藍色閃電划出——GE航空「藍弧」工藝助力航空發動機製造

2017年6月，GE航空和三井精機聯合開發了世界首台「藍弧」加工機床，藍弧這項專為航空航天難加工組件生產而商業化的工藝，可以使鎳基超合金髮動機整體葉盤和壓縮機葉片的粗加工速度提升三倍，同時節省70%的工裝成本。

一、GE航空利用藍弧工藝降本增效

GE航空的胡克西特工廠已經使用「藍弧」的放電加工技術來減少難加工超級合金的工裝和生產成本。胡克西特工廠於2009年前開始使用這種技術於生產所有CF34-8C發動機的第三級壓氣機整體葉盤，年產50台，生產速率等於標準的數控銑。

CF34發動機壓縮機整體葉盤

藍弧設備就像5軸數控機床，切割壓氣機整體葉盤的邊緣來製造葉片。不過，藍弧不是使用硬質合金刀具而是放電頭。機床約0.915m*0.915m的液體槽，盛滿藍色的循環液體。當電弧進行切割時，液體沖走碎屑並遮住電弧的光。操作員看不到工藝過程，但是可以通過計算機控制。

藍弧完成的整體葉盤葉片還只是粗加工的。電弧切割過程將熔化的材料再沉積到葉片的表面。在這之下是第二層熔化的材料，這之下是第三層，熱損傷層有時意味著「白層」。所有的這些都會通過傳統電化學加工（ECM）去除。ECM讓電流通過電解液來溶解待去除的材料。最後，整體葉盤上將沒有應力。

藍弧發射高速電子以切削金屬

藍弧技術比傳統數控加工快3倍，壓氣機整體葉盤葉片的製造時間從幾天縮短到幾小時。目前，研究人員計劃使加工時間再快到4-5倍。該工藝比標準銑削減少電能消耗達25%。GE最初使用藍弧來製造整體葉盤，但是2009年前它開始將該技術應用到蜂窩密封的製造工藝中。該技術還能應用到傳統的旋轉-研磨工藝中。

二、GE航空與三井精機推出藍弧機床

藍弧最初作為一种放電加工（EDM）工藝在GE開發，2011年與三井精機開發團隊合作創造了基於「氣切削」的應用，銅電極以低電壓（30V）和高電流（4000A）接觸工件，放出的電火花產生熱量，局部熔化工件材料。與銑削相比，藍弧粗加工過程的能耗需求不到其四分之一。一個高壓多射流沖洗系統從切削區域去除無用的材料，壓力高達1000psi。

據報道，目前一系列加工試驗正在GE航空位於底特律的製造廠內進行，使用的是三井精機HW63-TD混合五軸加工中心原型。藍弧工藝使用電腐蝕工藝實現高速粗加工，電能在刀具和工件之間產生火花，按設定好的路徑熔化金屬，之後用強力沖洗去除熔化的材料。GE估計，使用這項技術可在5年內節省2億美元。

兩家公司合作的混合加工中心原型

三井精機（美國）銷售和市場副總裁Tom Dolan表示：「該工藝就像使用熱切削技術反轉焊接過程，針對各行業的傳統難加工組件加工，該工藝開啟了一個實現巨大時間和成本節省的機遇。藍弧還減少了使用昂貴、大型和高功率機床進行粗加工的需求，因而減少了三分之一的資本投資，以及昂貴刀具的成本。」他表示，與用於粗加工的常規多軸加工中心相比，剛度屬性使藍弧機床的佔地面積可以減少達50%。因為藍弧是一個低壓力操作，可以使用低水平的剛度實施，而不需要像大切深銑削那樣的機床剛度。

三井精機混合HW63-TD基於一個五軸卧式加工中心，使用了與藍弧工藝相兼容的標準主軸和組件。金屬去除過程在空氣中執行，銅電極置於機床主軸中，通過電極使主軸實現加壓貫穿進給。機床軸線長是X軸1000mm、Y和Z軸850mm，使用發那科的F30Im-B控制。

由於從工件去除材料是電熱加工，可以使用常規刀具機械接觸的方法快五倍。工藝不受材料性能影響，意味著可以使用低成本的銅電極，而不是更貴和不穩定的碳化物或立方氮化硼（CBN）刀具。目前一些新材料極難用傳統刀具加工，而切削產生的熱量進一步降低了刀具的壽命，增加了停機時間並降低了機床利用率。不過，採用藍弧的話，由材料加工產生的任何熱影響區域將在更常規的半精加工或精加工操作中被消除。

藍弧可以應用於低剛度係數的、更緊湊的機床框架，並且價格更低。當前的三井精機五軸HW63-TD原型以及BS50錐柄，加上120把刀具的容量，意味著在藍弧粗加工之後，該機床還能夠繼續兼容更詳細的半精加工或精加工操作。這些可包括仿形切削、開槽、鑽孔和端面加工等，無需拆卸工件和重設機床。

（航空工業發展研究中心劉亞威）

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