大柵距帶葉冠渦輪盤電火花加工電極優(yōu)化設(shè)計
2016-11-15 來源：首都航天機(jī)械公司 作者：張昆，張曉陽，馬海鵬，白淳，沈巖，張玉廣
摘要：以大柵距帶葉冠渦輪盤電火花加工電極設(shè)計為例，分析了數(shù)控電火花加工的電極設(shè)計思路與方法，給出了新的電極設(shè)計方法，同時分析了簡化的加工軌跡搜索方法，實現(xiàn)了大柵距帶葉冠渦輪盤的快速電極設(shè)計與加工軌跡搜索，大大縮短了電極工藝設(shè)計時間。
關(guān)鍵詞：大柵距；帶葉冠渦輪盤；電火花加工；電極
整體式帶葉冠渦輪盤是當(dāng)今國際上航空航天發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，其加工技術(shù)是航空航天發(fā)動機(jī)的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。我國新一代運載火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵的噴嘴葉柵環(huán)采用了帶葉冠設(shè)計結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)所限，目前采用多軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花加工技術(shù)進(jìn)行葉片加工[1]。田繼安采用X、Y、Z、V 四軸聯(lián)動技術(shù)于2003 年攻克了噴嘴葉柵環(huán)的電火花加工難題[2]。由于電極跨度大，其設(shè)計較復(fù)雜，安裝定位難度也大，同時由于生成的電極加工程序較復(fù)雜，也不便于程序修改。
1. 電極設(shè)計方案
電極設(shè)計一般分為減厚、減高兩種方法。電極減厚設(shè)計是通過減小葉片之間的中心角實現(xiàn)的（圖1）。電極的初始運動空間就是葉片繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)某一角度所形成的空間。一般旋轉(zhuǎn)角度為搜索步長的整數(shù)倍即可，不宜過大，否則會導(dǎo)致最終形成的電極厚度過薄，電極加工過程中受熱易變形。由于此減厚設(shè)計方法通過旋轉(zhuǎn)就可到達(dá)所有初始運動空間位置，因此無論直紋葉片、彎扭葉片均推薦優(yōu)先采用。
圖1 電極設(shè)計減厚處理原理圖
電極減高設(shè)計是通過減小電極高度來得到電極的運動空間。如圖2 所示，電極的初始運動空間就是葉冠向下移動一定的距離所形成的空間。由于減高設(shè)計的電極需向上移動才能到達(dá)電極的所有初始運動空間位置，減高設(shè)計一般用于直紋葉片的電極設(shè)計[3]。另外，由圖2 可知，當(dāng)將輪轂向上移動一定距離形成電極的初始運動空間時，需同時進(jìn)行電極的減厚設(shè)計才能到達(dá)電極的所有初始運動空間位置。
由上面的分析可知， 采用X、Y、Z、V 四軸聯(lián)動技術(shù)加工噴嘴葉柵環(huán)電極設(shè)計方案采用的是減厚加減高的設(shè)計方式。由于采用了兩種設(shè)計方法組合，使電極的工藝設(shè)計變得復(fù)雜，最后形成的電火花加工軌跡程序也復(fù)雜了許多。
圖2 極設(shè)計減高處理原理圖
2. 電極優(yōu)化設(shè)計
從圖3 所示的噴嘴葉柵環(huán)模型圖中可看出，此噴嘴葉柵環(huán)為進(jìn)出口等徑結(jié)構(gòu)，葉片跨距大且細(xì)而狹長[4]，單獨采用減厚法能實現(xiàn)最終的電極設(shè)計。
圖3 噴嘴葉柵環(huán)三維模型圖
按照前面論述的減厚法重新設(shè)計了噴嘴葉柵環(huán)電極。從圖4 可看出，采用減厚法設(shè)計的右電極，其運動軌跡搜索只需V-方向旋轉(zhuǎn)工件與電極X+方向直線移動即可完成，可以不需要減高設(shè)計。
圖4 旋轉(zhuǎn)軸減厚設(shè)計電極運動示意圖
利用上海交通大學(xué)開發(fā)的渦輪盤CADCAM 軟件進(jìn)行搜索，X 軸步長默認(rèn)設(shè)置為0.1 mm，V 軸步長設(shè)置為0.1 度，搜索成功后的單向代碼行數(shù)為40行。從圖5 可看出，搜索過程中旋轉(zhuǎn)軸、直線軸并不是等比關(guān)系。實際上，對于此類結(jié)構(gòu)帶葉冠渦輪盤，如果采用旋轉(zhuǎn)軸減厚設(shè)計，且每次直線軸搜索步長恒定，則旋轉(zhuǎn)軸每次對應(yīng)于直線軸的搜索步長是逐漸增加的。由于葉片通道由里向外逐漸增大，旋轉(zhuǎn)軸的搜索步長也是越來越大。
圖5 旋轉(zhuǎn)軸減厚設(shè)計電極CADCAM 軟件搜索軌跡結(jié)果
根據(jù)上面的分析，由于電極加工軌跡搜索時只有X、V 兩個軸參與運動， 電極減厚設(shè)計除了沿V軸進(jìn)行減厚外， 還可以沿X 軸進(jìn)行減厚設(shè)計， 圖6為沿X 軸進(jìn)行減厚設(shè)計的電極模擬圖。
圖6 直線軸減厚設(shè)計電極運動示意圖
利用上海交通大學(xué)開發(fā)的渦輪盤CAD/CAM 軟件進(jìn)行搜索，X 軸步長默認(rèn)設(shè)置為0.1 mm，V 軸步長設(shè)置為0.1°， 搜索成功后的單向代碼行數(shù)為98行。通過對比圖5 和圖7 可發(fā)現(xiàn)，不同的設(shè)計方法，采用同樣的搜索步長設(shè)置，最終的代碼行數(shù)并不相同，這是由于電極設(shè)計時減厚尺寸不同導(dǎo)致的。
圖7 直線軸減厚設(shè)計電極CADCAM 軟件搜索軌跡結(jié)果
3. 電極再優(yōu)化設(shè)計
雖然通過前面的方法利用CAD/CAM 軟件可得到電極設(shè)計結(jié)果，但是電極設(shè)計仍較繁瑣，可否不借用軟件進(jìn)行電火花加工軌跡快速搜索呢？從圖8 可看出， 電極最終的搜索成功位置，Y+方向最遠(yuǎn)點A 至少要旋轉(zhuǎn)弦長為H 的夾角（此處定義為α），同時，X-方向最遠(yuǎn)點B 至少要移動距離W才能保證電極軌跡搜索完成。如圖8 所示，葉片側(cè)面與Y 軸的夾角∠DEF 定義為β，DF 為旋轉(zhuǎn)軸最大搜索步長θ 所對應(yīng)的弦長，DE 為電極減厚設(shè)計后電極X 方向的最大搜索步長λ， 則λ=DE=DF·tanβ。若旋轉(zhuǎn)軸V 的最少搜索步數(shù)為S1=α/θ，直線軸X 的最少搜索步數(shù)為S2=W/λ， 最終搜索成功的最少搜索步數(shù)為max{S1，S2}。
圖8 減厚設(shè)計電極軌跡搜索原理
根據(jù)上面的分析，只需在設(shè)計電極時確定直線軸、旋轉(zhuǎn)軸的搜索步長值DE=H001、DF=H002，則通過一條X、V 軸聯(lián)動循環(huán)語句即可完成葉片加工，格式如下：
G01 XH001 VH002
由于單軸運動加工效率要大于多軸聯(lián)動加工效率，可將上面的程序分解為單軸運動，如：
G01 XH001
G01 VH002
由于電極放電加工中僅有X 軸運動，機(jī)床U 軸并不參與運動，因此電極可設(shè)計為成組電極結(jié)構(gòu)[4]，如圖9 所示，采用旋轉(zhuǎn)軸減厚法設(shè)計了整體式成組電極。當(dāng)然，也可利用直線軸減厚法進(jìn)行電極設(shè)計，與前述方法相同，此處不再贅述。
圖9 粗、精加工整體式成組電極
4.結(jié)論
通過對大柵距帶葉冠渦輪盤電火花加工電極進(jìn)行分析，在原有電極的設(shè)計方法上，又提出了一種新的直線軸減厚設(shè)計方法和電極軌跡簡化搜索方法。經(jīng)實際驗證，采用新方法設(shè)計的電極，同時利用簡化方法編制的加工軌跡代碼進(jìn)行產(chǎn)品加工，加工后的零件葉片尺寸完全滿足圖紙設(shè)計要求。對于其他結(jié)構(gòu)大柵距帶葉冠渦輪盤，本文所述方法具有通用性， 能實現(xiàn)快速電極設(shè)計與加工軌跡搜索，大大縮短了電極工藝設(shè)計時間。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年7月 新能源汽車銷量情況
- 2025年7月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 軸承出口情況
- 2025年7月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 新能源汽車銷量情況
- 2025年6月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 軸承出口情況
- 2025年6月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 新能源汽車銷量情況
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時代，少談點智造，多談點制造
- 現(xiàn)實面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別