航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜孔自動(dòng)化生產(chǎn)的方法

張智斌

（上海交大智邦科技有限公司 上海 201306）

1 葉片的重要性

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中機(jī)械和熱負(fù)荷最大的是渦輪，而渦輪葉片的運(yùn)行環(huán)境更為甚之。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，渦輪葉片承受著燃料燃燒后產(chǎn)生的高壓高溫的沖擊，因此葉片處于壓力最繁雜、溫度要求最高、運(yùn)行環(huán)境最差的部位，被稱為第一關(guān)鍵件。國家航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)水平的標(biāo)志就是葉片的生產(chǎn)[1]。一個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)程度的標(biāo)志是葉片的性能，特別是耐溫性能。提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能重在提升其推重比，增加推重比關(guān)鍵是提升熱效率，葉片的耐高溫性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)核心性能指標(biāo)[2]。

2 葉片氣膜孔常用的加工工藝

幾十到幾百個(gè)氣膜孔集中在葉片上，其孔徑較小。葉片材料為單晶或定向結(jié)晶的鎳基高溫合金，機(jī)械鉆孔無法加工。國內(nèi)外主流氣膜孔加工方法有：電火花加工、電液束加工和激光加工。

電火花加工，是由主軸帶動(dòng)中空電極旋轉(zhuǎn)。電極端部和葉片之間施加脈沖電流，產(chǎn)生火花放電，其產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致工件局部發(fā)生氣化、融化、爆炸。中空的電極內(nèi)部有高壓水噴出，高壓水會(huì)將加工產(chǎn)物沖刷出加工區(qū)域，電火花放電能夠穩(wěn)定進(jìn)行。這種方法加工速度快，深徑比大，且重鑄層小于2絲，滿足所有發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的質(zhì)量要求。

電液束加工，使用玻璃管作電極，強(qiáng)酸做電解液，在小孔加工區(qū)域，施加高電壓脈沖電流，通過化學(xué)反應(yīng)的陽極氧化使得小孔區(qū)域不斷被腐蝕脫落形成小孔[3]。這種方法表面質(zhì)量好但是技術(shù)難度大，廢液環(huán)保壓力大。

激光加工，使用激光器發(fā)出高能光束，工件被照射部位瞬間融化氣化產(chǎn)生小孔[4]。這種方法適用于大多數(shù)金屬材料且沒有易耗品，但是對(duì)于雙層壁結(jié)構(gòu)的工件背傷問題很難解決。

當(dāng)前葉片生產(chǎn)，多以人工操作為主，而每個(gè)工人師傅的經(jīng)驗(yàn)等各不相同，容易產(chǎn)生漏加工或加工超差等問題，葉片一致性較差，使得制造成本高，生產(chǎn)率低。航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片的質(zhì)量要求極高，單孔加工超差都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工件報(bào)廢，必須要“萬無一失”。

3 自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)

為了提高生產(chǎn)效率，為了葉片生產(chǎn)的一致性，需要采用自動(dòng)化生產(chǎn)。葉片自動(dòng)化生產(chǎn)，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 自動(dòng)加工設(shè)備

采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花打孔機(jī)床，用于氣膜孔的加工。為了滿足航發(fā)葉片自動(dòng)化生產(chǎn)的功能需求，設(shè)備還要具備以下功能：

1)自動(dòng)電極交換裝置

電極夾持采用不銹鋼氣動(dòng)刀柄和不銹鋼夾頭，預(yù)留電極更換接口。刀柄裝夾電極的工作離線完成，使得換電極時(shí)間極大縮短，不占用加工循環(huán)節(jié)拍。與生產(chǎn)線中的機(jī)械臂相配合，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線式自動(dòng)電極更換能力。

2)自動(dòng)對(duì)刀功能

在自動(dòng)化生產(chǎn)中，電火花設(shè)備需要能夠根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)找正工件位置，自動(dòng)完成對(duì)刀操作，即檢測(cè)到電極觸碰到工件，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)和工進(jìn)的切換。

3)自動(dòng)導(dǎo)向交換裝置

在一個(gè)工序的加工過程中，往往有幾種孔徑要求，常規(guī)是零件多次裝夾，分幾臺(tái)設(shè)備加工不同的孔徑。葉片自動(dòng)加工設(shè)備需設(shè)計(jì)導(dǎo)向器自動(dòng)更換裝置，一次可換裝多個(gè)導(dǎo)向器，滿足不同孔徑零件的一次裝夾完成加工。

4)自動(dòng)扶絲機(jī)構(gòu)

需具備伸縮式自動(dòng)扶絲機(jī)構(gòu)。細(xì)小電極加工時(shí)，扶絲器可以通過編程控制扶穩(wěn)電極，利于放電加工穩(wěn)定性和孔徑一致性。到達(dá)無需扶絲行程時(shí)自動(dòng)收縮，不影響電極管正常使用。在機(jī)械臂更換工件過程中，不發(fā)生干涉。

5)穿透檢測(cè)功能

當(dāng)電極絲穿孔后，需要能夠及時(shí)自動(dòng)停止加工，防止電極絲將不應(yīng)該加工的位置也進(jìn)行加工。為了保證無意外發(fā)生，在允許的情況下，需要對(duì)每一個(gè)孔單獨(dú)設(shè)置穿透參數(shù)及安全深度，以確保不出現(xiàn)零件的損毀。

6)電極修正功能

自動(dòng)化生產(chǎn)中無人工監(jiān)控電極絲狀態(tài)，因此設(shè)備要具備電極自動(dòng)修整功能，消除加工過程電極變尖、分岔、孔口歪斜等問題。

7)加工記錄功能

系統(tǒng)對(duì)加工孔的坐標(biāo)位置、放電參數(shù)、設(shè)定深度、穿透深度、孔深、電極消耗、加工時(shí)間、放電加工和穿透過程曲線進(jìn)行記錄，可以隨時(shí)調(diào)用查看和分析加工質(zhì)量與過程?？蓪?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷優(yōu)化加工工藝參數(shù)。

8)故障報(bào)警

設(shè)備需要能夠支持加工超時(shí)、電極余量、伺服異常、超行程等故障報(bào)警信息，顯示屏、蜂鳴器和三色指示燈進(jìn)行提醒，在加工日志中有故障完整記錄，方便查閱。

9)水油處理功能

對(duì)于電火花小孔機(jī)，電火花加工過程中，需要去離子水的沖刷，設(shè)備需具備同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水凈化與去離子水處理，具有高度自動(dòng)化和完善的保護(hù)機(jī)制，保證了精密加工的用水要求；對(duì)于電火花成型機(jī)，整個(gè)加工過程要浸在油中進(jìn)行，需要能夠完成對(duì)油溫液面等的監(jiān)控和過濾功能。

3.2 自動(dòng)物流倉儲(chǔ)

自動(dòng)物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)，不僅能夠充分地利用存儲(chǔ)空間，而且可以為自動(dòng)化生產(chǎn)線和人工操作區(qū)形成緩沖地帶，實(shí)現(xiàn)二者之間時(shí)間匹配，達(dá)到最佳的生產(chǎn)效率。

自動(dòng)物流系統(tǒng)，是根據(jù)管控系統(tǒng)的排產(chǎn)方案，從物料倉庫中將葉片、各種型號(hào)電極等物料，運(yùn)送至自動(dòng)化生產(chǎn)線指定的上料位置，并且能夠?qū)⒖盏耐斜P、裝滿成品工件的托盤、廢的電極等物料，運(yùn)送回物料倉庫。工人在物料倉庫中工作，不斷地把毛坯件放入空托盤、更換電極托盤上的電極等，實(shí)現(xiàn)工件在生產(chǎn)線中自動(dòng)化生產(chǎn)，人工在外圍進(jìn)行輔助操作的目的。常用的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置有RGV、AGV、IGV。RGV是指Rail Guided Vehicle，即有軌導(dǎo)引車，如圖1所示。在車間里鋪設(shè)導(dǎo)軌、導(dǎo)引線等，運(yùn)貨小車只能沿著指定軌跡運(yùn)動(dòng)，成本低，調(diào)試時(shí)間短，但是需要單獨(dú)的空間供鋪設(shè)導(dǎo)軌、導(dǎo)引線，否則容易受到行人干擾。AGV是指 Automated Guided Vehicle，即自動(dòng)導(dǎo)引車，如圖2所示。這種小車自身具有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，可以通過系統(tǒng)的設(shè)定完成運(yùn)送目的，無需鋪設(shè)導(dǎo)引線，具有自動(dòng)避障等功能。IGV是指Intelligent Guided Vehicle，即智慧導(dǎo)引車，這種小車與AGV自動(dòng)導(dǎo)引車相比，柔性化程度更高，在行進(jìn)過程中不需要設(shè)定標(biāo)記物，路徑靈活多變，一般車間生產(chǎn)中尚未大量使用。

圖1 有軌導(dǎo)引車

圖2 自動(dòng)導(dǎo)引車

自動(dòng)化倉儲(chǔ)，也叫立體倉庫。普通的自動(dòng)化物料倉庫，人工在地面工作、安裝工件、調(diào)試刀具等。動(dòng)作完成后，自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接到指令后會(huì)將貨物運(yùn)走，人工再次重復(fù)工作，這期間會(huì)有人工等待或自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置等待，影響自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)能節(jié)拍。解決辦法就是自動(dòng)化倉儲(chǔ)。自動(dòng)化倉儲(chǔ)在倉庫的基礎(chǔ)上，增加了控制系統(tǒng)記錄倉庫中各物品的擺放位置，另外配備堆垛機(jī)或搬運(yùn)車等，實(shí)現(xiàn)倉庫內(nèi)物品的調(diào)度。人工完成的安裝好的工件、調(diào)試好的刀具等，由自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)走，進(jìn)入倉庫中并在系統(tǒng)中記錄下位置信息和物品信息。當(dāng)需要該類型物品時(shí)，自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)從指定位置取出物品，放置到自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)出口，由與之相對(duì)接的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)送到自動(dòng)化生產(chǎn)線的指定位置，也可由特定的輸送輥道等方式進(jìn)行運(yùn)送，實(shí)現(xiàn)人工和自動(dòng)化產(chǎn)線的無縫銜接。

3.3 自動(dòng)上下料系統(tǒng)

自動(dòng)化生產(chǎn)線，各個(gè)加工設(shè)備都需要能夠自動(dòng)上下料，上下料的情況可分為兩種：

一種為人工在生產(chǎn)線上料區(qū)進(jìn)行上料，在下料區(qū)進(jìn)行下料。人工在上料緩存上擺滿毛坯工件，由天軌/地軌機(jī)器人、桁架機(jī)械手等自動(dòng)化設(shè)備從緩存的固定位置上抓取工件，不斷地送到各個(gè)加工設(shè)備，并在程序指令的控制下，與加工設(shè)備形成信息交互，完成設(shè)備的自動(dòng)上下料。這種情況下，需要獨(dú)立的人不斷地在上料區(qū)為緩存擺放毛坯工件，且緩存裝置需要具備足夠的安全策略，防止人員在上下料過程中發(fā)生意外事故。

另一種為無人工參與上下料。在料車中，毛坯工件可以整齊按要求擺放，也可以隨意擺放。若工件整齊擺放已經(jīng)可以滿足抓取要求，則為較好的處理辦法；否則，則需要機(jī)器視覺、圖像算法、激光掃描等技術(shù)，先對(duì)來料毛坯以及料車進(jìn)行識(shí)別，計(jì)算出所需抓取的工件在指定坐標(biāo)系下的位置，然后由與之相關(guān)聯(lián)的多自由度機(jī)器人配備專用的抓取工裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯工件的抓取。機(jī)器人將工件抓起后，會(huì)按照指定程序，放置到自動(dòng)產(chǎn)線的夾具上，再由產(chǎn)線中的自動(dòng)化設(shè)備完成工件的加工流轉(zhuǎn)。

若毛坯工件種類較多，或者工件在設(shè)備上的定位精度要求較高時(shí)，單獨(dú)由機(jī)器人或桁架機(jī)械手等設(shè)備完成工件上下料將無法滿足使用要求。此時(shí)，需使用零點(diǎn)快換系統(tǒng)。零點(diǎn)快換可以快速完成設(shè)備上工件的更換，極大縮短更換工件、定位工件、夾緊工件的時(shí)間，利于移動(dòng)精度低的自動(dòng)化設(shè)備集成。常見的零點(diǎn)快換模塊有兩種，一種是定位套和拉釘組合，如圖3所示，一種是定位環(huán)和漲緊頭組合，如圖4所示。兩種形式，原理相同，定位套或定位環(huán)固定安裝，都是靠定位套或定位環(huán)的高精度，實(shí)現(xiàn)與之相配合的拉釘或漲緊頭的位置精度，起到快速更換工件或夾具等目的。

圖3 定位套和拉釘圖

圖4 定位環(huán)和漲緊頭圖

4 追溯系統(tǒng)

自動(dòng)化產(chǎn)線的產(chǎn)品，需要在產(chǎn)線控制系統(tǒng)中記錄下各個(gè)工件的生產(chǎn)信息，如產(chǎn)品加工過程中的生產(chǎn)參數(shù)，尺寸結(jié)果，前序設(shè)備，后序裝配體，最終產(chǎn)品代碼等信息。這些信息的建立，不僅能夠在發(fā)生殘次品時(shí)及時(shí)了解各設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行相應(yīng)的保養(yǎng)、維修，而且能夠不斷優(yōu)化加工參數(shù)，優(yōu)化加工工藝，在生產(chǎn)中逐漸提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高一致性等。

追溯系統(tǒng)，就是為每一個(gè)工件建立獨(dú)立的身份信息，在生產(chǎn)裝配過程中，將各種檢測(cè)到的信息與該身份信息進(jìn)行綁定，并輔以時(shí)間軸。當(dāng)需要查詢工件信息時(shí)，只需輸入工件的身份信息，則該工件整個(gè)制造周期中的所有數(shù)據(jù)都能夠提取出來供分析計(jì)算。追溯系統(tǒng)目前已被各行各業(yè)應(yīng)用。

身份信息的建立，要盡量在工件上線后就建立，這樣可以記錄盡可能多的有用信息。身份信息需貫穿整個(gè)生命周期，需要和工件實(shí)體綁定在一起，生產(chǎn)過程中不能發(fā)生混亂。常用的辦法有在工件上刻印二維碼、條形碼等，或在工件的夾具上安裝RFID芯片進(jìn)行記錄。

身份信息必須是獨(dú)一無二的，即使同一批次同一種型號(hào)的工件，其身份信息也是各不相同的。身份信息的建立靈活多樣，可以加入日期、時(shí)間、批次號(hào)、鑄造號(hào)、產(chǎn)品型號(hào)等信息，即使是序列號(hào)也是可行的方法。

5 自動(dòng)檢測(cè)

葉片加工完成后，需要自動(dòng)檢測(cè)葉片的質(zhì)量。目前葉片上氣膜孔的數(shù)量非常多，質(zhì)量檢驗(yàn)依靠人工通過定制的塞規(guī)等檢具對(duì)孔進(jìn)行檢驗(yàn)。幾百上千的孔集中在體積不大的葉片上，人工檢驗(yàn)不但效率低，而且很容易出現(xiàn)漏檢或錯(cuò)檢的現(xiàn)象[5]。提高航發(fā)葉片的生產(chǎn)效率，則必須要提高葉片的檢驗(yàn)效率和檢驗(yàn)的可靠性穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)。

目前針對(duì)航發(fā)葉片的氣膜孔檢驗(yàn)，有不少方法，而且也都有不錯(cuò)的效果。噴液檢驗(yàn)法，將特定的液體介質(zhì)，給予特定的壓力，通入到葉片腔體內(nèi)，然后通過各種手段，如視覺檢測(cè)等，監(jiān)測(cè)葉片表面液體介質(zhì)的噴射情況，達(dá)到氣膜孔的檢測(cè)目的；視覺檢測(cè)法[6]，選用高定位精度的轉(zhuǎn)臺(tái)，使用高質(zhì)量的圖像采集裝置，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)框架，將視覺檢測(cè)和三坐標(biāo)測(cè)量相結(jié)合，利用景深合成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片氣膜孔的檢測(cè)目的；固化測(cè)量法，在渦輪葉片的氣膜孔和表面涂上樹脂，待其固化后進(jìn)行切割，將取下的塊進(jìn)行拼接后按照實(shí)體測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量；單孔探入法，使用極小的測(cè)頭如光纖等，探入孔中進(jìn)行測(cè)量，也可以用以上方法進(jìn)行組合測(cè)量。

自動(dòng)測(cè)量結(jié)束后，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，若為合格零件，進(jìn)入成品下料區(qū)；若為不合格零件，則由自動(dòng)化設(shè)備將其存放到廢料區(qū)或二次加工區(qū)。研究廢料區(qū)的工件，追溯其加工過程信息，查找報(bào)廢原因，調(diào)整工藝參數(shù)，降低廢品率。需要二次加工的零件，可以由自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行二次加工，加工后再次進(jìn)行測(cè)量，也可以由人工拿取后進(jìn)行二次加工。

6 結(jié)語

在解決了文中提及的關(guān)鍵技術(shù)后，完成了航發(fā)葉片的自動(dòng)化生產(chǎn)線的建立。建立整個(gè)產(chǎn)線的MES制造管理系統(tǒng)用于控制各單元之間的信息交互和流轉(zhuǎn)控制。該項(xiàng)目中采用了零點(diǎn)快換系統(tǒng)保證葉片在打孔機(jī)和檢測(cè)機(jī)上的安裝精度，由線下人工將工件固定在零點(diǎn)快換系統(tǒng)的夾具上，自動(dòng)流轉(zhuǎn)進(jìn)入物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)。為了產(chǎn)線智能化柔性化，采用AGV小車將毛坯工件、電極運(yùn)送到產(chǎn)線上料站。然后由地軌機(jī)器人從上料站抓取工件，送入五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花機(jī)中進(jìn)行打孔。打孔完成后，地軌機(jī)器人取出工件送入質(zhì)量檢測(cè)機(jī)進(jìn)行氣膜孔的檢驗(yàn)。若合格，則由機(jī)器人放入下料托盤；若不合格，則根據(jù)檢測(cè)結(jié)果放入廢料框或二次加工料框中。根據(jù)程序的設(shè)定，可以由產(chǎn)線自動(dòng)進(jìn)行二次加工，也可由人工進(jìn)行二次加工。采用RFID芯片進(jìn)行信息追溯。在人工將工件固定在零點(diǎn)快換系統(tǒng)上時(shí)，人工將掃描夾具上的RFID芯片，將掃描結(jié)果和工件上的批次碼進(jìn)行綁定，形成身份信息。人工只需掃描工件夾具上的追溯信息，即可在屏幕上顯示該零件的加工信息、檢測(cè)報(bào)告等。