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    葉盤流道五軸高效復合放電加工機床及其數控系統設計

    葉盤流道五軸高效復合放電加工機床及其數控系統設計

    • 分類:新聞中心
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2020-08-12 15:39
    • 訪問量:

    【概要描述】

    葉盤流道五軸高效復合放電加工機床及其數控系統設計

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    詳情

        渦輪機械在交通運輸、航空航天、能源機械中起著不可替代的作用,直接決定了動力系統的性能及成本,是近幾十年來世界科學技術領域持續關注的焦點。對于液體火箭發動機、航空發動機等依賴渦輪泵的關鍵產品,其渦輪泵組件的制造成本約占總造價的22%~24%。這是由于整體渦輪葉盤的應用雖有諸多優點,同時也存在加工困難的問題。其葉型幾何形狀復雜、精度要求高,且葉型成品較薄,受力后易變形,相對于分別制造渦輪盤、葉片、葉冠等部件再組裝為一個整體的情況,一體成型的整體葉盤對制造技術提出了更高要求。渦輪葉盤在發動機內進、排氣段工作,需在高溫高壓環境下保持長時間連續工作,故選材多為高溫合金與鈦合金,才可滿足高溫高壓工況對強度、抗蠕變性能要求。此外,壓氣機葉盤、渦輪葉片的型面由多個曲面構成,其加工難度高、加工周期長。

     

        目前,葉輪加工時通常依據葉片幾何特點分別采用多軸高速銑削、電解加工、電火花加工等方式完成。整體式葉盤零件根據不同使用場合,有不同彎曲、扭轉形式的葉片幾何特征,且葉片稠密程度也有很大區別,故在制造環節中會依據葉片所圍成的流道空間特點選擇相適應的加工方法。對于葉片稠度較高、流道彎扭程度大、刀具尺寸選擇受限的場合,生產中會采用多軸數控電解加工與電火花加工方法。電解加工效率相對更高,且表面無殘余應力和熱影響區,理論上說其加工過程中也不存在工具電極損耗。但在實際應用中,電解加工污染較嚴重,且葉片型面相對應的電極結構設計需考慮電場分布特性、電解介質流體循環效率、流場均勻性等因素,設計難度高。電火花加工方法的最終成形精度相對更好,通過精加工處理,工件表面粗糙度可降至Ra0.5 μm以內,其缺點在于加工效率極低,在實際加工中通常只適用于其他加工手段無法完成的帶葉冠的閉式整體葉盤加工。

        高速電弧放電加工是一種利用高能量密度放電去除材料的高效粗加工方法,憑借綜合成本低、去除率高的優點,近年來被應用于航天發動機高溫合金、鈦合金、碳化硅顆粒增強鋁基復合材料零部件加工領域。該加工方法與其他精加工手段結合使用,能提升前述難加工材料的整體加工效率。將高速電弧加工與電火花加工進行復合,提升葉盤流道加工效率已初步展現出良好的應用前景。目前限制電火花電弧復合加工高效率、高精度性能進一步發揮的主要問題在于兩種加工方法集成性不足,需依賴不同的軟硬件實現,在粗加工后需依賴手工修磨才可繼續進行精加工,其整體工藝的自動化程度低。為此,以精密五軸電火花機床為基礎,本文設計了用于葉盤加工的五軸電火花電弧復合加工機床,在同一平臺下通過配置電源不同輸出模式,配合不同的工具電極組件,實現高速電弧粗加工與小能量電火花表面精加工功能的切換。本文開發的配套復合加工數控系統,可兼容電弧銑削與電火花加工兩種伺服模式。經過實驗檢驗,該機床使用水基工作液,可在保證兩種加工性能指標的同時顯著縮短工藝銜接環節,進一步發揮了電火花電弧復合加工的高效率、高精度性能。

     

    01

    五軸高效復合放電加工機床設計

        現有電弧加工設備的一般結構形式是以切削加工機床為基礎,附加專用加工電源、絕緣防護及工作液循環裝置組成。電弧銑削加工與機械銑削加工類似,工具電極都在旋轉狀態下沿NC代碼指定的軌跡進給,二者不同之處在于工具電極與工件材料一般不直接接觸,放電間隙依靠沖液系統提供工作介質,使加工可持續進行。工作介質通常有純水、水基乳化工作液等,起到了冷卻、消電離、沖刷被加工面的作用。此外,雖然兩種加工均可按照NC程序設計的進給速度進行加工,但電弧銑削加工可依據極間反饋的電信號判斷當前加工狀態并自動調整進給倍率,避免發生撞刀和短路燒傷。

        電火花成形加工的工作液通常選擇烷烴類油基復合工作介質。成形加工時,電極在間隙調節系統的控制下做拷貝運動,在工件表面加工出相反的幾何形狀。成形加工中常附加搖動指令,使加工過程中的電極能在進給方向的法平面內平動,從而增加加工間隙,改善排屑條件。

        經過比較,電弧銑削加工與電火花成形加工在加工原理上均利用工具電極與被加工件的極間放電實現材料去除,但加工需要的硬件基礎不同,加工控制模式的軟件實現也不同。搭建集成這兩種加工模式的復合工藝平臺,需在軟硬件上分別作出調整。如圖1所示,本文以成熟的精密五軸數控電火花成形機為基礎,開發了模塊化電弧銑削主軸,并在機床原有結構基礎上增加防濺封閉箱體,加裝高壓沖液循環過濾系統,使其滿足電弧銑削功能所需的硬件需求。

    1   復合加工平臺原理設計示意

     

        如圖2所示,復合加工機床擁有X、Y、Z、A、C五個運動軸,在電弧銑削加工時C軸內藏,可實現電火花五軸聯動、電弧銑削四軸聯動。此外增設工作液二級增壓泵,提供兩種加工模式所需的不同工作液壓力,其最高壓力可達4.5 MPa。不銹鋼工作液槽和全封閉工作箱體可保證機床使用水基工作液的耐蝕性。在原有電火花加工電源基礎上增配高速電弧加工電源,放電峰值電流最大可達1000 A。電弧銑削主軸采用模塊化設計,內部集成刀具夾持、電極上電、中心出水等電弧銑削所需的全部功能。該主軸模塊總重僅12 kg,配套掛載接口為定位滑軌設計,僅需單人操作即可完成主軸裝卸。電弧銑削主軸最大轉速可達3000 r/min。采用標準ER32接口,可夾持刀具的直徑范圍為1~20 mm。

    2   復合加工機床實物

     

    02

    高效復合放電數控系統

        軟件方面,本文在電火花加工數控系統原有基礎上編寫電弧加工功能包,將電弧銑削加工控制功能集成于已有的軟件架構內,實現兩種加工模式的功能復合,便捷切換。本復合機床采用基于Windows平臺的多軸電火花加工數控系統,從軟件結構上可劃分為五層,即直接對用戶操作提供界面的用戶服務層、傳遞并處理功能參數的功能服務層、擁有最高權限并直接控制外部硬件動作的內核控制層及分別銜接前兩者的通訊層和銜接內核控制層與外部硬件資源的驅動層。在軟件編寫過程中,需依據具體功能需求對用戶服務層與功能服務層進行編寫,這二者合稱用戶管理模塊;內核控制層是機床全部功能抽象分解后各個獨立任務、調度機制、數據運算的程序實現,是對操作系統提供的內核基礎功能的擴展和補充;驅動層編寫則需按照機床各組成硬件的通訊協議進行。因此,本數控系統實際編寫開發任務分為三個模塊,即用戶管理模塊、實時控制模塊、驅動模塊。

        根據設計要求,本平臺為電火花電弧復合加工提供三種加工功能模式,分別是高速電弧銑削加工、強沖液電弧成形加工、電火花成形加工。三種模式分別使用不同的運動控制、放電控制與工作液循環控制手段,具體情況見表1。三種不同加工模式的實現,需要調用不同硬件模塊與軟件算法。此外,本加工平臺加工對象為渦輪葉盤類零件,為便于實際加工中電極裝夾找正與電極輪廓損耗量監測,特別增加了基于接觸感知定位的輪廓掃描功能需求,通過設定掃描方向與掃描間隔,可實現基準球沿被測工件、電極表面自動循環接觸感知,將測得的坐標信息存儲為獨立的數據文件,以便實現加工表面的評估分析與加工電極自動找正。

    1   加工平臺功能設計及其實現條件

     

        對電火花電弧復合加工平臺而言,原有機床數控系統提供的功能模塊包含全部電火花加工所需的基礎功能:電火花電源控制、多軸聯動運動控制、間隙伺服控制(位置伺服)、接觸感知定位控制、工作液循環控制及手動脈沖盒控制等。需要增添的功能包括:電弧電火花專用電源控制、主軸模塊控制、電弧銑削間隙控制(速度伺服)、高壓工作液循環控制、電極損耗補償控制及表面輪廓測量功能。擴展后的五軸復合放電加工數控系統架構見圖3。

    3   五軸復合放電加工機床數控系統體系架構

     

        完成開發的數控系統交互界面見圖4。復合加工數控系統集成了原電火花成形數控系統的坐標設定、移動、定位、加工、編程五大功能模塊,同時為新增的高速電弧加工功能提供了獨立操作界面。通過該界面可配置電源輸出參數與主軸參數。輪廓掃描功能則嵌入原有定位模式內,可實現沿X、Y方向的指定補償輪廓接觸定位,掃描結果存入界面結果顯示欄內,可輸出保存為數據點文件。

    4   數控系統主要交互界面

     

    03

    加工性能驗證實驗

        為驗證本機床設計方案的實際加工性能,分別進行了TC4鈦合金高速電弧銑削實驗和GH4169高溫合金彎曲流道加工實驗。由于在驗證實驗中期望從工件背面一側觀察加工穿透過程,本實驗未使用A軸部件。加工實驗條件見表2。

    2   加工平臺驗證實驗條件

     

        使用含有多組分聚乙二醇的水基工作液作為加工工作介質,在掛載電弧銑削主軸模式下對TC4鈦合金進行加工,加工過程與工件見圖5a和圖5b。實驗時,依次增加峰值電流并調節工藝參數,在銑削加工吃刀深度4 mm、峰值電流500 A、脈寬及脈間均為1 ms時,加工進給率穩定在55~60 mm/min;考慮到銑削加工的電極圓角損耗,折算后的材料去除率為1980~2160 mm3/min。如圖5c、圖5d所示,采用含內流道設計的彎曲等截面石墨電極進行GH4169高溫合金流道穿孔加工實驗。采用1.5 MPa高壓沖液,在峰值放電電流為500 A時,加工截面尺寸為25 mm×38 mm、深度為20 mm的方孔,耗時約43 min、材料去除率約為455.81 mm3/min。在加工過程中,電極根據手工設定的搖動軌跡進行四軸聯動進給,放電狀態較穩定,與電火花成形加工相比,其加工效率有顯著提高。

    5   加工性能實驗驗證與加工結果

     

        對經過電弧銑削得到的TC4鈦合金工件表面使用同種工作液進行浸液式電火花成形精加工,選取尺寸為10 mm×10 mm的區域,使用多步工序逐步縮小放電能量,通過約1 h的定時加工,可得到表面粗糙度Ra2.4~2.7 μm的平整表面。加工前后表面在顯微鏡下的對比情況見圖6。

    6   水基介質成形精加工前后的TC4電弧銑削表面

     

    04

    結束語

        針對渦輪葉盤的高效高精度加工需求,本文以五軸精密數控電火花加工平臺為基礎設計了一種五軸復合數控系統,通過電弧銑削模塊集成高速電弧銑削全部需求功能,還配合開發的五軸聯動電火花電弧復合數控系統實現了高速電弧銑削功能在電火花機床平臺中的嵌入集成,解決了數控系統在兩種加工模式的間內核切換、信息共享問題,并通過實驗初步驗證了本機床兩種放電模式的實際性能表現,且兩種加工模式的便捷切換可有效提升加工效率。

       者:賈雨超,遲關心,王振龍,張   昆,申   

       源:《電加工與模具》2020年增刊 

       文:《葉盤流道五軸高效復合放電加工機床及其數控系統設計》

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