝路線確定→工裝配套→操作者培訓→形成最終產能。這種方式越來越難以滿足航空航天制造的需要。特別是在智能制造系統不斷發展的今天，更要以整體解決方案的方式來構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程可描述為：以先進的材料和結構制造問題為需求牽引，制定系統優化的工藝流程，根據優化的工藝流程提出符合要求的裝備與系統解決方案，必要時研制出專用裝備，最終形成智能制造能力。

新型航空航天制造體系的系統解決方案應該以優化的工藝流程為核心，以加工、測量、檢驗的數字化、自動化、智能化為特征。承載系統解決方案的關鍵是開放、自主、可控的數控系統和開放式自動化工業標準。

6.1 航發渦輪葉片氣膜冷卻孔智能制造示范線

上海交通大學對渦輪葉片氣膜冷卻孔小孔高速電火花加工極間物理現象、穿透及貫穿檢測、分階段自適應控制、專用CAM軟件研發、加工軌跡優化、自適應加工方法以及幾何精度、位置度測量等方面進行了深入研究，形成了完整的技術體系和加工方案。

上海交通大學通過對實際葉片的測量點云與葉片模型的配準，計算出實際葉片與模型葉片之間的變換矩陣，根據該變換矩陣和機床的校準數據自動計算出特定葉片在特定機床上的加工G代碼，實現了葉片氣膜冷卻孔的準確定位。針對渦輪葉片氣膜冷卻孔的孔位順序在CAD中隨設計幾何操作過程而定，導致空行程過多、機床運行效率較低的問題，提出一種變鄰域-禁忌搜索算法對其進行高效求解，可將仿真實驗的非加工時間縮短80%以上，并應用于自主開發的氣膜冷卻孔專用CAD/CAM軟件中，在五軸數控小孔高速電火花加工機床上獲得了有效驗證。針對大深徑比小孔加工各階段特點，提出分段自適應控制策略，顯著提升了加工效率和孔入口區域質量。此外，還開發了用于檢測氣膜孔位置精度、軸線方向以及入口尺寸的三維激光檢測系統。在上述工作的基礎上，上海交通大學與蘇州中谷實業、貴州安吉華元合作，研制了中國首條航發渦輪葉片氣膜孔智能制造示范線，如圖12所示。

圖12 航空發動機渦輪葉片智能化生產線Fig.12 Intelligent production line of aero-engine turbine blades

該系統由4臺五軸數控小孔高速電火花加工機床、1臺六軸數控電火花成形加工機床(用于加工擴散口)，2臺六自由度機器人和多條傳送帶組成。該系統完整實現了葉片初始安裝誤差的自動測量與校正、自適應打孔、工件和電極自動交換等一系列過程的自動化，加工中無需人工操作與調整。該系統還應用了自主開發的制造執行系統(Manufacturing Executive System, MES)，將加工代碼自動發送到配置有自動上下料和自動更換電極功能的小孔高速電火花加工機床。各機床的運行狀態均可隨時監控。目前該智能制造示范線自2019年6月在某航發葉片制造廠投入生產以來，一直運行良好，葉片打孔加工質量穩定。

英國Winbro公司和瑞士GF加工方案研制了一個高速電火花加工系統，可加工渦輪葉片和導向葉柵環上的孔和窄槽，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動電火花加工技術與裝備

上海交通大學與西安航天發動機公司、首都機械有限公司、北京市電加工研究所等單位合作，歷經十余年持續攻關，突破了一系列核心關鍵技術，構建了閉式整體葉盤多軸聯動數控電火花加工完整的先進制造體系，如圖14所示。

圖13 葉片和導向葉柵環小孔加工的高速電火花加工 系統及工裝[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動數控電火花加工專用方法—發明了電極形面-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給軌跡搜索算法，開發了國際首套閉式整體葉盤六軸聯動電火花加工專用 CAD/CAM 軟件包。從根本上解決了狹長、彎扭復雜流道閉式整體葉盤的可加工性問題。

2) 彎曲流道高效加工方法—發明了旨在大幅度提高閉式整體葉盤多軸聯動數控電火花加工效率的多種高效工藝方法，包括多電極加工、多軸攝動進給、多軸搖動修光和分級加工策略等，在確保加工質量的前提下使加工效率成倍提升，保障了航天航空發動機關鍵部件的批產能力。

圖14 閉式整體葉盤六軸聯動電火花加工技術與裝備Fig.14 Six-axis linkage EDM technology and equipment for closed integrated blisk

3) 5～6 軸聯動電火花加工數控系統與機床—發明了廣義單位弧長增量插補原理與算法，實現了工具電極空間曲線進給軌跡與位姿的六軸聯動直接插補，研制的 5～6 軸聯動電火花加工數控系統及機床獲得應用。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明了浸液式數控轉臺關鍵功能部件，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軸聯動功能使更復雜葉盤流道加工成為可能。

該技術成果已成功應用于西安航天發動機公司和首都航天機械有限公司大推力液體火箭發動機閉式整體渦輪盤、泵葉輪等零件的生產，加工效率平均提高300%，保障了高密度航天發射任務的順利完成。航天三十一所某型發動機閉式整體泵葉輪及噴嘴環采用該項目電火花加工技術使得發動機整體性能和可靠性顯著提高。

6.3 高速電弧放電-機械銑削組合加工技術及裝備

高速電弧放電加工方法的突出優勢在于應對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量難以滿足最終加工要求。通過將高速電弧放電加工與機械銑削加工方法組合，即在同一臺加工中心上順序實現高速電弧放電加工和銑削加工功能，粗加工時利用高速電弧放電加工高效去除大部分的余量，然后切換到機械銑削模式完成零件表面的精加工，從而實現航空航天難切削材料零部件的高效、高質量加工。上海交通大學開發的高速電弧放電加工技術采用流體動力和機械運動兩種斷弧機制，很好地實現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，開發出國際首臺五軸高速電弧放電-機械銑削組合加工機床,如圖15所示。

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

高速電弧-銑削組合加工系統包括：

1) 多軸銑削加工機床本體。針對電弧加工的特點進行必要的防護及絕緣處理，并增強工作液循環系統以滿足大流量高速多孔內沖液和電蝕產物過濾回收的要求。

2) 復合型多軸數控系統。除兼具傳統五軸銑削加工數控功能外，還集成了高速電弧放電加工的工藝過程控制，能夠根據高速電弧放電加工的特殊需求對加工中的放電過程及時響應并有效控制。

3) 高速電弧放電加工電源及放電狀態檢測系統。除具有根據加工需求輸出大能量、極性可控脈沖電流的能力外，還具有放電狀態實時檢測的功能，可根據放電加工過程中的極間狀態做出準確判斷并與數控系統配合實現放電間隙伺服控制。

圖16為復雜曲面特征三元流葉輪樣件五軸數控高速電弧放電加工與機械銑削組合加工的結果。高速電弧放電加工中采用600 A電流，對應的材料去除率可達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，為后續機械銑削加工奠定較好基礎。后續機械銑削加工過程中，刀具磨損小、加工狀態穩定，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，樣件加工結果達到設計要求，充分展現了該組合加工工藝應用于具有復雜幾何特征的航空發動機、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

上海交通大學利用上述自主研發的裝備和工藝方法實現了飛機鈦合金支架、三元流葉輪、火箭發動機低溫不銹鋼誘導輪、高溫合金渦輪靜子、空間站金屬基復合材料(20%vol SiC/Al)結構件、高組分金屬基復合材料(50%vol SiC/Al)結構件、航空發動機TiAl金屬間化合物葉片樣件等難加工復雜零部件的高效、高質量加工，極大地縮短了制造周期，降低了加工成本。該技術與裝備研制成果共申請30余項國內外發明專利。

6.4 航發渦輪盤榫槽線切割加工工藝與裝備

上海交通大學與蘇州電加工機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航發渦輪盤榫槽進行加工，研制出榫槽加工專用五軸數控單向走絲線切割加工機床，如圖17所示。

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

該機床采用了高精度、高剛度機床主機結構加高精度兩軸數控轉臺的總體布局來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檢測放電狀態，利用自適應多變量控制技術來確保線切割加工過程的平穩以及保證榫槽的切割精度。研發了具有防電解脈沖電源回路、納秒級脈沖放電微精加工技術以保證線切割加工零件的表面完整性。為此專門開發了榫槽線切割加工專用五軸數控系統從而實現對多軸聯動放電加工過程進行精確控制，保證了榫槽切割加工的工藝一致性。

6.5 放電加工數控系統、集成技術

放電加工是一類非接觸式特種加工技術，需要工具電極與工件之間保持合適的放電間隙才能進行穩定的放電與可控的加工。與機械加工數控系統最大的區別在于放電加工數控系統需要進行工藝過程閉環控制，實現材料去除與進給之間的匹配。影響放電加工性能的因素很多，脈沖電源、工作液介質、環境溫度、機床精度與動態性能以及操作人員的經驗等。高精度的材料去除估計與加工進給的匹配，對于放電加工數控系統是最大的挑戰之一。上海交通大學開發了原創的編碼器/播放器架構，將各種復雜曲線運動軌跡用單位弧長增量法插補成為運動比特流，這種方式極大地簡化了數控系統的架構，得以對材料去除過程和加工放電狀態進行實時運動響應。隨著數控系統向分布式與集成化方向發展，EtherCAT、Ethernet POWERLINK 等數字總線通信標準在金屬切削機床得到了廣泛普及，具有該類接口的伺服電機、脈沖電源以及IO模塊在電加工數控系統中的應用也在提速，相關技術的應用將極大地提升產品的先進性、可靠性以及機床的加工精度、加工質量，同時大大簡化系統的連接，提升系統的整體抗干擾能力。該放電加工數控系統已成功應用于多軸聯動電火花線切割加工機床、多軸聯動電火花成形加工機床、多軸數控小孔高速電火花加工機床(圖18)、大型環形件小孔高速電火花加工機床、柔性工裝、激光測量機、微細電加工機床等。

圖18 七軸數控電火花小孔機床及大型環形件加工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測精度，傳統的辦法是根據經驗選取一個或者幾個“重要參數”進行大量的工藝實驗，然后形成“專家數據庫”進行工藝過程控制?？刂频男Ч槐M理想。機器學習等人工智能技術的應用為這一領域帶來了新的強有力工具。有別于傳統單純基于模型的制造過程控制，基于工藝大數據的工藝過程控制，將傳統工藝模型與人工智能技術有機結合，將產品一致性、可靠性、可追溯性提高了前所未有的水平。上海交通大學夏蔚文通過對小孔加工狀態數據進行實時采集，采用機器學習算法對加工狀態圖進行在線分類，實現了高可靠性的穿透檢測識別。

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品的加工效率、質量和產品的一致性，自動化、智能化技術在放電加工單元中的應用也在提速。以上海交通大學牽頭研制的國內首條航發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從測量、誤差校正、自適應制孔、氣膜孔加工到擴散口加工全面實現了全自動化。

就目前中國在智能制造領域的技術積累和成功案例，依靠自主技術實現放電加工單元的全數字化、自動化和智能化已經成為可能。利用先進的測量技術和誤差校正算法，可以節省大量費時費力的零件初始安裝找正過程；利用機器人實現工具和工件的自動交換、上下料，不僅可以大幅度降低工人的勞動強度，也可以實現無人值守情況下的自動化作業；利用先進的EMS系統可以實現作業的自動規劃和無人調度，隨時監控整體單元的運行狀態；應用機器學習等人工智能技術及智能控制方法，可以對工藝過程實施最優規劃和最優控制，在確保加工順利進行的前提下大大提高系統的生產效率；在工件的隨行工裝上安裝RFID芯片，對每個工件的加工過程進行數據采集和存儲，可以為后期的加工參數工藝優化和零件加工過程回溯提供可靠的依據。這些功能的實現都離不開全新數控系統的支持，上海交通大學經過十余年的持續開發和不斷實踐，已經推出完整的放電加工機床數控系統及其智能制造單元解決方案，并在實際生產中得到了有效驗證。

應用放電加工智能制造單元技術，可使生產過程的組織從孤立的單機設備，轉變為集成的智能制造成套設備，生產方式、作業環境、生產人員、工藝過程等加工要素實現全面的數字化，可以更好地應對先進的航空航天產品對制造系統的要求。工藝要素的全面數字化為系統優化的工藝流程提供基礎，同時依托裝備與系統解決方案提高了市場響應速度、提升了企業的核心競爭力。

7 總 結

近年來隨著中國航空航天領域的飛速發展，對先進材料和先進制造提出了越來越高的要求，不僅在技術能力方面，也在質量、效率、成本、壽命、安全、可靠性等方面都提出了更高的要求，包括放電加工在內的特種加工技術大有可為。放電加工技術與裝備的發展趨勢與方向主要為以下4個方面：

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

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

3) 自動化，放電加工系統中具有電極庫和工件庫，采用機械手或機器人進行工件和電極的自動交換，全自動完成整個加工過程，既提高了加工效率，也消除了人為出錯的可能。

4) 智能化，放電加工的智能化應能自動實現對加工環境中各種現象的智能感知，通過建立在工藝數據庫基礎上的專家系統，進行最優化的加工因素組合，實現加工目標。

中國在航空航天領域經過幾十年的努力，放電加工技術的應用水平也大大提高，未來不僅對單機裝備的工藝能力和水平，更對放電加工技術及裝備在數字化、自動化、智能化系統解決方案方面提出更高的要求。

放電加工技術在航空航天制造領域發揮著巨大作用，在新一代航空、航天技術的需求牽引下，必將帶動放電技術向更高的目標發展，因而也為中國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、精密與微細加工、加工工藝過程的智能感知和智能控制、工藝過程的數字化、自動化、智能化，測量、制造、檢驗一體化技術等都會成為放電加工在航空航天制造領域的重要發展方向。