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GE蓝弧技术助力航空业高效制造
通用电气中国研发中心 魏斌
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当您透过747飞机窗口看到喷气发动机时，您一定会叹为观止。但更令人感慨的是，将成千上万的零件组装起来需要大量时间和努力。制造这些产品需要切削数以吨计的金属，直至加工出设计极为精细的部件。凭借GE开发的专利蓝弧（BlueArc）等先进技术，我们可从某个零件的制造过程中节约数个小时，甚至几天的时间。
在激烈的竞争中，为了更快速、更有效地生产高质量金属零件，GE全球研发中心的科学家和工程师们对高速电蚀除技术进行了多年的研究并取得了技术上的突破，开发出了这种被称之为蓝弧的加工技术“超人”。该技术利用可控短电弧放电的加工方法，实现了难切削金属的高速加工。它已应用于航空零件的生产并取得了高于传统加工数倍的切削速度。
引言
高强度合金材料广泛应用于航空、燃气轮机和石油机械等领域。用传统的机械加工方法加工这些材料切削刀具费用及人工成本都很高。电加工方法（如电解、电火花）已在许多此类零件的加工中替代了传统方法，其主要原因在于电加工的金属去除速度不受工件硬度和强度影响，因而更适用于这些难加工材料的加工。电蚀除技术是电加工的一种。常见的电蚀除技术是电火花加工，但电火花加工速度较慢，不能算成高速加工方法。高速电蚀除方法一般利用电弧来提高蚀除速度。至今已有多种电弧放电方法。早期的电弧放电使用水玻璃为工作介质，工具电极一般为旋转金属刀盘或带锯式的金属条。水玻璃作为一种钝化性工作液，在工件表面产生钝化膜，当工具电极靠近工件时钝化膜被磨掉，在直流电压作用下产生电弧。这种方法常用于高速下料切割。另一种电弧加工的方法是试图将电解和电火花结合，开发此工艺的研究人员认为此技术可能达到电火花40倍的加工速度。他们用电解方法产生足够的气泡，然后击穿气泡产生电弧以蚀除金属。
通过分析过去的这些技术，可以看出电蚀除确有高速去除金属的潜力，问题是如何最大限度地利用电弧放电以达到高效金属加工，并能可靠地限制电弧对工件表面的烧伤，这成为发展此项技术的关键。
蓝弧技术工作原理
这种技术结合了电火花和电弧放电方法，充分利用高强度火花及短电弧以快速蚀除金属。 它的工作介质既不是电火花的介电工作液，也不是水玻璃，而是一种低导电的电解液。其工具电极保持对于工件的相对运动。它的独特的伺服控制系统确保无持续拉弧，以避免工件表面烧伤。
图1是这种技术加工方法的示意图。图中电极可为大直径盘状刀具，也可为小直径管式或棒状电极。这种加工方法已实现了高速加工，比如：用25mm厚的电极加工硬质镍基合金， 其加工速度可达200cm3/分钟。即使在这样的高速切削过程中，工件的表面烧伤也得到有效控制。

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图1 蓝弧技术示意图

图2是典型的INCO718工件加工后的表面分析照片，可以看出它的热影响层厚度与一般电火花产生的厚度相当。

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图2 高速电蚀除在工件表面产生与电火花相似的热影响层

工业应用实例
高速电蚀除方法已应用于镍基合金航空零件和石油机械零件生产。 图3是一款蓝弧多轴数控铣床，它已应用于压气机整体叶轮的叶片加工。这些叶轮为锻造的INCO718材料，其硬度大于HRC45。加工中使用管状电极， 电极损耗可被自动补偿。 多轴数控适用于加工复杂型面，独特的电源和伺服控制保证了高去除率，并避免了不正常电弧对工件表面烧伤。

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The Blisk machine from the front: about three-quarters Mazak (base, ballscrews, linear ways, tool changer and Fanuc control). The spindle and all manufacturing came from KRC.

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The spindle, the 7 mm rod, the air bearing and the tank (empty to reveal the blisks).

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Looking in from the rear we can clearly see the tank (4 x 4 x 4 feet) with spindle, air bearing and rod descending into the coolant. Blisk is beneath the surface.

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The spindle in the midst of rotation

图4是经蓝弧粗铣加工后的整体叶轮。与传统机械铣相比，切削速度提高约4倍，刀具消耗成本降低65%。此工艺通过了严格的表面质量检验，加工过程控制的可靠性可满足批量生产要求。

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Engine blisk for a GE CF34-8 aircraft engine
An engine blisk that is part of a GE CF34-8 aircraft engine, which is flown on regional jets. The blades on the edge of these blisks are machined with GE‘s Blue ArcTM technology.

由于加工中刀具与工件基本不接触，切割力极低，这类机床可采用低能耗设计，加工能耗可降低约30%。正是由于加工时切削力低，这种方法已成功用于加工低刚度零件， 比如：发动机蜂巢封气环，这比以前的加工方法效率提高8倍以上。

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这类机床配有高品质电源系统以保证可靠的放电特性。
至今，GE已开发多种机床，此技术研究也将更为深入。这种技术在高速切削难加工材料的应用也将逐步扩大。 10/12/2011

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