精密復雜零件加工的神來之筆

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。伴隨著我國航空航天、核技術、能源化工、電子、艦船潛艇及現代機械工業的發展,難加工材料、復雜型面零件的應用越來越廣泛。這些零件強度硬度高、耐高溫、耐腐蝕,能適應惡劣工作條件并顯著改善整機性能,是航空航天、艦船潛艇、石油化工動力裝置最關鍵的組成部分,在現代國防、軍事、能源領域占有舉足輕重的地位。但這類零件粘性大、硬度高、空間形狀異常復雜,切削加工難度極大,已成為限制上述領域發展的“瓶頸”問題。

電火花加工是一種非接觸加工,特別適于傳統機械加工難以勝任的高熔點、高韌性、硬脆性材料的加工,而五軸聯動數控加工則能完成非常復雜的空間軌跡運動,能靈活地解決復雜曲面加工中的刀具讓位和干涉問題。因此,集兩者優點的五軸聯動數控電火花加工一直被國際公認為難加工材料、復雜曲面零件制造的最佳解決方案。

在國家科技重大專項和“863計劃”的支持下,結合國家重大需求,北京市電加工研究所開展了五軸聯動精密數控電火花加工技術及裝備項目的研究,攻克了多項關鍵技術,自主研制出工程系列化的五軸聯動精密數控電火花加工機床,其主要創新成果有:

(1)研制出具有自主知識產權的五軸聯動電火花加工專用數控系統,實現復雜空間曲面零件的精密數控電火花加工。圖1是精密電火花成形機床數控系統部件和顯示界面。

電火花加工專用數控系統是五軸聯動電火花機床最核心的部分,它不僅要實現對各功能部件的運動控制,還要實現對放電參數和伺服系統的有效控制,對于多軸聯動控制系統,每增加一個軸,參數成幾何增長,控制參數多而復雜;同時,由于電火花加工自身的特點,刀具(電極)除了作正向進給運動,還要按原軌跡作反向回退運動及擴大尺寸的搖動運動,算法復雜,實時性要求高,還需克服自身產生的強大電磁干擾等因素。圖2是影響電火花成形加工數控系統的主要因素。

圖1 精密電火花成形機床數控系統部件和顯示界面

(2)開發出高效精準電火花加工脈沖電源及其控制系統,實現難加工材料高效、高精度、高表面質量加工。電火花加工的能量由脈沖電源提供,如果說數控系統是機床的“大腦”,那么脈沖電源就是機床的“心臟”,每個電路設計的微小細節都與加工工藝和加工質量息息相關。要實現高效精準的加工,脈沖電源必須實現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生的強電磁干擾,同時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,并實現了批量的穩定加工。圖4是中國計量科學研究院對電火花加工鈦合金(TC4、TC11)、高溫耐熱合金(NJ合金)、模具鋼(NAK80)表面粗糙度的檢測結果。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),實現了高效精準加工,達到國際先進水平。

圖2 影響電火花成形加工數控系統的主要因素

(3)研制出電火花精密數控轉軸和全浸液精密數控轉臺,實現了五軸聯動精密電火花機床關鍵部件的自主化生產。精密數控轉軸(C軸)和全浸液數控轉臺(A軸)是實現五軸聯動精密數控電火花加工技術必須的最關鍵功能部件,必須突破電機直拖一體化轉軸制造技術、轉臺全浸液密封技術、高可靠性進電技術、高精度保證與可靠性技術等技術難點,才能實現功能部件的完全自主化。圖5是研制成功的基于力矩電機結構的兩種全浸液數控轉臺,其定位精度達5.6″,重復定位精度達 2.1″,實現了高精度裝備五軸聯動的精密電火花機床。

圖5 基于力矩電機結構的全浸液數控轉臺

(4)開發出復雜曲面零件五軸聯動精密電火花加工工藝技術。采用完全自主的國產設備,實現以整體帶冠渦輪盤為代表的多種復雜曲面零件的精密加工,突破了這類零件的制造“瓶頸”,滿足了國防軍工、大型民用設備生產急需。

電火花加工過程控制參數多,脈沖電源的極性、脈寬、脈間、電壓、電流、伺服基準電壓、抬刀和搖動等參量與加工狀態、加工速度、加工表面粗糙度、側面間隙及電極損耗率等加工效果有著密切的聯系,工藝十分復雜。對于以整體帶冠渦輪盤為代表的復雜曲面零件,如何克服模型描述困難和路徑干涉問題,解決電極設計制造、軌跡搜索和參數優化等技術難點,是實現復雜曲面零件精密加工的關鍵。圖6是一種整體帶冠渦輪盤中葉片與電極分解設計的對應關系模型圖。

整體帶冠渦輪盤電火花加工的難點有:①結構復雜,難以用數學描述;②尺寸精度高、形位公差小,單靠人工計算很難實現復雜的電極設計和運動軌跡優化;③計算量大,難以用人工進行編程。

圖6 葉片與電極分解設計對應關系模型圖

針對各類帶冠整體渦輪盤的加工技術要求,使用紫銅制作電極,開發出了正電極、斜電極加工工藝技術、左右電極加工工藝技術,成功解決了葉片加工時的干涉、完整性問題,杜絕了接痕現象,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,實現了葉片重心與渦輪盤中心的一致性。葉形加工精度≤0.03 mm,加工效率比國外設備提高20%以上,節省電極量30%,實現了國家重大項目關鍵部件的完全自主制造。圖7是利用五軸聯動精密電火花加工工藝技術加工的單級和雙極帶冠整體渦輪盤。

圖7 五軸聯動電火花加工的單級和雙極帶冠整體渦輪盤

基于上述創新成果,成功開發出5種規格的五軸聯動精密數控電火花加工系列機床,圖 8是N850、AA50兩種規格的五軸聯動精密數控電火花加工機床照片。經國家機床質量監督檢驗中心和中國計量科學研究院檢測,主要技術參數均達到或超過國際同類產品指標。由中國機械工業聯合會組織、徐性初院士任主任的鑒定委員會對此做出的評價是:項目“攻克了精密數控電火花加工脈沖電源、五軸聯動數控技術、電極快換技術、精度補償和可靠性等具有自主知識產權的核心技術,主要技術指標達到國際先進水平”、“為國內軍工行業打破了國際壟斷,填補了國內空白。具有良好的經濟和社會效益”。用戶的評價是:設備精度、系統穩定性、操作方便性等很多方面都全面優于進口設備,也就是說讓我們第一次感受到國產設備比我們能夠買到的進口設備要全面優越。基于該項目的研究成果,2011年榮獲了“中國機械工業科學技術一等獎”。

圖8 五軸聯動精密數控電火花加工機床照片

成功地推廣與應用,徹底改變了我國五軸聯動精密數控電火花裝備完全受制于人的局面,全面提升了我國重點領域制造技術水平,對保障國防安全、促進重大工程和基礎建設發展具有關鍵的推動作用。