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叶盘流道五轴高效复合放电加工机床及其数控系统设计

叶盘流道五轴高效复合放电加工机床及其数控系统设计

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  • 来源:
  • 发布时间:2020-08-12 15:39
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【概要描述】

叶盘流道五轴高效复合放电加工机床及其数控系统设计

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    涡轮机械在交通运输、航空航天、能源机械中起着不可替代的作用,直接决定了动力系统的性能及成本,是近几十年来世界科学技术领域持续关注的焦点。对于液体火箭发动机、航空发动机等依赖涡轮泵的关键产品,其涡轮泵组件的制造成本约占总造价的22%~24%。这是由于整体涡轮叶盘的应用虽有诸多优点,同时也存在加工困难的问题。其叶型几何形状复杂、精度要求高,且叶型成品较薄,受力后易变形,相对于分别制造涡轮盘、叶片、叶冠等部件再组装为一个整体的情况,一体成型的整体叶盘对制造技术提出了更高要求。涡轮叶盘在发动机内进、排气段工作,需在高温高压环境下保持长时间连续工作,故选材多为高温合金与钛合金,才可满足高温高压工况对强度、抗蠕变性能要求。此外,压气机叶盘、涡轮叶片的型面由多个曲面构成,其加工难度高、加工周期长。

 

    目前,叶轮加工时通常依据叶片几何特点分别采用多轴高速铣削、电解加工、电火花加工等方式完成。整体式叶盘零件根据不同使用场合,有不同弯曲、扭转形式的叶片几何特征,且叶片稠密程度也有很大区别,故在制造环节中会依据叶片所围成的流道空间特点选择相适应的加工方法。对于叶片稠度较高、流道弯扭程度大、刀具尺寸选择受限的场合,生产中会采用多轴数控电解加工与电火花加工方法。电解加工效率相对更高,且表面无残余应力和热影响区,理论上说其加工过程中也不存在工具电极损耗。但在实际应用中,电解加工污染较严重,且叶片型面相对应的电极结构设计需考虑电场分布特性、电解介质流体循环效率、流场均匀性等因素,设计难度高。电火花加工方法的最终成形精度相对更好,通过精加工处理,工件表面粗糙度可降至Ra0.5 μm以内,其缺点在于加工效率极低,在实际加工中通常只适用于其他加工手段无法完成的带叶冠的闭式整体叶盘加工。

    高速电弧放电加工是一种利用高能量密度放电去除材料的高效粗加工方法,凭借综合成本低、去除率高的优点,近年来被应用于航天发动机高温合金、钛合金、碳化硅颗粒增强铝基复合材料零部件加工领域。该加工方法与其他精加工手段结合使用,能提升前述难加工材料的整体加工效率。将高速电弧加工与电火花加工进行复合,提升叶盘流道加工效率已初步展现出良好的应用前景。目前限制电火花电弧复合加工高效率、高精度性能进一步发挥的主要问题在于两种加工方法集成性不足,需依赖不同的软硬件实现,在粗加工后需依赖手工修磨才可继续进行精加工,其整体工艺的自动化程度低。为此,以精密五轴电火花机床为基础,本文设计了用于叶盘加工的五轴电火花电弧复合加工机床,在同一平台下通过配置电源不同输出模式,配合不同的工具电极组件,实现高速电弧粗加工与小能量电火花表面精加工功能的切换。本文开发的配套复合加工数控系统,可兼容电弧铣削与电火花加工两种伺服模式。经过实验检验,该机床使用水基工作液,可在保证两种加工性能指标的同时显著缩短工艺衔接环节,进一步发挥了电火花电弧复合加工的高效率、高精度性能。

 

01

五轴高效复合放电加工机床设计

    现有电弧加工设备的一般结构形式是以切削加工机床为基础,附加专用加工电源、绝缘防护及工作液循环装置组成。电弧铣削加工与机械铣削加工类似,工具电极都在旋转状态下沿NC代码指定的轨迹进给,二者不同之处在于工具电极与工件材料一般不直接接触,放电间隙依靠冲液系统提供工作介质,使加工可持续进行。工作介质通常有纯水、水基乳化工作液等,起到了冷却、消电离、冲刷被加工面的作用。此外,虽然两种加工均可按照NC程序设计的进给速度进行加工,但电弧铣削加工可依据极间反馈的电信号判断当前加工状态并自动调整进给倍率,避免发生撞刀和短路烧伤。

    电火花成形加工的工作液通常选择烷烃类油基复合工作介质。成形加工时,电极在间隙调节系统的控制下做拷贝运动,在工件表面加工出相反的几何形状。成形加工中常附加摇动指令,使加工过程中的电极能在进给方向的法平面内平动,从而增加加工间隙,改善排屑条件。

    经过比较,电弧铣削加工与电火花成形加工在加工原理上均利用工具电极与被加工件的极间放电实现材料去除,但加工需要的硬件基础不同,加工控制模式的软件实现也不同。搭建集成这两种加工模式的复合工艺平台,需在软硬件上分别作出调整。如图1所示,本文以成熟的精密五轴数控电火花成形机为基础,开发了模块化电弧铣削主轴,并在机床原有结构基础上增加防溅封闭箱体,加装高压冲液循环过滤系统,使其满足电弧铣削功能所需的硬件需求。

1   复合加工平台原理设计示意

 

    如图2所示,复合加工机床拥有XYZAC五个运动轴,在电弧铣削加工时C轴内藏,可实现电火花五轴联动、电弧铣削四轴联动。此外增设工作液二级增压泵,提供两种加工模式所需的不同工作液压力,其最高压力可达4.5 MPa。不锈钢工作液槽和全封闭工作箱体可保证机床使用水基工作液的耐蚀性。在原有电火花加工电源基础上增配高速电弧加工电源,放电峰值电流最大可达1000 A。电弧铣削主轴采用模块化设计,内部集成刀具夹持、电极上电、中心出水等电弧铣削所需的全部功能。该主轴模块总重仅12 kg,配套挂载接口为定位滑轨设计,仅需单人操作即可完成主轴装卸。电弧铣削主轴最大转速可达3000 r/min。采用标准ER32接口,可夹持刀具的直径范围为1~20 mm

2   复合加工机床实物

 

02

高效复合放电数控系统

    软件方面,本文在电火花加工数控系统原有基础上编写电弧加工功能包,将电弧铣削加工控制功能集成于已有的软件架构内,实现两种加工模式的功能复合,便捷切换。本复合机床采用基于Windows平台的多轴电火花加工数控系统,从软件结构上可划分为五层,即直接对用户操作提供界面的用户服务层、传递并处理功能参数的功能服务层、拥有最高权限并直接控制外部硬件动作的内核控制层及分别衔接前两者的通讯层和衔接内核控制层与外部硬件资源的驱动层。在软件编写过程中,需依据具体功能需求对用户服务层与功能服务层进行编写,这二者合称用户管理模块;内核控制层是机床全部功能抽象分解后各个独立任务、调度机制、数据运算的程序实现,是对操作系统提供的内核基础功能的扩展和补充;驱动层编写则需按照机床各组成硬件的通讯协议进行。因此,本数控系统实际编写开发任务分为三个模块,即用户管理模块、实时控制模块、驱动模块。

    根据设计要求,本平台为电火花电弧复合加工提供三种加工功能模式,分别是高速电弧铣削加工、强冲液电弧成形加工、电火花成形加工。三种模式分别使用不同的运动控制、放电控制与工作液循环控制手段,具体情况见表1。三种不同加工模式的实现,需要调用不同硬件模块与软件算法。此外,本加工平台加工对象为涡轮叶盘类零件,为便于实际加工中电极装夹找正与电极轮廓损耗量监测,特别增加了基于接触感知定位的轮廓扫描功能需求,通过设定扫描方向与扫描间隔,可实现基准球沿被测工件、电极表面自动循环接触感知,将测得的坐标信息存储为独立的数据文件,以便实现加工表面的评估分析与加工电极自动找正。

1   加工平台功能设计及其实现条件

 

    对电火花电弧复合加工平台而言,原有机床数控系统提供的功能模块包含全部电火花加工所需的基础功能:电火花电源控制、多轴联动运动控制、间隙伺服控制(位置伺服)、接触感知定位控制、工作液循环控制及手动脉冲盒控制等。需要增添的功能包括:电弧电火花专用电源控制、主轴模块控制、电弧铣削间隙控制(速度伺服)、高压工作液循环控制、电极损耗补偿控制及表面轮廓测量功能。扩展后的五轴复合放电加工数控系统架构见图3

3   五轴复合放电加工机床数控系统体系架构

 

    完成开发的数控系统交互界面见图4。复合加工数控系统集成了原电火花成形数控系统的坐标设定、移动、定位、加工、编程五大功能模块,同时为新增的高速电弧加工功能提供了独立操作界面。通过该界面可配置电源输出参数与主轴参数。轮廓扫描功能则嵌入原有定位模式内,可实现沿XY方向的指定补偿轮廓接触定位,扫描结果存入界面结果显示栏内,可输出保存为数据点文件。

4   数控系统主要交互界面

 

03

加工性能验证实验

    为验证本机床设计方案的实际加工性能,分别进行了TC4钛合金高速电弧铣削实验和GH4169高温合金弯曲流道加工实验。由于在验证实验中期望从工件背面一侧观察加工穿透过程,本实验未使用A轴部件。加工实验条件见表2

2   加工平台验证实验条件

 

    使用含有多组分聚乙二醇的水基工作液作为加工工作介质,在挂载电弧铣削主轴模式下对TC4钛合金进行加工,加工过程与工件见图5a和图5b。实验时,依次增加峰值电流并调节工艺参数,在铣削加工吃刀深度4 mm、峰值电流500 A、脉宽及脉间均为1 ms时,加工进给率稳定在55~60 mm/min;考虑到铣削加工的电极圆角损耗,折算后的材料去除率为1980~2160 mm3/min。如图5c、图5d所示,采用含内流道设计的弯曲等截面石墨电极进行GH4169高温合金流道穿孔加工实验。采用1.5 MPa高压冲液,在峰值放电电流为500 A时,加工截面尺寸为25 mm×38 mm、深度为20 mm的方孔,耗时约43 min、材料去除率约为455.81 mm3/min。在加工过程中,电极根据手工设定的摇动轨迹进行四轴联动进给,放电状态较稳定,与电火花成形加工相比,其加工效率有显著提高。

5   加工性能实验验证与加工结果

 

    对经过电弧铣削得到的TC4钛合金工件表面使用同种工作液进行浸液式电火花成形精加工,选取尺寸为10 mm×10 mm的区域,使用多步工序逐步缩小放电能量,通过约1 h的定时加工,可得到表面粗糙度Ra2.4~2.7 μm的平整表面。加工前后表面在显微镜下的对比情况见图6

6   水基介质成形精加工前后的TC4电弧铣削表面

 

04

结束语

    针对涡轮叶盘的高效高精度加工需求,本文以五轴精密数控电火花加工平台为基础设计了一种五轴复合数控系统,通过电弧铣削模块集成高速电弧铣削全部需求功能,还配合开发的五轴联动电火花电弧复合数控系统实现了高速电弧铣削功能在电火花机床平台中的嵌入集成,解决了数控系统在两种加工模式的间内核切换、信息共享问题,并通过实验初步验证了本机床两种放电模式的实际性能表现,且两种加工模式的便捷切换可有效提升加工效率。

   者:贾雨超,迟关心,王振龙,张   昆,申   

   源:《电加工与模具》2020年增刊 

   文:《叶盘流道五轴高效复合放电加工机床及其数控系统设计》

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