航空发动机叶片气膜孔自动化生产的方法

张智斌

（上海交大智邦科技有限公司 上海 201306）

1 叶片的重要性

在航空发动机中机械和热负荷最大的是涡轮，而涡轮叶片的运行环境更为甚之。发动机运行过程中，涡轮叶片承受着燃料燃烧后产生的高压高温的冲击，因此叶片处于压力最繁杂、温度要求最高、运行环境最差的部位，被称为第一关键件。国家航空发动机工业水平的标志就是叶片的生产[1]。一个型号发动机的先进程度的标志是叶片的性能，特别是耐温性能。提升发动机性能重在提升其推重比，增加推重比关键是提升热效率，叶片的耐高温性能直接影响发动机核心性能指标[2]。

2 叶片气膜孔常用的加工工艺

几十到几百个气膜孔集中在叶片上，其孔径较小。叶片材料为单晶或定向结晶的镍基高温合金，机械钻孔无法加工。国内外主流气膜孔加工方法有：电火花加工、电液束加工和激光加工。

电火花加工，是由主轴带动中空电极旋转。电极端部和叶片之间施加脉冲电流，产生火花放电，其产生的高温导致工件局部发生气化、融化、爆炸。中空的电极内部有高压水喷出，高压水会将加工产物冲刷出加工区域，电火花放电能够稳定进行。这种方法加工速度快，深径比大，且重铸层小于2丝，满足所有发动机热端部件的质量要求。

电液束加工，使用玻璃管作电极，强酸做电解液，在小孔加工区域，施加高电压脉冲电流，通过化学反应的阳极氧化使得小孔区域不断被腐蚀脱落形成小孔[3]。这种方法表面质量好但是技术难度大，废液环保压力大。

激光加工，使用激光器发出高能光束，工件被照射部位瞬间融化气化产生小孔[4]。这种方法适用于大多数金属材料且没有易耗品，但是对于双层壁结构的工件背伤问题很难解决。

当前叶片生产，多以人工操作为主，而每个工人师傅的经验等各不相同，容易产生漏加工或加工超差等问题，叶片一致性较差，使得制造成本高，生产率低。航空发动机对叶片的质量要求极高，单孔加工超差都会导致整个工件报废，必须要“万无一失”。

3 自动化生产的关键技术

为了提高生产效率，为了叶片生产的一致性，需要采用自动化生产。叶片自动化生产，需要解决如下关键技术：

3.1 自动加工设备

采用五轴联动数控电火花打孔机床，用于气膜孔的加工。为了满足航发叶片自动化生产的功能需求，设备还要具备以下功能：

1)自动电极交换装置

电极夹持采用不锈钢气动刀柄和不锈钢夹头，预留电极更换接口。刀柄装夹电极的工作离线完成，使得换电极时间极大缩短，不占用加工循环节拍。与生产线中的机械臂相配合，从而实现产线式自动电极更换能力。

2)自动对刀功能

在自动化生产中，电火花设备需要能够根据检测系统的检测结果，自动找正工件位置，自动完成对刀操作，即检测到电极触碰到工件，实现快进和工进的切换。

3)自动导向交换装置

在一个工序的加工过程中，往往有几种孔径要求，常规是零件多次装夹，分几台设备加工不同的孔径。叶片自动加工设备需设计导向器自动更换装置，一次可换装多个导向器，满足不同孔径零件的一次装夹完成加工。

4)自动扶丝机构

需具备伸缩式自动扶丝机构。细小电极加工时，扶丝器可以通过编程控制扶稳电极，利于放电加工稳定性和孔径一致性。到达无需扶丝行程时自动收缩，不影响电极管正常使用。在机械臂更换工件过程中，不发生干涉。

5)穿透检测功能

当电极丝穿孔后，需要能够及时自动停止加工，防止电极丝将不应该加工的位置也进行加工。为了保证无意外发生，在允许的情况下，需要对每一个孔单独设置穿透参数及安全深度，以确保不出现零件的损毁。

6)电极修正功能

自动化生产中无人工监控电极丝状态，因此设备要具备电极自动修整功能，消除加工过程电极变尖、分岔、孔口歪斜等问题。

7)加工记录功能

系统对加工孔的坐标位置、放电参数、设定深度、穿透深度、孔深、电极消耗、加工时间、放电加工和穿透过程曲线进行记录，可以随时调用查看和分析加工质量与过程。可对数据进行分析，不断优化加工工艺参数。

8)故障报警

设备需要能够支持加工超时、电极余量、伺服异常、超行程等故障报警信息，显示屏、蜂鸣器和三色指示灯进行提醒，在加工日志中有故障完整记录，方便查阅。

9)水油处理功能

对于电火花小孔机，电火花加工过程中，需要去离子水的冲刷，设备需具备同时实现污水净化与去离子水处理，具有高度自动化和完善的保护机制，保证了精密加工的用水要求；对于电火花成型机，整个加工过程要浸在油中进行，需要能够完成对油温液面等的监控和过滤功能。

3.2 自动物流仓储

自动物流仓储系统，不仅能够充分地利用存储空间，而且可以为自动化生产线和人工操作区形成缓冲地带，实现二者之间时间匹配，达到最佳的生产效率。

自动物流系统，是根据管控系统的排产方案，从物料仓库中将叶片、各种型号电极等物料，运送至自动化生产线指定的上料位置，并且能够将空的托盘、装满成品工件的托盘、废的电极等物料，运送回物料仓库。工人在物料仓库中工作，不断地把毛坯件放入空托盘、更换电极托盘上的电极等，实现工件在生产线中自动化生产，人工在外围进行辅助操作的目的。常用的自动转运装置有RGV、AGV、IGV。RGV是指Rail Guided Vehicle，即有轨导引车，如图1所示。在车间里铺设导轨、导引线等，运货小车只能沿着指定轨迹运动，成本低，调试时间短，但是需要单独的空间供铺设导轨、导引线，否则容易受到行人干扰。AGV是指 Automated Guided Vehicle，即自动导引车，如图2所示。这种小车自身具有电磁或光学等自动导引装置，可以通过系统的设定完成运送目的，无需铺设导引线，具有自动避障等功能。IGV是指Intelligent Guided Vehicle，即智慧导引车，这种小车与AGV自动导引车相比，柔性化程度更高，在行进过程中不需要设定标记物，路径灵活多变，一般车间生产中尚未大量使用。

图1 有轨导引车

图2 自动导引车

自动化仓储，也叫立体仓库。普通的自动化物料仓库，人工在地面工作、安装工件、调试刀具等。动作完成后，自动转运装置接到指令后会将货物运走，人工再次重复工作，这期间会有人工等待或自动转运装置等待，影响自动化生产线的产能节拍。解决办法就是自动化仓储。自动化仓储在仓库的基础上，增加了控制系统记录仓库中各物品的摆放位置，另外配备堆垛机或搬运车等，实现仓库内物品的调度。人工完成的安装好的工件、调试好的刀具等，由自动仓储系统运走，进入仓库中并在系统中记录下位置信息和物品信息。当需要该类型物品时，自动仓储系统从指定位置取出物品，放置到自动仓储系统出口，由与之相对接的转运系统运送到自动化生产线的指定位置，也可由特定的输送辊道等方式进行运送，实现人工和自动化产线的无缝衔接。

3.3 自动上下料系统

自动化生产线，各个加工设备都需要能够自动上下料，上下料的情况可分为两种：

一种为人工在生产线上料区进行上料，在下料区进行下料。人工在上料缓存上摆满毛坯工件，由天轨/地轨机器人、桁架机械手等自动化设备从缓存的固定位置上抓取工件，不断地送到各个加工设备，并在程序指令的控制下，与加工设备形成信息交互，完成设备的自动上下料。这种情况下，需要独立的人不断地在上料区为缓存摆放毛坯工件，且缓存装置需要具备足够的安全策略，防止人员在上下料过程中发生意外事故。

另一种为无人工参与上下料。在料车中，毛坯工件可以整齐按要求摆放，也可以随意摆放。若工件整齐摆放已经可以满足抓取要求，则为较好的处理办法；否则，则需要机器视觉、图像算法、激光扫描等技术，先对来料毛坯以及料车进行识别，计算出所需抓取的工件在指定坐标系下的位置，然后由与之相关联的多自由度机器人配备专用的抓取工装，实现对毛坯工件的抓取。机器人将工件抓起后，会按照指定程序，放置到自动产线的夹具上，再由产线中的自动化设备完成工件的加工流转。

若毛坯工件种类较多，或者工件在设备上的定位精度要求较高时，单独由机器人或桁架机械手等设备完成工件上下料将无法满足使用要求。此时，需使用零点快换系统。零点快换可以快速完成设备上工件的更换，极大缩短更换工件、定位工件、夹紧工件的时间，利于移动精度低的自动化设备集成。常见的零点快换模块有两种，一种是定位套和拉钉组合，如图3所示，一种是定位环和涨紧头组合，如图4所示。两种形式，原理相同，定位套或定位环固定安装，都是靠定位套或定位环的高精度，实现与之相配合的拉钉或涨紧头的位置精度，起到快速更换工件或夹具等目的。

图3 定位套和拉钉图

图4 定位环和涨紧头图

4 追溯系统

自动化产线的产品，需要在产线控制系统中记录下各个工件的生产信息，如产品加工过程中的生产参数，尺寸结果，前序设备，后序装配体，最终产品代码等信息。这些信息的建立，不仅能够在发生残次品时及时了解各设备的运行状况，进行相应的保养、维修，而且能够不断优化加工参数，优化加工工艺，在生产中逐渐提高产品质量，提高一致性等。

追溯系统，就是为每一个工件建立独立的身份信息，在生产装配过程中，将各种检测到的信息与该身份信息进行绑定，并辅以时间轴。当需要查询工件信息时，只需输入工件的身份信息，则该工件整个制造周期中的所有数据都能够提取出来供分析计算。追溯系统目前已被各行各业应用。

身份信息的建立，要尽量在工件上线后就建立，这样可以记录尽可能多的有用信息。身份信息需贯穿整个生命周期，需要和工件实体绑定在一起，生产过程中不能发生混乱。常用的办法有在工件上刻印二维码、条形码等，或在工件的夹具上安装RFID芯片进行记录。

身份信息必须是独一无二的，即使同一批次同一种型号的工件，其身份信息也是各不相同的。身份信息的建立灵活多样，可以加入日期、时间、批次号、铸造号、产品型号等信息，即使是序列号也是可行的方法。

5 自动检测

叶片加工完成后，需要自动检测叶片的质量。目前叶片上气膜孔的数量非常多，质量检验依靠人工通过定制的塞规等检具对孔进行检验。几百上千的孔集中在体积不大的叶片上，人工检验不但效率低，而且很容易出现漏检或错检的现象[5]。提高航发叶片的生产效率，则必须要提高叶片的检验效率和检验的可靠性稳定性，实现自动检验。

目前针对航发叶片的气膜孔检验，有不少方法，而且也都有不错的效果。喷液检验法，将特定的液体介质，给予特定的压力，通入到叶片腔体内，然后通过各种手段，如视觉检测等，监测叶片表面液体介质的喷射情况，达到气膜孔的检测目的；视觉检测法[6]，选用高定位精度的转台，使用高质量的图像采集装置，三坐标测量机的结构框架，将视觉检测和三坐标测量相结合，利用景深合成技术，以实现对叶片气膜孔的检测目的；固化测量法，在涡轮叶片的气膜孔和表面涂上树脂，待其固化后进行切割，将取下的块进行拼接后按照实体测量方法进行测量；单孔探入法，使用极小的测头如光纤等，探入孔中进行测量，也可以用以上方法进行组合测量。

自动测量结束后，根据测量结果，若为合格零件，进入成品下料区；若为不合格零件，则由自动化设备将其存放到废料区或二次加工区。研究废料区的工件，追溯其加工过程信息，查找报废原因，调整工艺参数，降低废品率。需要二次加工的零件，可以由自动化设备自动进行二次加工，加工后再次进行测量，也可以由人工拿取后进行二次加工。

6 结语

在解决了文中提及的关键技术后，完成了航发叶片的自动化生产线的建立。建立整个产线的MES制造管理系统用于控制各单元之间的信息交互和流转控制。该项目中采用了零点快换系统保证叶片在打孔机和检测机上的安装精度，由线下人工将工件固定在零点快换系统的夹具上，自动流转进入物流仓储系统。为了产线智能化柔性化，采用AGV小车将毛坯工件、电极运送到产线上料站。然后由地轨机器人从上料站抓取工件，送入五轴联动数控电火花机中进行打孔。打孔完成后，地轨机器人取出工件送入质量检测机进行气膜孔的检验。若合格，则由机器人放入下料托盘；若不合格，则根据检测结果放入废料框或二次加工料框中。根据程序的设定，可以由产线自动进行二次加工，也可由人工进行二次加工。采用RFID芯片进行信息追溯。在人工将工件固定在零点快换系统上时，人工将扫描夹具上的RFID芯片，将扫描结果和工件上的批次码进行绑定，形成身份信息。人工只需扫描工件夹具上的追溯信息，即可在屏幕上显示该零件的加工信息、检测报告等。