大柵距帶葉冠渦輪盤(pán)電火花加工電極優(yōu)化設(shè)計(jì)
2016-11-15 來(lái)源：首都航天機(jī)械公司 作者：張昆，張曉陽(yáng)，馬海鵬，白淳，沈巖，張玉廣
摘要：以大柵距帶葉冠渦輪盤(pán)電火花加工電極設(shè)計(jì)為例，分析了數(shù)控電火花加工的電極設(shè)計(jì)思路與方法，給出了新的電極設(shè)計(jì)方法，同時(shí)分析了簡(jiǎn)化的加工軌跡搜索方法，實(shí)現(xiàn)了大柵距帶葉冠渦輪盤(pán)的快速電極設(shè)計(jì)與加工軌跡搜索，大大縮短了電極工藝設(shè)計(jì)時(shí)間。
關(guān)鍵詞：大柵距；帶葉冠渦輪盤(pán)；電火花加工；電極
整體式帶葉冠渦輪盤(pán)是當(dāng)今國(guó)際上航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，其加工技術(shù)是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。我國(guó)新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的噴嘴葉柵環(huán)采用了帶葉冠設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)所限，目前采用多軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(jì)較復(fù)雜，安裝定位難度也大，同時(shí)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(jì)方案
電極設(shè)計(jì)一般分為減厚、減高兩種方法。電極減厚設(shè)計(jì)是通過(guò)減小葉片之間的中心角實(shí)現(xiàn)的（圖1）。電極的初始運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的整數(shù)倍即可，不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致最終形成的電極厚度過(guò)薄，電極加工過(guò)程中受熱易變形。由于此減厚設(shè)計(jì)方法通過(guò)旋轉(zhuǎn)就可到達(dá)所有初始運(yùn)動(dòng)空間位置，因此無(wú)論直紋葉片、彎扭葉片均推薦優(yōu)先采用。
圖1 電極設(shè)計(jì)減厚處理原理圖
電極減高設(shè)計(jì)是通過(guò)減小電極高度來(lái)得到電極的運(yùn)動(dòng)空間。如圖2 所示，電極的初始運(yùn)動(dòng)空間就是葉冠向下移動(dòng)一定的距離所形成的空間。由于減高設(shè)計(jì)的電極需向上移動(dòng)才能到達(dá)電極的所有初始運(yùn)動(dòng)空間位置，減高設(shè)計(jì)一般用于直紋葉片的電極設(shè)計(jì)[3]。另外，由圖2 可知，當(dāng)將輪轂向上移動(dòng)一定距離形成電極的初始運(yùn)動(dòng)空間時(shí)，需同時(shí)進(jìn)行電極的減厚設(shè)計(jì)才能到達(dá)電極的所有初始運(yùn)動(dòng)空間位置。
由上面的分析可知， 采用X、Y、Z、V 四軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)加工噴嘴葉柵環(huán)電極設(shè)計(jì)方案采用的是減厚加減高的設(shè)計(jì)方式。由于采用了兩種設(shè)計(jì)方法組合，使電極的工藝設(shè)計(jì)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(jì)減高處理原理圖
2. 電極優(yōu)化設(shè)計(jì)
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(zhǎng)[4]，單獨(dú)采用減厚法能實(shí)現(xiàn)最終的電極設(shè)計(jì)。
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(jì)了噴嘴葉柵環(huán)電極。從圖4 可看出，采用減厚法設(shè)計(jì)的右電極，其運(yùn)動(dòng)軌跡搜索只需V-方向旋轉(zhuǎn)工件與電極X+方向直線移動(dòng)即可完成，可以不需要減高設(shè)計(jì)。
圖4 旋轉(zhuǎn)軸減厚設(shè)計(jì)電極運(yùn)動(dòng)示意圖
利用上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的渦輪盤(pán)CADCAM 軟件進(jìn)行搜索，X 軸步長(zhǎng)默認(rèn)設(shè)置為0.1 mm，V 軸步長(zhǎng)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(guò)程中旋轉(zhuǎn)軸、直線軸并不是等比關(guān)系。實(shí)際上，對(duì)于此類結(jié)構(gòu)帶葉冠渦輪盤(pán)，如果采用旋轉(zhuǎn)軸減厚設(shè)計(jì)，且每次直線軸搜索步長(zhǎng)恒定，則旋轉(zhuǎn)軸每次對(duì)應(yīng)于直線軸的搜索步長(zhǎng)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(zhǎng)也是越來(lái)越大。
圖5 旋轉(zhuǎn)軸減厚設(shè)計(jì)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(shí)只有X、V 兩個(gè)軸參與運(yùn)動(dòng)， 電極減厚設(shè)計(jì)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(jì)， 圖6為沿X 軸進(jìn)行減厚設(shè)計(jì)的電極模擬圖。
圖6 直線軸減厚設(shè)計(jì)電極運(yùn)動(dòng)示意圖
利用上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的渦輪盤(pán)CAD/CAM 軟件進(jìn)行搜索，X 軸步長(zhǎng)默認(rèn)設(shè)置為0.1 mm，V 軸步長(zhǎng)設(shè)置為0.1°， 搜索成功后的單向代碼行數(shù)為98行。通過(guò)對(duì)比圖5 和圖7 可發(fā)現(xiàn)，不同的設(shè)計(jì)方法，采用同樣的搜索步長(zhǎng)設(shè)置，最終的代碼行數(shù)并不相同，這是由于電極設(shè)計(jì)時(shí)減厚尺寸不同導(dǎo)致的。
圖7 直線軸減厚設(shè)計(jì)電極CADCAM 軟件搜索軌跡結(jié)果
3. 電極再優(yōu)化設(shè)計(jì)
雖然通過(guò)前面的方法利用CAD/CAM 軟件可得到電極設(shè)計(jì)結(jié)果，但是電極設(shè)計(jì)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(diǎn)A 至少要旋轉(zhuǎn)弦長(zhǎng)為H 的夾角（此處定義為α），同時(shí)，X-方向最遠(yuǎn)點(diǎn)B 至少要移動(dòng)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(zhǎng)θ 所對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)，DE 為電極減厚設(shè)計(jì)后電極X 方向的最大搜索步長(zhǎng)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(jì)電極軌跡搜索原理
根據(jù)上面的分析，只需在設(shè)計(jì)電極時(shí)確定直線軸、旋轉(zhuǎn)軸的搜索步長(zhǎng)值DE=H001、DF=H002，則通過(guò)一條X、V 軸聯(lián)動(dòng)循環(huán)語(yǔ)句即可完成葉片加工，格式如下：
G01 XH001 VH002
由于單軸運(yùn)動(dòng)加工效率要大于多軸聯(lián)動(dòng)加工效率，可將上面的程序分解為單軸運(yùn)動(dòng)，如：
G01 XH001
G01 VH002
由于電極放電加工中僅有X 軸運(yùn)動(dòng)，機(jī)床U 軸并不參與運(yùn)動(dòng)，因此電極可設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，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(guò)對(duì)大柵距帶葉冠渦輪盤(pán)電火花加工電極進(jìn)行分析，在原有電極的設(shè)計(jì)方法上，又提出了一種新的直線軸減厚設(shè)計(jì)方法和電極軌跡簡(jiǎn)化搜索方法。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，采用新方法設(shè)計(jì)的電極，同時(shí)利用簡(jiǎn)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?jiān)O(shè)計(jì)要求。對(duì)于其他結(jié)構(gòu)大柵距帶葉冠渦輪盤(pán)，本文所述方法具有通用性， 能實(shí)現(xiàn)快速電極設(shè)計(jì)與加工軌跡搜索，大大縮短了電極工藝設(shè)計(jì)時(shí)間。
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