曹培堯，姚 堯，崔英杰，佟 浩，李 勇，李寶泉

（1. 清華大學(xué)機(jī)械工程系，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；2. 無錫微研精微機(jī)械技術(shù)有限公司，江蘇無錫 214013）

為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的性能，燃燒室溫度不斷提升， 渦輪前進(jìn)氣口溫度也在不斷增加。為使熱端葉片適應(yīng)高溫苛刻工作環(huán)境，除采用高溫合金葉片材料之外，氣膜冷卻技術(shù)是另一提升葉片耐熱性能的有效途徑[1]，在葉片上分布的氣膜冷卻孔點(diǎn)位與偏擺角度影響著氣膜覆蓋和射流軌跡，決定了冷卻效果。 帶有擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻孔在出口擴(kuò)張，有利于提高冷卻效率。

帶有擴(kuò)散結(jié)構(gòu)氣膜冷卻孔的加工方法主要包括電火花成形加工[2]和電火花掃描銑削加工[3]。 電火花成形加工所用成形電極在邊角處損耗嚴(yán)重，加工出的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸偏離預(yù)期形狀，需換用圓柱電極加工同一個(gè)氣膜冷卻孔的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)和圓直孔結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生二次裝夾誤差。 電火花掃描銑削加工采取一定的圓柱電極端面損耗補(bǔ)償策略，可保證擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的形狀精度，實(shí)現(xiàn)同一電極、單次裝夾的批量化加工擴(kuò)散孔段與圓直孔段，更具工藝優(yōu)勢(shì)。

單個(gè)渦輪葉片上的氣膜冷卻孔數(shù)量高達(dá)幾十到上百個(gè)，且形狀、大小、位置不一，常常通過成形電極塊反拷的方式，人工編制每個(gè)氣膜冷卻孔掃描加工軌跡的NC 代碼。 由于同種成形電極在葉片型面上每個(gè)孔加工位置的嵌入深度、 偏移角度均不同，造成每個(gè)孔的加工深度和加工邊界均不同。 人工逐一調(diào)整每個(gè)孔的反拷深度和角度并修改相應(yīng)NC 代碼的工作量大且耗時(shí)，容易出錯(cuò)，不利于實(shí)現(xiàn)批量化連續(xù)加工。

本研究基于UG NX 軟件的二次開發(fā)， 提取渦輪葉片三維設(shè)計(jì)模型中氣膜冷卻孔的空間點(diǎn)位與偏角，進(jìn)行葉片工件坐標(biāo)變換與位姿調(diào)整，規(guī)劃針對(duì)不同規(guī)格氣膜冷卻孔的通用擴(kuò)散孔與圓直孔組合的電火花掃描加工軌跡，形成一套電火花掃描加工NC 代碼自動(dòng)化生成軟件包， 并在氣膜冷卻孔電火花加工裝備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 氣膜冷卻孔加工坐標(biāo)提取

1.1 孔軸方位與加工點(diǎn)位

對(duì)于UG NX 三維葉片模型， 能夠通過UG NX二次開發(fā)流程，如圖1 所示，應(yīng)用豐富的應(yīng)用程序接口（application programming interface，API），對(duì)葉片模型進(jìn)行自動(dòng)化的特征操作， 創(chuàng)建自定義插件、腳本和宏，滿足特定的氣膜冷卻孔幾何與坐標(biāo)數(shù)據(jù)分析、管理需求。

圖1 基于UG NX 的二次開發(fā)流程

帶有擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻孔包括異形孔段和圓直孔段，其中的異形孔段在三維模型中由異形塊與葉片型面相交去除得到，如圖2 所示。 為獲取氣膜冷卻孔軸線所在方向向量與加工定位點(diǎn)，首先通過異形塊與葉片型面交線，用光順曲面擬合得到已被去除的部分型面；提取圓直孔段的中心軸線作為氣膜冷卻孔軸線。 為區(qū)分復(fù)雜葉片型面的內(nèi)部與外部，定義孔軸線向量由內(nèi)部指向外部，即向量起點(diǎn)為圓直孔段的中心點(diǎn)So，終點(diǎn)為孔軸線與擬合型面的交點(diǎn)Sf。Sf即為該氣膜冷卻孔的加工定位點(diǎn)。

圖2 孔軸方位與加工點(diǎn)位提取

1.2 坐標(biāo)系配準(zhǔn)

由于參考對(duì)象不同，所提取的氣膜冷卻孔的加工定位點(diǎn)是在葉片工件坐標(biāo)系下的。 為提高定位與加工精度，需對(duì)工件坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系和主軸坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)，如圖3 所示。 其中，葉片工件由標(biāo)準(zhǔn)3R 夾具裝夾，安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心上方。因此，為便于工件坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的先配準(zhǔn)，將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)調(diào)整至3R 夾具中心，XY軸分別與3R 夾具臨邊平行，如圖4 所示，此時(shí)工件坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在同一豎直線上。

圖3 三坐標(biāo)系配準(zhǔn)

圖4 工件坐標(biāo)系調(diào)整

三坐標(biāo)系的配準(zhǔn)可通過在氣膜孔電火花加工機(jī)床上多點(diǎn)電接觸對(duì)刀方式在線完成，無需配置額外的測(cè)量頭，如圖5 所示。 在轉(zhuǎn)臺(tái)C軸旋轉(zhuǎn)過程中，通過標(biāo)準(zhǔn)塊的多點(diǎn)電接觸對(duì)刀，調(diào)整工件坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的X、Y軸平行（點(diǎn)1、2、3、4）、主軸坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在同一豎直線上（點(diǎn)5、6、7、8），如圖5a 所示。通過轉(zhuǎn)臺(tái)B軸旋轉(zhuǎn)90°，多點(diǎn)電接觸對(duì)刀得到三坐標(biāo)系原點(diǎn)在Z向的相對(duì)距離S1、S2，如圖5b 所示，完成三坐標(biāo)系的配準(zhǔn)。

圖5 多點(diǎn)電接觸對(duì)刀配準(zhǔn)三坐標(biāo)系

1.3 位姿調(diào)整與坐標(biāo)變換

在得到主軸坐標(biāo)系下的氣膜冷卻孔加工定位點(diǎn)坐標(biāo)后， 由于機(jī)床主軸只能夾持工具電極進(jìn)行Z向進(jìn)給放電加工，因此需要轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)調(diào)整孔軸線至豎直加工位置，如圖6 所示。 首先將C軸旋轉(zhuǎn)γ 度，使孔軸線向量η（i，j，k） 處于-XZ面內(nèi)，指向X軸負(fù)向。 推導(dǎo)公式如下：

圖6 葉片位姿調(diào)整

接著將B軸旋轉(zhuǎn)β 度，使η 與Z軸平行，指向Z軸正向：

0＜β＜180°，符合轉(zhuǎn)臺(tái)B軸的極限擺動(dòng)角度。

式（1）和式（2）適用于大多數(shù)情況，如圖7a 所示，為防止順次加工氣膜冷卻孔時(shí)葉片突然反向轉(zhuǎn)動(dòng)而造成的型面與工具電極的干涉， 即γ＜0 的情況，如圖7b 所示，此時(shí)輸出C軸轉(zhuǎn)角γ′=360°+γ。

圖7 不同方位向量調(diào)整過程

兩次擺動(dòng)后，用歐拉法計(jì)算變換后的實(shí)際加工坐標(biāo)值。 若定位點(diǎn)坐標(biāo)在工件坐標(biāo)系中為（x，y，z），在轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系中為（x，y，z+S1），經(jīng)坐標(biāo)變換后為（x′，y′，z′）：

式中：

需要將轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值（x′，y′，z′）轉(zhuǎn)換為機(jī)床主軸坐標(biāo)系下的最終坐標(biāo)值（圖8），為（-x′,-y′,z_trans），其中z_trans=-（S1+S2-z′）。

圖8 Z 向坐標(biāo)變換

2 氣膜冷卻孔數(shù)控加工代碼生成

2.1 擴(kuò)散孔結(jié)構(gòu)信息提取

通過間隔創(chuàng)建剖切面的方式，獲取擴(kuò)散孔結(jié)構(gòu)信息，作為電火花掃描加工軌跡提取的基礎(chǔ)，如圖9所示。 首先從擴(kuò)散孔與圓直孔相接點(diǎn)C1處始，垂直于孔軸向量A 創(chuàng)建基準(zhǔn)面Pi（i=0），獲取Pi與擴(kuò)散孔面S2的交線LC。 若LC不存在，則為最頂層；否則令i=i+1， 依次在間隔Δl處偏置點(diǎn)C1為點(diǎn)Ci+1=C1+iα，其中偏置向量α=A/|A|·Δl，通過Ci+1依次創(chuàng)建基準(zhǔn)面Pi及其與S2的交線LC。設(shè)離散點(diǎn)間距為Nd，在每層LC的{0，Nd，2Nd，3Nd，…，1}長(zhǎng)度處依次構(gòu)建點(diǎn)陣列，即可實(shí)現(xiàn)循環(huán)提取每層軌跡點(diǎn)坐標(biāo)。

圖9 擴(kuò)散孔結(jié)構(gòu)信息提取

上述方法開放了軌跡點(diǎn)間距、層間距的參數(shù)設(shè)定，相當(dāng)于自由設(shè)計(jì)插補(bǔ)精度，提高了代碼使用的靈活性，如圖10 所示。

圖10 離散點(diǎn)提取結(jié)果

2.2 工具電極半徑與放電間隙補(bǔ)償

由于工具電極半徑及放電具有一定間隙，若直接按照上述軌跡進(jìn)行掃描加工，與實(shí)際氣膜冷卻孔輪廓不重合，因此需要補(bǔ)償，如圖11 所示。 創(chuàng)建每層基準(zhǔn)面Pi與孔軸向量A 的交點(diǎn)Di， 將原軌跡點(diǎn)Eij朝向量Di-Eij移動(dòng)一個(gè)補(bǔ)償距離Rc，則補(bǔ)償后的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)Eij′=Eij+ （Di-Eij） / |Di-Eij|·Rc。

圖11 工具電極半徑與放電間隙補(bǔ)償方法

由于擴(kuò)散結(jié)構(gòu)形狀會(huì)逐層收縮至與圓直孔半徑一致，如圖12 所示，若按照第2.1 節(jié)所述邊緣輪廓逐層向下掃描加工，則孔中心處材料會(huì)依靠工具電極側(cè)面放電而自動(dòng)去除。 這與常規(guī)型腔銑削加工的走刀軌跡規(guī)劃不同，無需考慮擴(kuò)散結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料去除的問題。

圖12 補(bǔ)償前后示意圖

2.3 掃描加工軌跡優(yōu)化

在得到每一層的掃描加工軌跡后，需要考慮層與層之間電極的運(yùn)動(dòng)軌跡。 設(shè)計(jì)層間過渡軌跡如圖13 所示。首先判斷本層（第n層）是“開放”或“閉合”軌跡。 定義開放軌跡為：起始點(diǎn)與終止點(diǎn)間距大于設(shè)定閾值；則閉合軌跡為：起始點(diǎn)與終止點(diǎn)間距小于設(shè)定閾值。若是開放的，取該層軌跡兩個(gè)端點(diǎn)Gn、Fn中距離上一層（第n+1 層）的終點(diǎn)Gn+1（或Hn+1）最近的點(diǎn)Fn作為起點(diǎn)，另一點(diǎn)Gn作為該層的終點(diǎn)，中間的點(diǎn)坐標(biāo)順次輸出。 若是閉合的，取該層軌跡中所有點(diǎn)與上一層（第n+1 層）的終點(diǎn)Gn+1（或Hn+1）距離最近的點(diǎn)Hn，作為該層的起點(diǎn)/終點(diǎn)，其余點(diǎn)順次輸出，輸出順序與上一層（第n+1 層）的方向（順時(shí)針/逆時(shí)針）相同。

圖13 掃描軌跡規(guī)劃方法

上述設(shè)計(jì)的掃描軌跡適用于不同形狀、規(guī)格的氣膜冷卻孔加工，如圖14 所示，不僅能夠避免工具電極的空走位，也避免了葉片毛坯件上同一位置的反復(fù)走位加工。

圖14 掃描軌跡仿真

3 氣膜冷卻孔電火花加工實(shí)驗(yàn)

3.1 擴(kuò)散孔與圓直孔順序加工工藝

本研究采用軌跡分層的電火花掃描加工工藝，在采用同一工具電極單次裝夾的條件下，完成擴(kuò)散孔與圓直孔的順序加工，如圖15 所示。 旋轉(zhuǎn)的工具電極為中空管電極，采用內(nèi)外復(fù)合沖液方式[4]，提高排屑效果。 首先，控制工具電極沿孔軸線方向慢速進(jìn)給，進(jìn)行葉片型面上的低壓電接觸對(duì)刀，確定加工零位。 接著，將工具電極抬升至初始加工平面，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層向下伺服掃描加工擴(kuò)散孔，直至擴(kuò)散孔與圓直孔的接合面。 最后，工具電極在原位沿孔軸線進(jìn)行負(fù)極性修絲與正極性打孔加工過程。

圖15 擴(kuò)散孔與圓直孔順序加工工藝

在掃描加工擴(kuò)散孔過程中，通過間隙伺服控制能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償工具電極損耗。 由于工具電極末端實(shí)時(shí)跟隨葉片工件表面以保持放電間隙， 這里采用“層深約束算法” 防止原始葉片工件表面的形狀誤差逐層累積、復(fù)制到加工后的葉片工件表面[5]，如圖16 所示。

圖16 層深約束算法

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氣膜冷卻孔電火花加工裝備如圖17 所示[6]，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。 采用激光選區(qū)熔化 （selective laser melting，SLM） 的增材制造技術(shù)獲得渦輪葉片毛坯（材料：不銹鋼316L，精度：±200 μm），如圖18 所示，作為樣件進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖17 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖18 渦輪葉片毛坯樣件

用戶在UG NX 二次開發(fā)軟件界面上選中所要加工的氣膜冷卻孔特征后，軟件輸出每個(gè)孔的軌跡文件（.nc），自動(dòng)讀取至上位機(jī)加工程序中，如圖19所示。 程序載入第一個(gè)孔的加工程序，各軸運(yùn)動(dòng)至該孔定位點(diǎn)坐標(biāo)（-x′，-y′，z_trans+Δ， β，γ），其中Z向增量Δ 起到防止葉片型面誤差導(dǎo)致的工具電極碰撞的作用；Z向電接觸對(duì)刀至實(shí)際型面上的定位點(diǎn)，上移至第2 節(jié)所述第一基準(zhǔn)面層后，逐層向下掃描加工；掃描程序執(zhí)行完畢，各軸回到該孔的初始定位點(diǎn)，運(yùn)行單圓孔加工程序，完成第一個(gè)孔的加工。 繼續(xù)載入第二個(gè)孔的加工程序，以此類推，除了圓直孔直徑改變、工具電極損耗完畢的情況需要更換新電極之外，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)葉片上全部氣膜冷卻孔的一次性自動(dòng)化加工。

3.3 初步試驗(yàn)驗(yàn)證

氣膜加工結(jié)果如圖20 所示， 平均單孔加工時(shí)間＜150 s。 由于本文針對(duì)氣膜冷卻孔加工位置與形狀的精度控制研究， 需要對(duì)孔位與孔形進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證本文所提方案的正確性。 然而，由于孔形、孔位尺寸的符合性檢測(cè)難度較大[7]，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)定更高加工精度要求的氣膜冷卻孔，需要引入三維光學(xué)掃描與工業(yè)CT 檢測(cè)的圖像處理技術(shù)， 將測(cè)量點(diǎn)云與三維設(shè)計(jì)模型配準(zhǔn)，得到葉片型面內(nèi)部加工孔軸的偏移量，進(jìn)行誤差分析。 本文暫不深入探討此問題，留待將來予以研究，這里僅通過圖像對(duì)比法進(jìn)行驗(yàn)證，基本滿足預(yù)設(shè)精度要求。

圖20 加工效果

4 結(jié)論

本研究基于UG NX 的二次開發(fā)， 開發(fā)了一套自動(dòng)化提取渦輪葉片三維設(shè)計(jì)模型上氣膜冷卻孔的加工信息并自動(dòng)化生成NC 加工代碼算法和實(shí)現(xiàn)軟件，通過電火花掃描加工擴(kuò)散孔與圓直孔的組合工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法及軟件的實(shí)用性。

該軟件集成了氣膜冷卻孔孔軸偏角與加工點(diǎn)位的自動(dòng)提取、不同坐標(biāo)系的適應(yīng)性配準(zhǔn)、葉片位姿調(diào)整偏角與變換坐標(biāo)值的自動(dòng)輸出、分層獲取擴(kuò)散孔結(jié)構(gòu)與圓直孔深度信息、自動(dòng)補(bǔ)償工具電極半徑與放電間隙、優(yōu)化掃描加工軌跡等功能，無需人工逐一編寫每個(gè)孔的數(shù)控加工代碼，適用于不同規(guī)格渦輪葉片上不同類型氣膜冷卻孔的整體、一次性掃描加工，具有通用性，操作方便。

基于渦輪葉片三維模型的氣膜冷卻孔定位加工方法會(huì)受制于渦輪葉片型面鑄造誤差、榫頭加工精度的影響， 對(duì)于精度驗(yàn)收要求更高的型號(hào)葉片，未來將結(jié)合激光掃描、點(diǎn)云配準(zhǔn)[8-9]等誤差補(bǔ)償方法予以改進(jìn)。