復雜流道電火花加工中的擺動進給
2016-12-16 來源：上海航天設備制造總廠 作者：劉曉 王曉娟 趙萬生 王煒 陳風帆
摘要：葉輪類零件復雜流道電火花加工中普遍存在整體效率較低、加工狀態不穩定的情況。提出了電極擺動進給策略，通過調整電極進給各階段位姿，改善了加工區域前端工作液流場，擴大了加工過程中的蝕除產物排出空間。流道加工試驗證明了擺動進給可有效改善加工穩定性，提高整體加工效率。
關鍵詞：擺動進給；復雜流道；電火花加工；加工效率；加工穩定性
以閉式整體泵葉輪、渦輪盤為代表的葉輪類零件復雜流道加工， 是電火花加工的一種重要應用，其核心是成形電極沿預先規劃的路徑進給，然后進行拷貝加工[1]。由于復雜流道彎曲狹窄，成形電極在進給過程的大部分階段，其加工狀況均類似深盲孔加工，沖液措施無法將工作液有效噴入，難以將蝕除產物迅速帶離電極前端的放電加工區域，因而易造成放電狀態不穩定，產生拉弧、積碳等現象，嚴重影響加工效率。對此，通常采用抬刀措施以改善蝕除產物的排出狀況。抬刀回退可分為兩個階段：首先，電極沿原進給路徑回退一定距離，此時，純凈的工作液從流道外部進入加工區域；然后，電極再次沿進給路徑前進， 將進入的工作液壓出加工區域，蝕除產物隨之被帶出。然而，額外的抬刀運動勢必影響整體加工效率。實際加工經驗表明，在閉式葉盤類零件的電火花加工中， 抬刀措施不可避免，但抬刀的周期可根據加工狀況進行調整[2]。抬刀周期過短，會影響加工效率；抬刀周期過長，則難以有效改善加工穩定性。
圖1 是閉式整體泵葉輪流道電火花加工示意圖。在成形電極進給運動過程中，電極與葉輪之間的距離狹窄彎曲，其間距略大于放電間隙，這意味著留給蝕除產物排出的區域非常有限；在確保不發生干涉的前提下， 擴大電極與葉輪之間的空間，將有助于改善蝕除產物的排出狀況，以達到適當延長抬刀周期、提高加工效率的目的。對此，本文提出了電極擺動進給策略。
圖1 閉式整體泵葉輪電火花加工電極進給路徑
1. 電極擺動進給
電極擺動進給的目的在于擴大電極進給時其前端區域及側面區域的空間，為工作液的沖入提供空間。圖2 是電極擺動進給的流程。不失一般性，以圖1 所示電極進給運動的某階段為對象，闡述實施電極擺動進給的過程。
圖2 電極擺動進給運動流程圖
電極擺動進給的實施對象為描述電極運動路徑的數控代碼， 其可根據代碼行數分為若干階段。如圖3 所示，第i 階段的電極擺動進給，以該階段的電極位姿為初始狀態，以電極安裝孔圓心為旋轉中心，分別向C 軸正負方向、按一定的搜索步長調整電極姿態。每一步調整后，判斷電極與葉盤的干涉狀況，分別記錄C 軸正、負方向上發生干涉時的轉角，記為β1與β2，電極擺動進給量設置為δ1=η·β1，δ2=η·β2，其中，η 為擺動進給系數（0<η<1），其數值一般根據實際加工狀況選取，通常不超過0.5。未實施擺動進給時的第i 階段的數控代碼為：
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
設置進給搖動后的數控代碼為：
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci+δi1)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci-δi2)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
圖3 電極進給運動第i 階段的擺動進給
經擺動進給后，電極前端及側面與葉盤的間距有所擴大，這為工作液帶離蝕除產物提供了較開闊的空間，有利于改善加工穩定性和提高加工效率。
2 .電極擺動進給對極間流場的影響分析
為了更直觀地了解電極擺動進給對改善蝕除產物排出狀況的影響，采用計算流體力學方法分別對“無擺動進給”與“有擺動進給”兩種情況下的極間工作液流場分布進行模擬[3]。實際經驗表明，電極抬刀回退在加工中不可避免。對于加工中的一次抬刀回退，蝕除產物的排出是通過抬刀的第二階段，即電極沿進給路徑再次向加工區域運動的過程中實現的。以抬刀的第二階段中某一時刻下，電極與工件之間的極間工作液介質作為仿真幾何建模的對象，具體為：工件已完成第i階段加工，電極再次進給至第（i-1）階段時的位置姿態（圖4）。模型中的放電間隙設定為0.08 mm，極間工作液為液相不可壓縮流體， 密度為760 kg/m3，黏性系數為1.43×10-3 kg/(m·s)；流場穩定后處于穩態，流場物理量僅與空間坐標有關，與時間無關。
圖4 電極擺動進給流場仿真建模
抬刀的第二階段，即電極向加工區域進給過程中，其端面對極間工作液形成具有一定速度的類似活塞運動，而工作液從電極側面與工件的間隙處向外部流出。為了簡化仿真模型，對邊界條件作如下設定：以電極端面為入口，入口邊界設置為速度入口，入口速度為電極向加工區域運動的速度，設置為0.2 m/s；以葉盤兩側邊緣為出口，出口邊界設置為自由流出。極間工作液視為層流，網格劃分采用四邊形網格。圖5 是無擺動進給與有擺動進給情況下，電極完成抬刀并再次向加工區域進給時的工作液流場速度云圖。對比可見，擺動進給時，加工區域前端形成了范圍更廣泛、速度更高的渦流，有助于停留在加工區域中的蝕除產物獲得更高的速度，進而離開加工區域。
圖5 有、無擺動進給下的加工區域前端流場分布
3. 電極擺動進給驗證實驗
為了驗證電極擺動進給對復雜流道電火花加工效率及穩定性的影響，以圖1 所示的閉式整體泵葉輪為對象，分別采用“無擺動進給”和“有擺動進給”的方式加工單個流道。為盡量消除影響加工穩定性的因素，工件材料選用電火花較易加工的模具鋼，電極材料選用POCO EDM-C3 滲銅石墨，放電規準見表1[4]。在有、無擺動進給的對比實驗中，工件、電極材料與放電規準完全一致。
表1 石墨電極加工模具鋼泵葉輪的放電規準
圖6 是擺動進給對泵葉輪單個流道加工穩定性及加工效率的影響。在加工穩定性方面，電極無擺動進給加工時，只有當抬刀周期T 縮短至1 s 時，才能保證穩定加工，且在電極前端出現明顯的積碳點。當電極增加擺動進給后，抬刀周期T=1.5 s 即可確保穩定加工。
圖6 電極擺動進給對加工穩定性及加工效率的影響
從圖6 還可看出，在加工效率方面，電極無擺動進給加工時， 抬刀周期T=1.5 s 時完成單個流道加工需耗時385 min；抬刀周期T=1 s 時加工單個流道需耗時467 min。當電極增加擺動進給后，抬刀周期T=1.5 s 時完成單個流道加工僅需耗時326 min，與相同抬刀周期下的無擺動工況相比，加工效率提升了15.32 %，與穩定加工的無擺動工況相比，加工效率提升了30.19 %。
為了進一步了解擺動進給對加工效率的影響，對電極進給運動過程中完成各運動階段所需的時間進行單獨分析。需要指出的是，在電極進給路徑規劃過程中，為了提高規劃效率，電極進給運動的早期，各階段間距較大；而后期電極運動空間較小時，各階段間距較小。這使得在整個電極進給運動中，完成各階段加工的用時并不相同。
圖7 是當抬刀周期T=1.5 s 時，有、無擺動進給條件下，完成各相鄰運動階段所用的加工時間?？梢?，在電極進給運動的早期階段，擺動工況下的加工用時略高于無擺動工況。這是由于電極尚未深入流道，蝕除產物的排出并不困難，此時，擺動進給并未體現其功效，相反會占用一部分加工時間，影響加工效率。隨著加工的進行，電極逐漸深入流道，蝕除產物的排出狀況愈加惡劣，此時，擺動進給改善排屑狀況的作用開始顯現，各階段加工效率的提升幅度隨之上升；在執行第24 階段運動時，擺動進給對單階段加工效率的提升幅度達到最高值40.3 %。由于電極進給至第25 階段時，流道被加工通暢，蝕除產物的排出狀況隨即改善，此時，擺動進給對單階段加工效率的提升程度有所下降，但擺動進給工況下的加工用時仍略低于無擺動工況。
圖7 擺動對電極進給各階段加工效率的影響
4 .結語
本文針對復雜流道電火花加工中整體效率較低、加工狀態不穩定的情況，提出了電極擺動進給策略，在避免干涉的前提下，通過調整電極進給各階段的位姿，擴大電極與工件之間供蝕除產物排出的空間。仿真結果顯示，擺動進給可顯著改善加工區域前端的工作液流場；閉式整體泵葉輪流道加工試驗結果表明， 擺動進給可有效改善加工穩定性，降低對抬刀周期的依賴； 隨著電極進給的深入，擺動進給對提高加工效率的作用愈加明顯。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
