楊大勇,伏金娟,郭 妍

(北京市電加工研究所,北京100191)

工欲善其事,必先利其器。伴隨著我國(guó)航空航天、核技術(shù)、能源化工、電子、艦船潛艇及現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,難加工材料、復(fù)雜型面零件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些零件強(qiáng)度硬度高、耐高溫、耐腐蝕,能適應(yīng)惡劣工作條件并顯著改善整機(jī)性能,是航空航天、艦船潛艇、石油化工動(dòng)力裝置最關(guān)鍵的組成部分,在現(xiàn)代國(guó)防、軍事、能源領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。但這類零件粘性大、硬度高、空間形狀異常復(fù)雜,切削加工難度極大,已成為限制上述領(lǐng)域發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題。

電火花加工是一種非接觸加工,特別適于傳統(tǒng)機(jī)械加工難以勝任的高熔點(diǎn)、高韌性、硬脆性材料的加工,而五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工則能完成非常復(fù)雜的空間軌跡運(yùn)動(dòng),能靈活地解決復(fù)雜曲面加工中的刀具讓位和干涉問(wèn)題。因此,集兩者優(yōu)點(diǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工一直被國(guó)際公認(rèn)為難加工材料、復(fù)雜曲面零件制造的最佳解決方案。

在國(guó)家科技重大專項(xiàng)和“863計(jì)劃”的支持下,結(jié)合國(guó)家重大需求,北京市電加工研究所開(kāi)展了五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工技術(shù)及裝備項(xiàng)目的研究,攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),自主研制出工程系列化的五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工機(jī)床,其主要?jiǎng)?chuàng)新成果有:

(1)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工專用數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲面零件的精密數(shù)控電火花加工。圖1是精密電火花成形機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)部件和顯示界面。

電火花加工專用數(shù)控系統(tǒng)是五軸聯(lián)動(dòng)電火花機(jī)床最核心的部分,它不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能部件的運(yùn)動(dòng)控制,還要實(shí)現(xiàn)對(duì)放電參數(shù)和伺服系統(tǒng)的有效控制,對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng),每增加一個(gè)軸,參數(shù)成幾何增長(zhǎng),控制參數(shù)多而復(fù)雜;同時(shí),由于電火花加工自身的特點(diǎn),刀具(電極)除了作正向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),還要按原軌跡作反向回退運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)大尺寸的搖動(dòng)運(yùn)動(dòng),算法復(fù)雜,實(shí)時(shí)性要求高,還需克服自身產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁干擾等因素。圖2是影響電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)的主要因素。

圖1 精密電火花成形機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)部件和顯示界面

(2)開(kāi)發(fā)出高效精準(zhǔn)電火花加工脈沖電源及其控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)難加工材料高效、高精度、高表面質(zhì)量加工。電火花加工的能量由脈沖電源提供,如果說(shuō)數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的“大腦”,那么脈沖電源就是機(jī)床的“心臟”,每個(gè)電路設(shè)計(jì)的微小細(xì)節(jié)都與加工工藝和加工質(zhì)量息息相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的加工,脈沖電源必須實(shí)現(xiàn)精確的放電能量控制,必須有效克服各放電回路附帶的寄生回路和產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾,同時(shí)又保證高效的蝕除速度。圖3是直徑40 mm(面積為1 256 mm2)的鏡面加工照片,最佳表面粗糙度 Ra＜0.10 μ m,并實(shí)現(xiàn)了批量的穩(wěn)定加工。圖4是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)電火花加工鈦合金(TC4、TC11)、高溫耐熱合金(NJ合金)、模具鋼(NAK80)表面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果。其中,模具鋼的最佳表面粗糙度值為Ra 0.045 μ m,最高加工效率為1 125 mm3/min(100A),實(shí)現(xiàn)了高效精準(zhǔn)加工,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖2 影響電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)的主要因素

(3)研制出電火花精密數(shù)控轉(zhuǎn)軸和全浸液精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)精密電火花機(jī)床關(guān)鍵部件的自主化生產(chǎn)。精密數(shù)控轉(zhuǎn)軸(C軸)和全浸液數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)(A軸)是實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工技術(shù)必須的最關(guān)鍵功能部件,必須突破電機(jī)直拖一體化轉(zhuǎn)軸制造技術(shù)、轉(zhuǎn)臺(tái)全浸液密封技術(shù)、高可靠性進(jìn)電技術(shù)、高精度保證與可靠性技術(shù)等技術(shù)難點(diǎn),才能實(shí)現(xiàn)功能部件的完全自主化。圖5是研制成功的基于力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)的兩種全浸液數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),其定位精度達(dá)5.6″,重復(fù)定位精度達(dá) 2.1″,實(shí)現(xiàn)了高精度裝備五軸聯(lián)動(dòng)的精密電火花機(jī)床。

圖5 基于力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)的全浸液數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)

(4)開(kāi)發(fā)出復(fù)雜曲面零件五軸聯(lián)動(dòng)精密電火花加工工藝技術(shù)。采用完全自主的國(guó)產(chǎn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)以整體帶冠渦輪盤為代表的多種復(fù)雜曲面零件的精密加工,突破了這類零件的制造“瓶頸”,滿足了國(guó)防軍工、大型民用設(shè)備生產(chǎn)急需。

電火花加工過(guò)程控制參數(shù)多,脈沖電源的極性、脈寬、脈間、電壓、電流、伺服基準(zhǔn)電壓、抬刀和搖動(dòng)等參量與加工狀態(tài)、加工速度、加工表面粗糙度、側(cè)面間隙及電極損耗率等加工效果有著密切的聯(lián)系,工藝十分復(fù)雜。對(duì)于以整體帶冠渦輪盤為代表的復(fù)雜曲面零件,如何克服模型描述困難和路徑干涉問(wèn)題,解決電極設(shè)計(jì)制造、軌跡搜索和參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)難點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件精密加工的關(guān)鍵。圖6是一種整體帶冠渦輪盤中葉片與電極分解設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型圖。

整體帶冠渦輪盤電火花加工的難點(diǎn)有:①結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以用數(shù)學(xué)描述;②尺寸精度高、形位公差小,單靠人工計(jì)算很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電極設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化;③計(jì)算量大,難以用人工進(jìn)行編程。

圖6 葉片與電極分解設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系模型圖

針對(duì)各類帶冠整體渦輪盤的加工技術(shù)要求,使用紫銅制作電極,開(kāi)發(fā)出了正電極、斜電極加工工藝技術(shù)、左右電極加工工藝技術(shù),成功解決了葉片加工時(shí)的干涉、完整性問(wèn)題,杜絕了接痕現(xiàn)象,保證了葉形加工精度及渦輪盤葉底徑圓和葉頂徑圓的圓度,實(shí)現(xiàn)了葉片重心與渦輪盤中心的一致性。葉形加工精度≤0.03 mm,加工效率比國(guó)外設(shè)備提高20%以上,節(jié)省電極量30%,實(shí)現(xiàn)了國(guó)家重大項(xiàng)目關(guān)鍵部件的完全自主制造。圖7是利用五軸聯(lián)動(dòng)精密電火花加工工藝技術(shù)加工的單級(jí)和雙極帶冠整體渦輪盤。

圖7 五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工的單級(jí)和雙極帶冠整體渦輪盤

基于上述創(chuàng)新成果,成功開(kāi)發(fā)出5種規(guī)格的五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工系列機(jī)床,圖 8是N850、AA50兩種規(guī)格的五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工機(jī)床照片。經(jīng)國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè),主要技術(shù)參數(shù)均達(dá)到或超過(guò)國(guó)際同類產(chǎn)品指標(biāo)。由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織、徐性初院士任主任的鑒定委員會(huì)對(duì)此做出的評(píng)價(jià)是:項(xiàng)目“攻克了精密數(shù)控電火花加工脈沖電源、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)、電極快換技術(shù)、精度補(bǔ)償和可靠性等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù),主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”、“為國(guó)內(nèi)軍工行業(yè)打破了國(guó)際壟斷,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益”。用戶的評(píng)價(jià)是:設(shè)備精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、操作方便性等很多方面都全面優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備,也就是說(shuō)讓我們第一次感受到國(guó)產(chǎn)設(shè)備比我們能夠買到的進(jìn)口設(shè)備要全面優(yōu)越?；谠擁?xiàng)目的研究成果,2011年榮獲了“中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)”。

圖8 五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工機(jī)床照片

成功地推廣與應(yīng)用,徹底改變了我國(guó)五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花裝備完全受制于人的局面,全面提升了我國(guó)重點(diǎn)領(lǐng)域制造技術(shù)水平,對(duì)保障國(guó)防安全、促進(jìn)重大工程和基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展具有關(guān)鍵的推動(dòng)作用。