梁 為，康小明，趙萬生，楊玉玄

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

閉式整體葉盤EBM和EDM組合制造技術(shù)

梁 為，康小明，趙萬生，楊玉玄

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

閉式整體葉盤是航空航天發(fā)動機(jī)的核心部件。這類零件通常采用五軸或六軸的電火花加工方法制造，加工周期較長。隨著航空航天發(fā)動機(jī)需求的不斷增長，提升該類零件的生產(chǎn)效率已非常迫切。提出了一種電子束熔融直接成形（EBM）和電火花加工精密成形（EDM）組合制造閉式整體葉盤的方法。采用電子束熔融成形高效地獲得葉盤的近凈成形毛坯，再用電火花加工精成形葉片。針對組合制造技術(shù)所涉及的電子束熔融制件力學(xué)性能、保持加工精度的基準(zhǔn)過渡技術(shù)等問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：與單純的電火花加工相比，EBM/EDM組合制造技術(shù)加工葉盤類零件的效率有顯著提升。

閉式整體葉盤；電火花加工；電子束熔融

葉盤類零件是航空航天發(fā)動機(jī)的核心部件，這類零件結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢是采用帶葉冠的閉式整體結(jié)構(gòu)［1-2］。采用閉式整體葉盤后，發(fā)動機(jī)的氣動性能和工作可靠性得到明顯提高。然而閉式整體葉盤的流道狹窄并呈半封閉狀態(tài)，葉盤的材料多為鈦合金、高溫合金等難切削材料，這就給制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

閉式整體葉盤類零件常用的加工方法有3種：多軸數(shù)控銑削、電解加工和電火花加工［3］。采用多軸數(shù)控銑削進(jìn)行加工閉式整體葉盤時，半封閉的狹小加工空間使得刀具的可達(dá)性差。為了加工出需要的葉片形面往往不得不采用直徑很小的刀具，導(dǎo)致加工效率極其低下、刀具成本高昂。有時即使采用小直徑的刀具，也無法獲得無干涉的刀具運(yùn)動路徑。再考慮到葉盤材料的難切削性，多軸數(shù)控銑削往往不是閉式整體葉盤加工的最佳選擇。電解加工閉式整體葉盤時陰極設(shè)計(jì)復(fù)雜，因雜散腐蝕導(dǎo)致形面復(fù)制精度低。電火花加工使用與流道形狀近似的成形電極拷貝加工獲得葉片形面，通過多軸數(shù)控加工能很好地保證工具電極的可達(dá)性，而電火花加工放電蝕除的加工機(jī)理決定了這一加工方法與材料的切削性能無關(guān)。因此，電火花加工被公認(rèn)為閉式整體葉盤加工的最有效方法［4-5］。

閉式整體葉盤的的毛坯一般采用鍛件實(shí)體，需要電火花加工蝕除大量的余量來形成葉片形面，材料的體積去除率可達(dá)50%。采用電火花加工這種相對較慢的工藝來去除如此大體積的材料，必然需要大量的工時。再加上葉盤的流道沒有貫通之前，電火花加工的排屑不暢，效率會更低。這樣的加工效率無法適應(yīng)航空航天發(fā)動機(jī)批產(chǎn)的需求，必須尋求新的工藝方法。為此，本文中提出了電子束熔融直接成形（Electron Beam Melting，EBM）和電火花加工精密成形的組合制造技術(shù)。

EBM/EDM組合制造以典型增材制造方法EBM來高效地近凈成形閉式整體葉盤的毛坯，再用電火花加工進(jìn)行精加工來獲得葉盤的最終形面。EBM采用鋪粉式加工，能非常便捷地成形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在諸多領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用［6-8］。EBM加工結(jié)束后，葉盤的流道已貫通，葉片上僅有少量的加工余量。這樣一來，電火花加工的材料去除量較少，且放電是在流道已貫通的較好排屑條件下進(jìn)行。因而，EBM/ EDM組合制造有望實(shí)現(xiàn)閉式整體葉盤的高效精密加工。本文將針對EBM/EDM組合制造技術(shù)所涉及的EBM制件力學(xué)性能、保持加工精度的基準(zhǔn)過渡技術(shù)等問題進(jìn)行研究。

1 電子束熔融成形樣件的力學(xué)性能研究

閉式整體葉盤類零件的工作環(huán)境一般較惡劣，需要良好的力學(xué)性能。一旦基體材料中出現(xiàn)缺陷，則極易在高負(fù)荷工作條件下產(chǎn)生失效，造成不可挽回的后果。因此，電子束熔融成形樣件的力學(xué)性能對葉盤來說也就顯得非常重要。

針對電子束熔融成形的Ti6Al4V進(jìn)行常溫和高溫力學(xué)性能分析，采用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試件采用直徑10 mm的圓柱，加工成為符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試件，在常溫（25℃）和高溫（400℃）條件下分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測試的結(jié)果見圖1。

圖1 EBM成形Ti6Al4V力學(xué)性能

在ASTM F1472中對Ti6Al4V鍛件的力學(xué)性能要求，抗拉強(qiáng)度需達(dá)到930 MPa，斷后伸長率達(dá)到14%?？芍狤BM成形的力學(xué)性能已能達(dá)到鍛件的水平，甚至優(yōu)于鍛件，可作為閉式整體葉盤的粗加工手段。

2 EBM與EDM組合制造技術(shù)

2.1 EBM/EDM組合制造工藝路線

閉式整體葉盤EBM/EDM組合制造的流程是采用EBM粗成形閉式整體葉盤的近凈成形毛坯，再電火花加工精成形葉片。葉盤上除葉片以外的其他外輪廓需要在電火花加工之前采用切削加工完成。在電火花加工之后，葉片的輪廓即要達(dá)到預(yù)先設(shè)定的形面和位置精度。電火花加工采用的是成形加工，工件材料通過放電蝕除作用而被去除，同時將電極的形面“拷貝”在工件上。因此，電火花加工的葉片的形面精度主要受制于電極的形面，提高電極的制造精度則可保證良好的工件形面精度。而工件的位置精度則取決于加工過程中電極與工件形面之間的相對位置偏差，這也就需要在電火花加工之前獲得比較精確的基準(zhǔn)。根據(jù)這些要求可知，外輪廓的切削加工需要先于電火花加工，以便為電火花加工提供精確的位置基準(zhǔn)。

2.2 EBM/EDM組合制造基準(zhǔn)過渡技術(shù)

經(jīng)過EBM成形的葉盤毛坯已具有葉片的輪廓，這也使得EBM/EDM組合制造與傳統(tǒng)鍛件毛坯電火花加工的要求不同。EBM加工完成后，后續(xù)的電火花加工需在EBM制件的基準(zhǔn)上進(jìn)行。如果不能有效地找出EBM制件上葉片已有的基準(zhǔn)，則很可能在電火花加工過程中損傷已有的葉片，最終導(dǎo)致報(bào)廢。另外，EBM成形制件本身也有誤差，對后續(xù)加工產(chǎn)生的影響也需考慮。為了消除基準(zhǔn)識別偏差和EBM成形偏差的影響，最直接的辦法是在EBM成形葉盤毛坯上留足余量，且該余量必須大于EBM成形的誤差。然而，在EBM毛坯上設(shè)計(jì)的余量過多，又會與引入EBM工藝來降低閉式整體葉盤加工時間的初衷相矛盾。這就給基準(zhǔn)過渡提出了很高的要求，需要合適的方法準(zhǔn)確找出葉片的基準(zhǔn)，從而減少EBM毛坯上的余量設(shè)計(jì)。

閉式整體葉盤的葉片周向均布，采用傳統(tǒng)的鍛件加工時，葉片需考慮的主要基準(zhǔn)有軸向位置基準(zhǔn)和徑向位置基準(zhǔn)，分別用于確定葉片軸向和徑向的相對位置?？紤]到EBM成形原理和減小基準(zhǔn)識別難度，分別選擇軸向的端面和外圓輪廓作為軸向基準(zhǔn)和徑向基準(zhǔn)。同時對這些形面均進(jìn)行簡化處理，減少截面變化。最終將軸向端面處理成大平面，外圓輪廓為直徑統(tǒng)一無軸肩形式。通過機(jī)械識別的方法可很簡單地獲取這些基準(zhǔn),且這種方式獲取基準(zhǔn)的偏差也較小，在這兩個方向上預(yù)留的余量大于EBM的成形誤差即可。

在毛坯是鍛件時，葉盤的電火花加工過程中可不考慮周向基準(zhǔn)，在周向可任意選取一個位置開始加工。但是，當(dāng)采用EBM毛坯時，葉片已有初始輪廓，電極只能從周向特定的角度開始加工。否則，電極在進(jìn)給過程中就會蝕除掉葉片上的材料，造成報(bào)廢。因此，在加工EBM毛坯之時，還需考慮葉片的周向基準(zhǔn)。而閉式整體葉盤的葉片形面多是自由曲面，采用機(jī)械找正的方法會很難確定該基準(zhǔn)。為此，在本文中提出了一種基于視覺識別的方法來獲取葉片周向基準(zhǔn)的方法。該方法需要在拍攝的葉盤的圖片上識別出葉片的特征，并與CAD建模之中的葉片進(jìn)行比對，從而獲取周向基準(zhǔn)。

目前，電子成像設(shè)備的成像精度已非常高，能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。采用視覺識別的方法可很方便地提取近凈成形葉盤毛坯的特征，周向的余量也只需考慮EBM成形誤差。在3個基準(zhǔn)方向上增設(shè)余量之后葉盤毛坯如圖2所示。此時，葉片已有初始輪廓，流道也已貫通，對于電火花加工將會非常有益。外輪廓加工結(jié)束之后，葉盤毛坯需安裝在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行后續(xù)電火花加工，具體見圖3。

圖2 葉盤毛坯

圖3 坐標(biāo)變換

在進(jìn)行周向基準(zhǔn)識別之初，需分別建立坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系選擇為電火花加工時的工件坐標(biāo)系，此時葉盤在世界坐標(biāo)系內(nèi)的描述是確切的。以相機(jī)的主光軸為主軸建立相機(jī)坐標(biāo)系，3個基向量U、V、N分別指向相機(jī)的水平方向、豎直方向和主光軸，原點(diǎn)采用相機(jī)透鏡的中心。世界坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可采用變換矩陣來表示，采用齊次坐標(biāo)可以很容易表達(dá)這樣的變換過程：

式中：（xv,yv,zv）和（xw,yw,zw）分別為點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系下的表達(dá)；T代表變換矩陣。變換矩陣如方程（2）所述，為旋轉(zhuǎn)變換矩陣與平移變換矩陣的乘積，（dx,dy,dz）為兩個坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的偏移量。

如圖3所示即為坐標(biāo)變換的過程。圖中距離相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)L的面是相機(jī)的成像平面。根據(jù)透視投影定理，對相機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)再次進(jìn)行投影變換即可獲得點(diǎn)在相機(jī)成像平面的表達(dá)。投影變換的過程如式（3）所述：

式中：（xi,yi）即為相機(jī)成像平面內(nèi)投影點(diǎn)的坐標(biāo)；L為相機(jī)的焦距。由此即可建立機(jī)床上工件坐標(biāo)系到拍攝圖片上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。此過程中需忽略相機(jī)鏡頭曲率引起的畸變。

通過一系列的標(biāo)定，并在圖片上讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而可反解出變換矩陣。在機(jī)床的主軸上安放工件坐標(biāo)系的參考物，將這些標(biāo)準(zhǔn)與葉盤同時拍攝到照片中，在照片上讀取葉片周向分布特征與機(jī)床工件坐標(biāo)系參考物之間的關(guān)系，即可得出葉盤實(shí)際加工時需要繞著周向轉(zhuǎn)動到起始位置的角度。

本文中所采用的葉片的邊緣去掉圓角之后為直線，在圖片中較易識別，取其為葉盤的周向分布特征。葉片加工的周向零位在電極設(shè)計(jì)時已確定，本例中要求葉片的邊緣平行于工件坐標(biāo)系Z軸作為加工的起始位置。此時，只要測量出葉片和工件坐標(biāo)系Z軸的夾角，即可將葉盤轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度至加工起始位置。為此，在機(jī)床主軸之上安裝定位標(biāo)準(zhǔn)桿作為工件坐標(biāo)系Z軸的參考物。將葉盤和標(biāo)準(zhǔn)桿拍攝到同一張照片中，測量圖片中二者的夾角，并通過變換矩陣即可獲取實(shí)際夾角。方程（4）和（5）即為葉片周向分布特征線和定位標(biāo)準(zhǔn)桿輪廓線在成像坐標(biāo)系內(nèi)的描述：

式中：（xb,yb,zb）為葉片周向分布特征線上的點(diǎn)；（mb, nb,pb）為葉片周向分布線的方向向量；（xs,ys,zs）為定位標(biāo)準(zhǔn)桿輪廓線上的點(diǎn)；（ms,ns,ps）為定位標(biāo)準(zhǔn)桿輪廓線的方向向量。經(jīng)過相機(jī)成像的中心投影之后的投影面內(nèi)，兩條投影直線可表述為：

可以看出，經(jīng)過相機(jī)的中心投影，兩直線之間的夾角一般會發(fā)生變化。即便是原有的兩直線是平行的，在照片中也不一定是平行的，這也說明了標(biāo)定的必要性。但是，標(biāo)定的過程一般都是一個較復(fù)雜的過程，影響的因素也較多，不易操作。根據(jù)上述公式也可發(fā)現(xiàn)，在特定的情況下，平行線拍攝之后的照片也可是平行的。如果原來的兩直線平行，則方向向量相同，即mb=ms，nb=ns，pb=ps（反向也可使用相同的方向向量描述）。當(dāng)pb=ps=0時，兩條投影直線的斜率均為nb/mb=ns/ms，也是平行的。在這種拍攝狀態(tài)下，可利用機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸來獲得調(diào)整角度，具體做法是一邊拍攝葉盤和標(biāo)準(zhǔn)桿一邊旋轉(zhuǎn)葉盤，直到照片中的葉片邊界和標(biāo)準(zhǔn)桿平行，此時實(shí)際中的葉片邊界和標(biāo)準(zhǔn)桿也是平行的。

而要獲得這樣的拍攝模式則需要讓直線在相機(jī)坐標(biāo)系中的方向向量的p分量為零，p分量代表沿著相機(jī)主光軸方向的分量，p=0即直線位于垂直于相機(jī)主光軸的平面內(nèi)，需讓相機(jī)的主光軸垂直于葉盤的端面。為此，將相機(jī)固定于有兩個轉(zhuǎn)動自由度的旋轉(zhuǎn)工作臺上，通過調(diào)整工作臺的俯仰和水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動便可使相機(jī)的主光軸垂直于葉盤端面。通過這樣的轉(zhuǎn)換，能省去標(biāo)定復(fù)雜的過程，簡化操作。

視覺識別的關(guān)鍵在于圖片的處理，主要經(jīng)過5個過程：灰度處理、濾波處理、二值化、邊界識別和提取、角度計(jì)算?；叶忍幚砑磳⑴臄z的照片的色彩去除，便于后續(xù)處理。由于EBM的表面較粗糙，拍攝出來的照片會有較多的孤立的像素點(diǎn)或像素塊，而這些對于邊界識別沒有任何作用，故希望能減少這些“噪聲”的影響。因此在二值化以前，需對圖像進(jìn)行濾波處理，減少圖像的高頻成分（邊界可視作圖像的低頻成分）。這樣的圖片經(jīng)過二值化就能更加突出葉片的邊界和標(biāo)準(zhǔn)桿的邊界。二值化可直接根據(jù)讀出的像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行處理，本例采用144/255作為二值化的區(qū)分，這樣處理之后的圖片即只有黑色和白色點(diǎn)。然后將從黑色點(diǎn)向白色點(diǎn)過渡的位置作為邊界提取出來。如圖4所示，即為相機(jī)拍攝的原始圖片和邊界提取的圖片。分別提取葉片的邊界上的點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)桿邊界上的點(diǎn)，由之前的分析可知，這兩條邊界應(yīng)該是兩條直線，采用最小二乘法進(jìn)行擬合。圖中葉片邊界線和標(biāo)準(zhǔn)桿輪廓線的線即為擬合出的直線，當(dāng)這兩條直線的夾角為零時即說明實(shí)際的葉片邊界和標(biāo)準(zhǔn)桿的位置平行。

圖4 圖片處理

為了減少偶然誤差，需對每個葉片都進(jìn)行同樣的處理。記錄每個葉片的加工起始位置，每個葉片的起始位置與其對應(yīng)的分度角之間的差值即可視作每個葉片起始位置的差異。這些差值即葉片到周向零位需轉(zhuǎn)動的角度，將這些值進(jìn)行平均，則可獲取統(tǒng)計(jì)意義上葉盤周向需要轉(zhuǎn)動到加工初始位置的角度。機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸的分辨率可到0.001°，因此，通過這種不斷調(diào)整的方式能獲得準(zhǔn)確的周向零位。

2.3 電火花加工

閉式整體葉盤電火花加工采用的是成形電極加工，成形電極在流道模型的基礎(chǔ)上做一定的尺寸縮減而來。成形電極尺寸縮減一般采用的方法有周向尺寸縮減和徑向尺寸縮減，對于某些過于復(fù)雜的電極還可進(jìn)行一些剖分處理。成形電極設(shè)計(jì)和電極軌跡搜索是電火花加工中最重要的兩個環(huán)節(jié)。且這兩個環(huán)節(jié)并不是完全獨(dú)立的。電極需根據(jù)軌跡搜索的成敗和工藝特性好壞進(jìn)行修改，直到設(shè)計(jì)出工藝特性良好且能獲取加工軌跡的電極模型。

針對本文所述葉盤加工，電極軌跡搜索的方法采用的是上海交通大學(xué)提出的“共軛法”。雖然EBM成形毛坯的葉片已有大致輪廓，但電極模型與鍛件加工時所采用的并無差別。

完成周向找正之后，即可開始電火花加工。加工所采用的設(shè)備是上海交通大學(xué)研制的六軸機(jī)床。加工完成之后，葉片的局部如圖5所示，所有葉片的兩側(cè)均有放電，這也證明周向找正方法是可靠的。電火花加工共消耗8個全新電極，不計(jì)換電極等輔助工時共耗時42.6 h。而采用鍛件實(shí)體電火花加工則需101 h，電極需要消耗10個。采用組合加工之后，加工效率可以提升57.8%，電極消耗可以減少20%?？梢园l(fā)現(xiàn)組合加工對效率的提升作用是明顯的，這樣能大大縮短閉式整體葉盤的加工流程，進(jìn)而降低葉盤的制造成本。

圖5 葉盤局部

3 結(jié)論

本文提出了閉式整體葉盤EBM/EDM組合制造技術(shù)，對這一組合制造過程中涉及精度保持的基準(zhǔn)過渡技術(shù)進(jìn)行了深入研究，結(jié)論如下：

（1）電子束熔融成形制件的力學(xué)性能可達(dá)到鍛件的水平，滿足閉式整體葉盤的要求。

（2）采用視覺識別技術(shù)，可在EBM制件上獲得閉式整體葉盤后續(xù)電火花加工的基準(zhǔn)。

（3）與單一的電火花加工相比，EBM/EDM組合制造技術(shù)可大幅提高閉式整體葉盤類零件的加工效率。

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A Combined Method of EBM and EDM for Shrouded Blisk Manufacturing

Liang Wei，Kang Xiaoming，Zhao Wansheng，Yang Yuxuan
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Shrouded blisk components play a very important role in aerospace engines.It is recommended to produce these components with five-axis or six-axis electrical discharge machining，which will take long process cycle.Along with the fast increasing need of aerospace engines，it becomes very urgent to improve manufacturing efficiency of shrouded blisk components.A combined manufacturing technology of electron beam melting（EBM）and electro-discharge machining（EDM）for shrouded blisk is presented.EBM is used for preparing near-net forming blank of blisk and EDM is responsible for finishing.This paper concentrates on the mechanical properties of EBM formed Ti6Al4V and the benchmark transitory techniques.The machining efficiency of the shrouded blisk can be greatly improved by applying this combined technology.

shrouded blisk；electro-discharge machining；electron beam melting

TG661

A

1009－279X（2015）06－0062-05

2015-09-03

梁為，男，1988年生，博士研究生。