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復(fù)雜流道電火花加工中的擺動(dòng)進(jìn)給

2016-12-16 來源：上海航天設(shè)備制造總廠作者：劉曉王曉娟趙萬(wàn)生王煒陳風(fēng)帆

摘要：葉輪類零件復(fù)雜流道電火花加工中普遍存在整體效率較低、加工狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。提出了電極擺動(dòng)進(jìn)給策略，通過調(diào)整電極進(jìn)給各階段位姿，改善了加工區(qū)域前端工作液流場(chǎng)，擴(kuò)大了加工過程中的蝕除產(chǎn)物排出空間。流道加工試驗(yàn)證明了擺動(dòng)進(jìn)給可有效改善加工穩(wěn)定性，提高整體加工效率。

關(guān)鍵詞：擺動(dòng)進(jìn)給；復(fù)雜流道；電火花加工；加工效率；加工穩(wěn)定性

以閉式整體泵葉輪、渦輪盤為代表的葉輪類零件復(fù)雜流道加工，是電火花加工的一種重要應(yīng)用，其核心是成形電極沿預(yù)先規(guī)劃的路徑進(jìn)給，然后進(jìn)行拷貝加工[1]。由于復(fù)雜流道彎曲狹窄，成形電極在進(jìn)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(chǎn)物迅速帶離電極前端的放電加工區(qū)域，因而易造成放電狀態(tài)不穩(wěn)定，產(chǎn)生拉弧、積碳等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工效率。對(duì)此，通常采用抬刀措施以改善蝕除產(chǎn)物的排出狀況。抬刀回退可分為兩個(gè)階段：首先，電極沿原進(jìn)給路徑回退一定距離，此時(shí)，純凈的工作液從流道外部進(jìn)入加工區(qū)域；然后，電極再次沿進(jìn)給路徑前進(jìn)，將進(jìn)入的工作液壓出加工區(qū)域，蝕除產(chǎn)物隨之被帶出。然而，額外的抬刀運(yùn)動(dòng)勢(shì)必影響整體加工效率。實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)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(jù)加工狀況進(jìn)行調(diào)整[2]。抬刀周期過短，會(huì)影響加工效率；抬刀周期過長(zhǎng)，則難以有效改善加工穩(wěn)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(chǎn)物排出的區(qū)域非常有限；在確保不發(fā)生干涉的前提下，擴(kuò)大電極與葉輪之間的空間，將有助于改善蝕除產(chǎn)物的排出狀況，以達(dá)到適當(dāng)延長(zhǎng)抬刀周期、提高加工效率的目的。對(duì)此，本文提出了電極擺動(dòng)進(jìn)給策略。

圖1 閉式整體泵葉輪電火花加工電極進(jìn)給路徑

1. 電極擺動(dòng)進(jìn)給

電極擺動(dòng)進(jìn)給的目的在于擴(kuò)大電極進(jìn)給時(shí)其前端區(qū)域及側(cè)面區(qū)域的空間，為工作液的沖入提供空間。圖2 是電極擺動(dòng)進(jìn)給的流程。不失一般性，以圖1 所示電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的某階段為對(duì)象，闡述實(shí)施電極擺動(dòng)進(jìn)給的過程。

圖2 電極擺動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)流程圖

電極擺動(dòng)進(jìn)給的實(shí)施對(duì)象為描述電極運(yùn)動(dòng)路徑的數(shù)控代碼，其可根據(jù)代碼行數(shù)分為若干階段。如圖3 所示，第i 階段的電極擺動(dòng)進(jìn)給，以該階段的電極位姿為初始狀態(tài)，以電極安裝孔圓心為旋轉(zhuǎn)中心，分別向C 軸正負(fù)方向、按一定的搜索步長(zhǎng)調(diào)整電極姿態(tài)。每一步調(diào)整后，判斷電極與葉盤的干涉狀況，分別記錄C 軸正、負(fù)方向上發(fā)生干涉時(shí)的轉(zhuǎn)角，記為β1與β2，電極擺動(dòng)進(jìn)給量設(shè)置為δ1=η·β1，δ2=η·β2，其中，η 為擺動(dòng)進(jìn)給系數(shù)（0<η<1），其數(shù)值一般根據(jù)實(shí)際加工狀況選取，通常不超過0.5。未實(shí)施擺動(dòng)進(jìn)給時(shí)的第i 階段的數(shù)控代碼為：

G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)

設(shè)置進(jìn)給搖動(dòng)后的數(shù)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)第i 階段的擺動(dòng)進(jìn)給

經(jīng)擺動(dòng)進(jìn)給后，電極前端及側(cè)面與葉盤的間距有所擴(kuò)大，這為工作液帶離蝕除產(chǎn)物提供了較開闊的空間，有利于改善加工穩(wěn)定性和提高加工效率。

2 .電極擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)極間流場(chǎng)的影響分析

為了更直觀地了解電極擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)改善蝕除產(chǎn)物排出狀況的影響，采用計(jì)算流體力學(xué)方法分別對(duì)“無擺動(dòng)進(jìn)給”與“有擺動(dòng)進(jìn)給”兩種情況下的極間工作液流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬[3]。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，電極抬刀回退在加工中不可避免。對(duì)于加工中的一次抬刀回退，蝕除產(chǎn)物的排出是通過抬刀的第二階段，即電極沿進(jìn)給路徑再次向加工區(qū)域運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)的。以抬刀的第二階段中某一時(shí)刻下，電極與工件之間的極間工作液介質(zhì)作為仿真幾何建模的對(duì)象，具體為：工件已完成第i階段加工，電極再次進(jìn)給至第（i-1）階段時(shí)的位置姿態(tài)（圖4）。模型中的放電間隙設(shè)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(shù)為1.43×10-3 kg/(m·s)；流場(chǎng)穩(wěn)定后處于穩(wěn)態(tài)，流場(chǎng)物理量?jī)H與空間坐標(biāo)有關(guān)，與時(shí)間無關(guān)。

圖4 電極擺動(dòng)進(jìn)給流場(chǎng)仿真建模

抬刀的第二階段，即電極向加工區(qū)域進(jìn)給過程中，其端面對(duì)極間工作液形成具有一定速度的類似活塞運(yùn)動(dòng)，而工作液從電極側(cè)面與工件的間隙處向外部流出。為了簡(jiǎn)化仿真模型，對(duì)邊界條件作如下設(shè)定：以電極端面為入口，入口邊界設(shè)置為速度入口，入口速度為電極向加工區(qū)域運(yùn)動(dòng)的速度，設(shè)置為0.2 m/s；以葉盤兩側(cè)邊緣為出口，出口邊界設(shè)置為自由流出。極間工作液視為層流，網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格。圖5 是無擺動(dòng)進(jìn)給與有擺動(dòng)進(jìn)給情況下，電極完成抬刀并再次向加工區(qū)域進(jìn)給時(shí)的工作液流場(chǎng)速度云圖。對(duì)比可見，擺動(dòng)進(jìn)給時(shí)，加工區(qū)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(qū)域中的蝕除產(chǎn)物獲得更高的速度，進(jìn)而離開加工區(qū)域。

圖5 有、無擺動(dòng)進(jìn)給下的加工區(qū)域前端流場(chǎng)分布

3. 電極擺動(dòng)進(jìn)給驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證電極擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)復(fù)雜流道電火花加工效率及穩(wěn)定性的影響，以圖1 所示的閉式整體泵葉輪為對(duì)象，分別采用“無擺動(dòng)進(jìn)給”和“有擺動(dòng)進(jìn)給”的方式加工單個(gè)流道。為盡量消除影響加工穩(wěn)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(guī)準(zhǔn)見表1[4]。在有、無擺動(dòng)進(jìn)給的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，工件、電極材料與放電規(guī)準(zhǔn)完全一致。

表1 石墨電極加工模具鋼泵葉輪的放電規(guī)準(zhǔn)

圖6 是擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)泵葉輪單個(gè)流道加工穩(wěn)定性及加工效率的影響。在加工穩(wěn)定性方面，電極無擺動(dòng)進(jìn)給加工時(shí)，只有當(dāng)抬刀周期T 縮短至1 s 時(shí)，才能保證穩(wěn)定加工，且在電極前端出現(xiàn)明顯的積碳點(diǎn)。當(dāng)電極增加擺動(dòng)進(jìn)給后，抬刀周期T=1.5 s 即可確保穩(wěn)定加工。

圖6 電極擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)加工穩(wěn)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(dòng)進(jìn)給加工時(shí)，抬刀周期T=1.5 s 時(shí)完成單個(gè)流道加工需耗時(shí)385 min；抬刀周期T=1 s 時(shí)加工單個(gè)流道需耗時(shí)467 min。當(dāng)電極增加擺動(dòng)進(jìn)給后，抬刀周期T=1.5 s 時(shí)完成單個(gè)流道加工僅需耗時(shí)326 min，與相同抬刀周期下的無擺動(dòng)工況相比，加工效率提升了15.32 %，與穩(wěn)定加工的無擺動(dòng)工況相比，加工效率提升了30.19 %。

為了進(jìn)一步了解擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)加工效率的影響，對(duì)電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過程中完成各運(yùn)動(dòng)階段所需的時(shí)間進(jìn)行單獨(dú)分析。需要指出的是，在電極進(jìn)給路徑規(guī)劃過程中，為了提高規(guī)劃效率，電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的早期，各階段間距較大；而后期電極運(yùn)動(dòng)空間較小時(shí)，各階段間距較小。這使得在整個(gè)電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，完成各階段加工的用時(shí)并不相同。

圖7 是當(dāng)抬刀周期T=1.5 s 時(shí)，有、無擺動(dòng)進(jìn)給條件下，完成各相鄰運(yùn)動(dòng)階段所用的加工時(shí)間。可見，在電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的早期階段，擺動(dòng)工況下的加工用時(shí)略高于無擺動(dòng)工況。這是由于電極尚未深入流道，蝕除產(chǎn)物的排出并不困難，此時(shí)，擺動(dòng)進(jìn)給并未體現(xiàn)其功效，相反會(huì)占用一部分加工時(shí)間，影響加工效率。隨著加工的進(jìn)行，電極逐漸深入流道，蝕除產(chǎn)物的排出狀況愈加惡劣，此時(shí)，擺動(dòng)進(jìn)給改善排屑狀況的作用開始顯現(xiàn)，各階段加工效率的提升幅度隨之上升；在執(zhí)行第24 階段運(yùn)動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)單階段加工效率的提升幅度達(dá)到最高值40.3 %。由于電極進(jìn)給至第25 階段時(shí)，流道被加工通暢，蝕除產(chǎn)物的排出狀況隨即改善，此時(shí)，擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)單階段加工效率的提升程度有所下降，但擺動(dòng)進(jìn)給工況下的加工用時(shí)仍略低于無擺動(dòng)工況。

圖7 擺動(dòng)對(duì)電極進(jìn)給各階段加工效率的影響

4 .結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)雜流道電火花加工中整體效率較低、加工狀態(tài)不穩(wěn)定的情況，提出了電極擺動(dòng)進(jìn)給策略，在避免干涉的前提下，通過調(diào)整電極進(jìn)給各階段的位姿，擴(kuò)大電極與工件之間供蝕除產(chǎn)物排出的空間。仿真結(jié)果顯示，擺動(dòng)進(jìn)給可顯著改善加工區(qū)域前端的工作液流場(chǎng)；閉式整體泵葉輪流道加工試驗(yàn)結(jié)果表明，擺動(dòng)進(jìn)給可有效改善加工穩(wěn)定性，降低對(duì)抬刀周期的依賴；隨著電極進(jìn)給的深入，擺動(dòng)進(jìn)給對(duì)提高加工效率的作用愈加明顯。

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