双级带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计
电火花加工多个部品改善提案
电火花加工多个部品改善提案白火花加工的精度，通过对电极的优化设计制作、工件定位的精度保证、工件的定位加工三个方面去改善。
从这三方面的改善措施详细讨论了，如何降低和消除电极加工精度误差、电火花加工机的几何精度误差、工件电极的校正精度误差、定位精度误差等，对由火花加工精度的影响，提高电火花加工精度。
并使工艺流程化，为公司带来的直接应用效益。
随着现代工业的深入发展，越来越精密化的市场需求，对企业也提出了更高的加工精度要求，使高精密模具制造能力成为企业的核心竞争力。
公司原+0.005mm的电火花加工精度，已不能满足松下、住友、高野精密、技研新阳等越来越多客户，提出的模具工件电火花加工尺、+0.002mm、清角加工R0.02mm以下高精度要求。
只有满足客户的高精度加工要求，公司才可能实现高精密模具从国外进口到国内制造，降低模具制造成本，提升企业竞争力。
如何提高电火花加工精度,已成为公司刻不容缓的攻关课题!本文从实验性加工、工件的实际制作到流程的改善方面，总结出提高电火花加工精度直接相关的三大方面:电极的优化设计制作、工件定位的精度保证、工件的定位加工和加工中的测量确认。
从这三方面详细论述了如何提高电火花加工精度、工艺流程化，为公司带来的直接应用效益。
此种方法繁琐、效率低下，加工精度不能完全人为控制，高精度要求时加工失败率高。
据改善前公司年度TOC发表时的不完全统计，电火花加工精度达到+0.003mm精度要求的成功率为35%、达到+0.002mm精度要求的成功率几乎为0。
要了解电火花加工精度，我们先要对以下几个概念有初步的了解。
定位精度;是指工件或刀具等实际位置与标准位置(理论位置、理想位置)之间的差距，其不一致量即为定位误差。
差距越小，说明精度越高。
是工件加工精度得以保证的前提。
校正精度:是指工件或电极的校正偏差。
定位不准确误差:工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。
电火花加工中，由于基准球尺寸本身有误差，由此求得的相对位置也存在偏差。
带冠整体涡轮盘电火花加工CAD／CAM技术
Ｃ ＡＤ／ ＡＭ ｏ ｈ ｏ ｄ ｄＢ ｉｋｂ ｌｃｒ — ｓｈ ｒ ｅＭ ａｈｎｎ Ｃ ｆｒＳ ｒ ｕ ｅ ｌ ｙＥ ｅ ｔｏＤｉｃ ａｇ ｃ ｉｉｇ ｓ
ＬｉＧａ ｇ Ｗ ａｎ Ｚｈ ｎ ｏ ｇ ，Ｚｈａ ａ ｓ ｅ ｇ ，Ｗ ｕ Ｘ ｉ ｇ ｎ ， ｇ ｅ ｌ ｎ ｏＷ ｎ ｈ ｎ ａｎ
２ Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ｅ ｈ ｎｃ ｌ ｇｎ ｅｉｇ。Ｓ ａ ｇ ａ ｉｏ Ｔｏ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ． ｃ ｏ ｌｏ ｃ ａ ｉａ Ｅｎ ｉｅ ｒ ｎ ｈ ｎ ｈ ｉ ａ ｎ ｉｅ ｓｔ Ｊ ｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ，２ ０ ３ ，Ｃｈｎ ） ｈｎｈｉ ０００ ｉａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｏ ｐ ｏ ｕ ｅ ｓ ｒ ｕ ｅ ｕ ｂ ｎ ｌ ｋ ｂ ｌｃｒ — ｉｃ ａ ｇ ｃ ｉｉｇ（ ｓｒ ｃ ： ｒ ｄ ｃ ｈ ｏ ｄ ｄ ｔ ｒ ｉｅ ｂｉ ｙ ｅｅ ｔｏ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅ ｍａ ｈｎ ｎ ＥＤＭ ） ｐ ｃａ ｓ ，ａ ｓ ｅ ｉｌＣＡＤ／ ＣＡＭ ｙ ｔｍ ａｌｄ ｔ ｅ Ｂ ｉｋ ｄ Ｃ ｍ ｓ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｔ ｏｖ ｈ ｒ ｂｅ ｓ ｓｅ ｃ ｌ ｈ ｌ Ｃａ ／ ａ ｉ ｅ ｅｏ ｅ ｏ ｓ ｌｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｌｍｓ，ｓ ｃ ｓｅｅ ｔｏ ｅ ｄ ｓｇ ｉ ｇ ｅ ｓ ｕ ｈ ａ ｌｃｒ ｄ ｅ ｉｎｎ
关键词 ： 带冠 整 体 涡 轮 盘 ； ｌ ｋ ａ ／ ａ 电 火 花加 工 ； Ｂ ｉ Ｃ ｄ Ｃ ｍ； ｓ 电极 设 计 ； 迹 搜 索 轨
带冠整体叶轮电火花加工电极结构与运动轨迹设计方法
带冠整体叶轮电火花加工电极结构与运动轨迹设计方法田喜明1袁张云鹏2袁陈阳3渊1.海军装备部袁陕西西安710021曰2.西北工业大学机电学院袁陕西西安710072曰3.中国航发动力股份有限公司袁陕西西安710021冤摘要院利用电火花成形加工带冠整体叶轮时袁由于叶轮通道狭窄尧扭曲袁电极及其运动轨迹复杂袁导致无法使用单块电极完成加工遥对此袁提出了电极结构与运动轨迹同步设计的方法遥首先设置电极的初始运动轨迹袁若电极运动过程中出现无法调整的干涉问题袁则对电极作拆分处理袁直至完成所有电极运动轨迹的设计遥在搜索电极运动轨迹时袁将电极与工件干涉问题设置为约束条件袁建立轨迹搜索最优化模型遥用UG 软件完成电极结构的拆分设计袁并基于电极运动仿真模块生成每块电极的无干涉运动轨迹遥用Ansys 软件对电极进行重力场有限元分析袁验证其刚度遥使用所设计的工具电极进行试制加工实验袁验证了电极结构与运动轨迹设计方法的正确性袁可作为带冠整体叶轮电火花加工的一种通用解决方案遥关键词院带冠整体叶轮曰电火花加工曰电极曰运动轨迹中图分类号院TG661文献标识码院A 文章编号院1009原279X渊2019冤01原0012-04Electrode Structure and Motion Path Design Method for EDM with Cowled Integral Impeller TIAN Ximing 1袁ZHANG Yunpeng 2袁CHEN Yang 3渊1.Naval Equipment Department of PLA袁Xi忆an 710021袁China曰2.School of Mechanical Engineering袁Northwestern Polytechnical University袁Xi忆an 710072袁China曰3.AECC Aviation Power Co.,Ltd.袁Xi忆an 710021袁China 冤Abstract 院In the process of electro -discharge machining (EDM)with cowled integral impeller袁because the impeller passage is narrow and twisted袁the electrode and its motion path are so complexthat the impeller cannot be processed with a single electrode.To solve this problem袁synchronous design method of electrode structure and motion path is proposed.The initial electrode motion path is set up袁if there is any interference that cannot be adjusted during the movement袁the electrode will be split until all the electrode passing successfully.An optimization model is established for trajectory ingUG software to design splitting electrode structure and generated motion path without interference based on motion simulation ing Ansys software for finite element analysis of gravity field袁because the problem of insufficient rigidity of electrode may exist.The designed electrode is used for trial manufacturing and the result shows that electrode structure and its motion path design method are correct.It can be used as a general solution for EDM with cowled integral impeller.Key words 院cowled integral impeller曰EDM曰electrode曰motion path收稿日期院2018-11-02第一作者简介院田喜明袁男袁1977年生袁高级工程师遥整体叶轮是涡轮式发动机的核心部件袁具有叶片造型复杂尧加工精度要求高尧多采用难加工的复合材料制造等特点袁属于典型的难加工零件袁在航空航天尧能源动力尧国防科技等领域有着广泛应用遥由于整体叶轮将叶片和轮盘做成一体袁比传统的装配式叶轮结构更简单尧强度更高尧可靠性更好遥电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期12要要根据整体叶轮结构的不同袁可将其分为开式整体叶轮和带冠整体叶轮两种[1-3]袁其结构分别见图1和图2遥其中袁带冠整体叶轮由于存在叶冠袁导致叶片间的通道狭小且封闭袁采用传统的铣削加工极易发生干涉袁很难甚至无法完成加工遥而电火花成形加工可将成形电极的形状复制到工件上袁加工时不会产生切削力袁且适合于难加工的金属复合材料袁很好地契合了带冠整体叶轮的加工需要[3-4]遥由于叶片间的通道狭小尧造型复杂袁使得成形电极及其运动轨迹的设计成为带冠整体叶轮加工的难点遥目前袁国内外学者针对带冠整体叶轮的电火花加工提出了一系列的观点和方法遥赵建社等[5]提出电极及其运动轨迹的同步设计方法袁通过判断电极撤出时是否与成形面形成干涉袁进而对电极进行位姿变换或切除干涉部分遥廖平强[6]用拟合曲线表示出叶片截面线袁给出了判断电极撤出时是否形成干涉的数学模型遥侯增选等[7]对成形电极的设计提出了减高尧减厚尧拆分等方法袁给出电极运动轨迹算法流程并生成NC 路径遥上述研究大多是针对单块电极进行运动轨迹的设计袁且电极运动轨迹复杂袁一些运动无法用现有的数控电火花加工机床实现遥因此袁本文针对造型复杂尧无法使用单块电极进行加工的叶轮通道袁提出一种电极拆分与运动轨迹同步设计的方法袁以简化设计过程尧降低加工难度遥1带冠整体叶轮工艺分析带冠整体叶轮的结构见图3遥叶轮通道周围的四个型面分别为叶冠内环面尧轮毂外环面尧叶背曲面和叶盆曲面渊图4冤遥由于叶片弧度较大且通道狭窄袁若采用单电极加工将使运动轨迹变得十分复杂袁故需将电极拆分袁用多块电极依次加工同一通道遥在拆分电极时应依照以下原则院渊1冤拆分后袁各电极均应能无干涉地完成加工袁且不能损伤已加工表面遥渊2冤拆分的电极相互之间应有重合部分袁以保证被加工面的完整度遥渊3冤在保证顺利完成加工的情况下袁应使电极数量尽可能少袁以提高加工精度尧简化加工过程遥由于叶冠内环面和轮毂外环面均具有一定的斜度袁导致通道上宽下窄袁若将电极上下拆分袁位于下侧的电极便无法进入通道内部完成加工袁还需再次进行纵向拆分袁造成电极数量增多袁且在频繁更换电极时加工精度也会有所降低遥因此袁电极设计方案为纵向拆分袁所有电极均从一侧旋转进入叶轮胚体进行加工遥选用AQ55L 型镜面火花机加工带冠整体叶轮袁由于机床的电极旋转自由度仅绕Z 轴转动袁故需采用立式加工方法袁即叶轮轴线平行于机床X 轴袁以便于电极作旋转运动袁保证加工顺利进行遥2电极结构及其运动轨迹的设计电极结构设计的总体思路是将叶轮通道造型作为初始电极形状袁设计时对电极作拆分处理袁以便于运动轨迹的设计遥电极运动轨迹设计的总体思路是将成形电极置于加工完成的位置袁逐步将电极从叶轮通道内无干涉地撤出袁以保证加工时不会出现过切现象袁成形电极的进给轨迹即为撤出轨迹的反向运动遥电极结构与运动轨迹的设计同步完成袁具体的设计流程见图5院渊1冤首先不对电极作拆分处理袁初始电极形状图2带冠整体叶轮图1开式整体叶轮图4叶轮通道示意图图3带冠整体叶轮结构54.042.7叶冠轮毂通道通道切向通道电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期13要要即为叶轮通道周围四个曲面与上下端面所围成的几何体曰渊2冤设置电极的初始运动轨迹并将其划分为若干步袁将初始电极沿该轨迹逐步撤出曰渊3冤判断电极撤出的每一步是否与叶轮形成干涉曰若干涉袁则调整运动轨迹曰渊4冤若电极撤出时产生的干涉无法通过调整轨迹予以解决袁则对电极作拆分处理曰渊5冤对拆分后的每一块电极重复执行步骤渊2冤尧渊3冤尧渊4冤袁直至所有电极均能无干涉地从叶轮通道内撤出遥上述步骤可完成带冠整体叶轮单个通道的电极结构与运动轨迹的设计袁并通过以下两种方法实现院使用电极运动曲线函数及叶轮通道曲面函数建立轨迹搜索的最优化模型并求解曰使用三维软件完成电极的造型设计并记录其运动过程的位置坐标遥2.1使用最优化模型求解电极在运动过程中存在四个自由度袁分别为沿三个坐标轴的平动M X 尧M Y 尧M Z 和绕Z 轴的转动兹Z 遥由于装夹叶轮时其轴线平行于机床X 轴袁在撤出过程中电极坐标的x 值单调递减袁故在划分电极运动轨迹的步长时袁可将其沿X 轴分量的位移L X 划分为n 个等距节点{x 1袁x 2袁噎袁x n }袁电极撤出的第i 步即为电极坐标的x 值从节点x i 运动到x i +1的过程遥于是袁电极轨迹搜索问题就变为在已知变量为x i 的情况下袁调整变量y i 尧z i 尧兹Zi 袁求得电极运动曲线u =f 渊y 袁z 袁兹Z 冤袁使叶轮通道曲面F 渊x 袁y 袁z 冤与电极曲面G 渊x 袁y 袁z 冤无交线的问题遥因此袁可建立如下最优化模型遥决策变量用向量表示为院X i =y i 尧z i 尧兹Zi 蓘蓡约束条件为院F 渊x 袁y 袁z 冤屹G 渊x 袁y 袁z 冤目标函数为院u =f 渊X 冤式中院X =X 1袁X 2袁噎袁X n 蓘蓡为决策变量所组成的向量组遥对该目标函数求解后袁可确定电极无干涉撤出的运动轨迹遥2.2使用三维软件设计电极造型根据前文理论分析袁用UG 软件对电极进行造型设计遥造型时袁先将叶冠内环面尧轮毂外环面和相邻叶盆尧叶背曲面偏置0.1mm 作为放电间隙袁初始电极利用偏置后的曲面作为四周型面袁并添加前后两端面缝合成为实体袁最后在电极旋转中心添加刀柄用于装夹遥基于UG 运动仿真模块生成电极运动轨迹袁运动时若发生干涉则调整电极运动的驱动函数遥根据电极及其运动轨迹同步设计流程袁最终将初始电极沿轴向拆分为三部分渊图6冤遥在运动仿真时对每块电极分别设置驱动函数袁由于电极运动形式包括平动和转动袁故应记录成形电极刀柄位置坐标渊x 袁y 袁z 冤及刀柄转角兹Z 袁由刀柄位置坐标生成的一系列离散轨迹点即可表示为电极运动轨迹渊图7冤遥3基于有限元的电极刚度分析由于电火花成形加工时电极与工件不接触袁不产生宏观切削力袁火花放电时的瞬时爆炸力等微观作用力也很小袁不足以引起电极和工件的形变袁电极的形变主要是重力引起的弹性形变遥由于成形电极造型细长袁整体叶轮加工精度要求又较高袁需对电极进行刚度分析袁以保证电极形变量在加工允许的范围内遥选用紫铜作为电极材料袁相较于石墨电极袁紫开始电极数量k =1设置电极初始运动轨迹电极运动步数i =1拆分电极k =k +1电极沿轨迹逐步撤出运动步数i =i +1是否干涉调整电极运动轨迹是否干涉是否完全撤出结束YYNNN图5电极及其运动轨迹同步设计流程图图7电极运动轨迹生成结果电极1电极2电极3图6电极造型结果Y 电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期14要要铜具有良好的导电性和加工稳定性袁加工时的电极损耗较小尧精度较高遥紫铜的密度为8978kg/m 3袁弹性模量为1.2伊1011Pa袁泊松比为0.38遥基于Ansys 软件AIM 模块对电极进行有限元分析袁确定在重力场作用下的电极形变量遥设置材料属性后袁分别对三块电极划分网格并施加重力场作用袁求解后分析位移大小云图袁由图8可知袁电极2的形变量最大袁最大处为4.55滋m遥分析可知袁由重力引起的电极形变量较小袁在加工精度所允许的范围之内遥因此袁不必对电极进行形状补偿袁实际加工所用的成形电极即为图6所示的形状遥4加工实验针对图3所示带冠整体叶轮袁利用设计的成形电极进行试制加工实验袁检验电极及其运动轨迹的正确性遥加工前袁需按工件所要求的加工精度和表面粗糙度来确定相关的工艺参数遥由于此次加工为半精加工袁且电极造型复杂袁故优先选用电极磨损相对较小的电加工参数遥加工设备为AQ55L 镜面火花机袁工作液为煤油袁加工结果见图9遥经测试袁叶片型面误差为依0.1mm袁表面粗糙度Ra 臆6.3滋m袁放电凹坑较浅曰后续经抛光等工艺处理可得到光亮平整的表面袁加工结果满足设计要求遥本次试制加工实验验证了电极及其运动轨迹设计的正确性袁同时证明了该设计方法的合理性袁该方法也可作为此类问题的一种通用解决方案遥5结束语电火花成形加工是带冠整体叶轮制造的有效方法之一遥本文针对通道造型复杂尧无法使用单块电极完成加工的带冠整体叶轮袁研究了电极拆分与运动轨迹同步设计的方法袁并通过求解轨迹搜索最优化模型和使用三维软件完成设计的方法得以实现遥针对成形电极造型细长而可能存在刚度不足的问题袁基于重力场的有限元分析袁确保电极形变量在加工允许的范围之内遥通过试制加工实验结果可知袁提出的电极结构及其运动轨迹设计方法对于电火花加工带冠整体叶轮合理有效袁可作为此类问题的一种通用解决方案袁并对电火花加工其他复杂造型的整体构件具有借鉴意义遥参考文献院[1]王春松.整体叶轮五轴加工技术的研究与应用[D].南京院南京理工大学袁2012.[2]赵万生袁吴湘袁詹涵菁袁等.带冠整体式涡轮盘的CAD/CAM[J].推进技术袁2003袁24渊4冤院380-383.[3]郭紫贵袁云乃彰袁张磊.带冠整体叶轮加工现状及新方法探索[J].中国制造业信息化袁2004袁33渊6冤院102-104.[4]孙晓岚.闭式整体叶盘电火花加工表面质量研究[D].上海院上海交通大学袁2013.[5]赵建社袁周学德袁周旭娇袁等.带冠整体叶轮电火花加工电极及其运动轨迹同步设计方法[J].兵工学报袁2017袁38渊4冤院744-749.[6]廖平强.带冠整体涡轮电火花加工技术研究[D].西安院西北工业大学袁2007.[7]侯增选袁郭超袁赵宁袁等.整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工编程[J].大连理工大学学报袁2013袁53渊4冤院521-525.图8电极2重力场分析云图位移/滋m 12340图9带冠整体叶轮试制结果电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期15要要。
带叶冠整体式涡轮盘的多轴联动数控电火花加工
生受热变形，且电极使用寿命也会缩 短；如 果 减 厚 量 过 小，则 电 极 较 厚， 难以获得足够的运动空间，导致电极 进给轨迹复杂，甚至无法获得无干涉 的进给轨迹。鉴于以上特点，实际设 计三维成型电极时，应在保证获得无
干涉进给轨迹的同时，尽可能采用较 大的电极厚度。
减高处理通过将叶冠向涡轮中 心移动，然后对电极进行布尔运算， 获得减小电极高度，同样可以获得更 大的运动空间，减高处理后的电极， 加工叶冠表面和加工轮毂表面的电 极型面不是同圆心，故该方法在设计 中即已存在误差。减高处理只适用 于泵叶轮类零件。
上述电极设计和轨迹搜索已集 成在自行开发的带叶冠整体式涡轮 盘 电 火 花 加 工 专 用 CAD/CAM 系 统中 。 [5，8]
在获得无干涉的轨迹之后，该系 统还可以进行加工仿真，模拟实际加 工情况；并可以对搜索获得的轨迹 进行变换处理，生成电火花加工机床 可执行的数控代码。
带叶冠整体式涡轮盘多轴 电火花加工试验
为了验证上述技术的正确性，进
行了带叶冠整体式涡轮泵叶 轮多轴电火花加工试验。 1 成型电极的制造
成型电极通过单向走丝 线切割加工和数控多轴铣削 加 工 而 成。 其 加 工 过 程 中 所 需要的数控代码也是采用上 述自行研发的“带叶冠整体式 涡 轮 盘 专 用 C A D / C A M”系 统 自 动 生 成。 电 极 加 工 完 成 后，可通过三坐标测量仪检测 其型面精度。 电极通过电极杆安装在电火花 机床主轴之上。电极安装孔和电极
在 实 际 电 火 花 加 工 中，电 极 和 涡轮叶片之间存在一定的放电间隙 δ [6]。在电极设计中，需要将原始电 极型面缩小偏置以补偿放电间隙所 带来的误差，偏置后的电极型面和原
2009 年第 2 期·航空制造技术 101
电火花工具电极的改进
如图１ 所示， 此模 为转轴 的压胶模 ，属一 模两 、２
腔，由于转轴精度的高低直接影响转轴的工作情况，
因此转 轴要有 较高 的精度 。根 据模具 型腔尺 寸精 度比
前言
目前， 电火 花加 工技 术在 模具 制造 行业获 得广 泛 的应用 ，在 模具 的 主要 型孔 型腔 、型面 大部 分都 是 用电火 花机 床加 工 出来 的， 加工 效果 的好坏 直 接影 响
工 序是 车 、铣 、精 铣 、钻 和钳 工修 整
转 轴 电极 如 图３ 示． 由图可 看 出 ，９± 所 ６
ｒ１ ｔ
０ ０ｍ ￣ 两 边３ ．￣． 尺 寸 的 中心 平 分 线 之 间 的 距 ．２ｍ ２９００ ０２ 嗍
离 ， ３ ．＋，ｒ为 电极轴 向尺 寸， 这两 个 尺 寸控 制 装 ２９ｏ＝ｍ ｏｒ ｏｌ 到 电极 固定 扳上 定位 尺寸 。
的相对位置的正确性 电极安装时。电极固定板上没
图 ３转轴 电极
有 定 位 机 构 ， 只 用螺 钉将 电极 紧固 ， 定 位 尺 寸６ ± ５
维普资讯
Ｏ ０ｍ 两 电极 的 相 互 平行 度难 以 ．５ｍ
保 证 。增加 了电极安 装的难 度 。
尺 寸精度 、结 构形 式和 安装 精度 会直 接影 响 到所 加工
模具的精度。一般要考虑电极加工方便，装夹校正 、
定位 快捷 准确 ，重 复定 位性 好 。下面 对高 精 度压胶 型
腔模 加 工过程 中存 在的 问题分 析如 下：
１ 方头电极加工时降低了加工效率
由于 进行 单 个 型 腔 加 工， 要 依 次 加 工 完 两型 腔 四个部 位 ，所需 要 的加 工 时 间较 多， 而 且加 工最 后一
涡轮叶冠的优化设计技术研究
（ ｃｏｌ ｆ ｅ Ｐ ｏｕｓ ｎ Ｂ ｉｎ ｎｖｒｉ ｆ ｅｏ ａ ｔ ｓ ｎ ｓ ｏ ａｔ ｓＢ ｉｎ ０ １ １Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｏ Ｊｔ ｒｐ ｌ ｏ ， ｅ ｉｇＵ ｉｅｓｙｏ ｒｎ ｕｉ ｄＡ ｔ ｎ ｕｉ ， ｅ ｉｇ１０ ９ ， ｈｎ ） ｉ ｊ ｔ Ａ ｃａ ｒ ｃ ｊ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｒ ｕ Ｄｅ ｉ ｎ； ｔ ｚ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｈ ｏ ｄ； ｓｇ Ｏｐ ｉ ａ ｉ ｍｉ ｏ
＋ 一＋ 一＋ 一 ＋ 一 ＋ － ＋ 一＋ 一— 一＋ － 卜 ＊・ 一 — 卜 ＋ 一－一 ＋ — 一 ＋ ”—一 ＋ — 一 ＋ ”—＿ — 一 ＋ 一 — 一－ ＋ — 一 — 一一 ＋ － ４ — 一 － －－
【 摘
要】 叶冠作为涡轮叶片的关键结构 ， 直接影响叶片的强度 、 振动 、 可靠性 、 寿命甚至发动机的
安全 。依 据航 空发动机 叶冠设计 的一般 准动机 涡轮 叶 片
的叶冠。并 以 ｉＩ Ｈ ＳＧ Ｔ为优 化平 台， 集成 了结构建模和计 算分析软件 ， 构建 了叶冠优化 设计流程 ， 在此基
ａ ｐ ｅ ｒｖｓｔａ ｔｅｐｏｅｓｐｏ ｉｅ ｙ ｉ ａ ｏ ｔ ｐｉ ｚ ｉ ｅｔｒｉｅｂ ｄ ｈｏ ｄ ｉ ａ ａ ａ ｌ， ｍ ｌ ｐ ｏｅ ｔ ｈ ｒｃｓ ，ｒｖｄｄ ｂ ， ｕ ｏ ｔ ａ ｏ ｏ ｔ ｕｂｎ ｌ ｅｓｒｕ ｖｉ ｂｅ ｈ ｔｂ ｍｉ ｎ ｆ ｈ ｔ ａ ｓ ｌ ａ ｄｉｓｐ ｌ ｓ ｎｅ ｅｔ ｅｍ ｔｏ ｓ ｄｏ ｔ ｉ ｅｓ ｌ ｏ ｐｉ ｅ ｏ ｅ ． ｎ ｐ ｉ ｃ ｖ ｅｈ ｄｔ ｄ ｉ ａ ｉ ｚ ｔ ｉ ａ ｃ ｍ ｌ ａ ｄｍ ｄｌ ｔｕ ｅ ａ ｆ ｉ ｏｅ ｇ ｎ ｐ ｍ ｅ ｈ ｍｉ ｎ ｒ ｃ ｔ ｓ
闭式整体涡轮叶盘多轴联动电火花加工电极运动路径规划
闭式整体涡轮叶盘多轴联动电火花加工电极运动路径规划刘晓;康小明;赵万生【摘要】多轴联动电火花加工作为闭式整体涡轮叶盘的主流加工方法,其电极运动路径规划至关重要.为此,提出了一种电极运动路径规划的方法,使电极尽可能沿涡轮叶盘流道中心曲线运动,获得电极的最佳位置姿态.基于该方法,对某闭式整体涡轮泵叶轮进行了电极设计与电极运动路径规划,加工试验结果证明了该方法在加工效率与成本上的整体优势.%Multi-axis NC electrical-discharge machining (EDM) is an effective approach for processing shrouded blisks. The key to shrouded blisk processing is to search an interference-free electrode path. A new electrode path searching method was proposed in this paper, which make the electrode move along the centre curve of blisk channel to get the optimized electrode posture. Taking a shrouded impeller as an example, electrode design and electrode path searching were conducted, and the experiment results show that this method not only improves the processing efficiency, but also reduces the electrode cost.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2012(000)001【总页数】5页(P11-14,50)【关键词】闭式整体涡轮叶盘;多轴联动电火花加工;电极运动路径规划【作者】刘晓;康小明;赵万生【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TG661涡轮叶盘作为航空航天发动机的核心部件,直接关系到发动机系统的成败,是决定整机性能和维护成本的关键部件之一。
电火花创成加工整体涡轮电极运动的研究
《 机床 与液压》２ Ｄ 。 ０２ Ｎ
电 火花 创成 加 工 整体 涡 轮 电极 运 动的 研 究
贪 敏 ， 爨 莹 ，于 源 ，王 小椿
（ 西安 交通 大学数 控技 术研 究所 ，７０ ４ ） １０ ９
摘要 ：本 文利用标杆 法提出 ｒ电火花加 Ｉ整体涡轮复杂流道 曲面确定精加 工余量的算 法 ，基于运动学 中用齐状坐标 及其变 换 描述位 姿的方法 ．提出 ｒ一种计算无干涉创成加 １中电投运动他姿 的算法 ，用算例证 明了所建立模 型的可行性 及有救性 ：
图 １ 复 台 变换
同相对位置 （ 刀位 ）进行 加 工 与传统 的 电火花 成 型 加工 相 比，大 大提 高了加 工 的柔性 ，而 且加 工质 量 更 加 稳定 。但要 求具备 自动化 程 度较 高 的数控 电火花 机
床 ，一般具有 ４～ ６轴的 伺服 系统 针对 电火 花剖成 加
想 ，如全三维 （ 扭转 加侧 斜 ）翼 型 和整体 叶冠 （ 围 包 叶片 的完 整护圈 ） ，加 之新型 功能材料的采用 ，使涡轮
叶盘 的加 工极 端 困难和 耗 时 。制 造 界一直 在 寻找 加工
Ａ 位置 ； 用旋 转矩 阵 来描述 ｛ 相剥 于 ｛ 的方位 ， ＢＩ Ａｉ
如图 ｌ 所示对于任 一点 Ｐ 两坐标 系 ｛ ｛ 中的描 在 Ａ 和 Ｂ｝ 述 和 具有如下关系 ：
体 Ｂ的位姿 可由坐标系 Ｉ 来 描述 ．即有 Ｂ
。
镶嵌单独制造 的叶 片 。这 种非 整体 式结 构 使得 涡轮 十 分笨重 ，其结构 复杂性 直 接 导致 涡轮 耐 久性差 ，使 用 户 承担 的寿命周 期费 用急 剧 增加 。随着 设计 理论 的不
断创 新 ，提出 了整体 涡 轮 叶盘技 术这 一 先进 的设 计思
带叶冠整体式涡轮盘的多轴联动数控电火花加工
带叶冠整体式涡轮盘的多轴联动数控电火花加工
刘晓;康小明;赵万生
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2009(000)002
【摘要】由于加工材料范围广，可实现多自由度联动控制，可以加工精度要求很高的零件和几何尺寸窄小的流道等优势，多轴联动数控电火花加工成为制造带叶冠整体式涡轮盘的理想选择。
【总页数】3页(P100-102)
【作者】刘晓;康小明;赵万生
【作者单位】上海交通大学;上海交通大学;上海交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】V2
【相关文献】
1.双级带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计 [J], 张昆;杨一明;申泱;王华宾;沈岩
2.大栅距等锥形带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计 [J], 张昆;白淳;吕琳;马海鹏;沈岩
3.大栅距带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计 [J], 张昆;张晓阳;马海鹏;白淳;沈岩;张玉广
4.大栅距带叶冠涡轮盘电火花加工工艺优化设计 [J], 张昆;张晓阳;钟晓红;沈岩;白淳;马海鹏
5.基于RT-Linux的开放式五轴联动电火花加工数控系统及其在带冠涡轮盘加工中的应用 [J], 王彬;杨建芳;郭妍;王振龙;迟关心
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涡轮盘榫槽电火花线切割加工质量研究
涡轮盘榫槽电火花线切割加工质量研究
李先国;孙伦业;高鑫;储昭福
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】为了提高涡轮叶盘榫槽电火花加工的材料去除率、几何形状精度,文中采用3种相同直径、不同材质的电极丝,进行电火花线切割GH4169枞树形榫槽的对比实验。
采用不同工艺规准下的3道线切割工艺:第一次切割使用较大脉冲能量,加工出外形轮廓;第二次切割消除工件在上次加工中产生的变形,提高工件尺寸精度;第三次切割对工件表面进行精修整,减小工件表面变质层。
对加工后榫槽进行材料去除率的计算、几何形状精度和轮廓偏差的测量,分析电火花线切割加工对榫槽加工质量的影响。
试验结果表明:在高速线加工下榫槽的材料去除率最高;不同电极丝加工后的榫槽几何形状精度均在要求的0.075 mm之内;线切割加工的榫槽轮廓偏差都在0.030 mm左右,同时采用黄铜丝加工的榫槽轮廓偏差最小。
采用电火花线切割工艺加工出的榫槽几何形状精度和加工质量均满足加工要求,显示出该工艺巨大的技术潜力。
【总页数】4页(P55-58)
【作者】李先国;孙伦业;高鑫;储昭福
【作者单位】安徽理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG661
【相关文献】
1.一至六级双翼涡轮盘榫槽加工工艺研究
2.涡轮盘榫槽线切割加工工艺研究
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带冠整体涡轮盘电火花加工CAD_CAM技术
第39卷第2期2007年4月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of N anjing U niversity of Aero nautics &Astronautics V ol.39N o.2 A pr.2007带冠整体涡轮盘电火花加工CAD /CAM 技术李 刚1 王振龙1 赵万生2 吴 湘1(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001; 2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030)摘要:叙述了作者研发的带冠整体涡轮盘电火花加工专用CAD /CA M 系统——BliskCad /Cam 。
该系统解决了电极设计与制造、加工轨迹搜索、加工仿真与精度检测等技术难题。
对某航空发动机的带冠整体涡轮盘进行的实验结果表明,BliskCad/Cam 完全能够满足加工精度要求,并缩短加工准备时间50%以上。
关键词:带冠整体涡轮盘;BliskCad/Cam;电火花加工;电极设计;轨迹搜索中图分类号:V 434+.21;T G 661;T P 391.7 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2007)02-0253-05 收稿日期:2006-03-06;修订日期:2006-05-21 作者简介:李刚,男,博士研究生,1978年11月生;王振龙(联系人),男,教授,博士生导师,E -mail :w angZ L @hit .edu .cn 。
CAD /CAM for Shrouded Blisk by Electro -Discharge MachiningL i Gang 1,W ang Zhenlong 1,Zhao W ansheng 2,Wu X iang1(1.Scho ol of M echanical and Elect rical Engineer ing ,Harbin Institut e of T echnolog y ,Harbin,150001,China;2.Schoo l of M echanical Eng ineering,Shang hai Jiao T ong U niver sity ,Shang hai,200030,China )Abstract :To produce shrouded turbine blisk by electro -discharg e m achining (EDM ),a special CAD/CAM system called the BliskCad /Cam is dev elo ped to solve the problem s ,such as electrode designing and manufacturing ,searching path fo r m ulti-ax is NC-EDM ,and pr ecision m easurement and detectio n,etc.BliskCad/Cam can perform param etrical reconstruction of 3-D model of the blisk,intellig ent desig n of complex shape electr ode,autom atical gener ation o f NC codes for electr ode manufacturing ,searching of interference -free to ol path for multi -axis NC -EDM and m achining simulation ,etc .An ex periment on the shrouded blisk of a certain aer oeng ine proves that BliskCad/Cam m eets the requirements o f hig h pr ecision m achining ,and also reduces 50%of the accessorial tim e.Key words :shr ouded blisk ;BliskCad /Cam ;electro -discharg e machining ;electro de desig n ;pathsearching引 言涡轮盘是航空、航天发动机的核心部件,其性能直接影响航空、航天器的推力和发射成功率[1]。
带冠整体叶轮电火花加工电极及其运动轨迹同步设计方法
带冠整体叶轮电火花加工电极及其运动轨迹同步设计方法赵建社;周学德;周旭娇;汪文峰【摘要】Electrical discharge machining (EDM) is an important process technique to machine the cowled integral impeller,and the processing quality and efficiency are directly influenced by the design of electrode and its feeding path.The design of electrode and its feeding path is very complicated because of the narrow and twisted channel between two blades.A synchronous design method of electrode and its feeding path is put forward to get a maximum stiffness electrode with complete forming surface corresponding to the blade's surface,and its implement method is also studied based on UG software.The design efficiency,machining accuracy and stability are all improved significantly.A cowled integral impeller's EDM experiment is verified.%电火花加工是带冠整体叶轮整体制造的重要工艺方法,其电极及加工运动轨迹设计直接影响加工质量和加工效率.由于带冠整体叶轮叶间流道弯扭狭窄,使得电极及其运动轨迹设计往往比较复杂.提出一种以保证电极成形面完整和最大刚度为核心的电极及其运动轨迹同步设计方法,并基于计算机辅助设计UG二次开发平台研究了该同步设计方案的实现方法.以某型带冠整体叶轮的试制加工为例进行了试验验证,结果表明该方法可显著提高设计效率,并能够满足加工精度和加工稳定性要求.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】6页(P744-749)【关键词】机械制造工艺与设备;带冠整体叶轮;电火花加工;工具电极;运动轨迹;同步设计【作者】赵建社;周学德;周旭娇;汪文峰【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心,四川成都610213;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG661带冠整体叶轮与传统装配式叶轮相比，具有体积小、质量轻、效率高、可靠性高等优点，已经越来越广泛地应用于航空航天、武器装备领域。
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图2双级带叶冠涡轮盘叶片位置结构图双级带叶冠涡轮盘电火花加工电极优化设计张昆,杨一明,申泱,王华宾,沈岩(首都航天机械有限公司,北京100076)摘要:以某型号双级带叶冠涡轮盘电火花加工电极设计为例,分析了原电极设计的不足。
通过改进设计方法,增加了电极厚度,设计了二合一的组合电极。
最终,优化了电极的线切割工艺,缩短了安装、找正的时间,提高了加工效率。
关键词:带叶冠涡轮盘;电火花加工;电极中图分类号:TG661文献标识码:A文章编号:1009-279X (2018)04-0018-02Optimization Design of EDM Electrode for Two Stage Turbine Blisk with ShroudedZHANG Kun ,YANG Yiming ,SHEN Yang ,WANG Huabin ,SHEN Yan(Capital Aerospace Machinery Corporation Limited ,Beijing 100076,China )Abstract :A military product is taken as an study case to analyse design shortcoming of electrodein conventional electro -discharge machining.By improving structure and increasing thickness of electrode ,an innovative 2-in -1electrode combination is developed.As the result ,the wire cutting technique is opotimized ,the installation and alignment time is reduced and machining efficiency isenhanced.Key words :turbine blisk with shrouded ;EDM ;electrode收稿日期:2017-12-28第一作者简介:张昆,男,1976年生,研究员。
整体式带叶冠涡轮盘结构代表了目前国际上航空航天发动机的发展趋势。
该结构可避免高速运行时叶片发生断裂现象,大幅提高了发动机的可靠性。
我国新一代运载火箭发动机涡轮泵均采用了带叶冠结构,其叶片加工方式主要采用多轴联动精密数控电火花加工技术[1-2]。
一般的带叶冠涡轮盘为进出口等径,电极设计与加工轨迹搜索相对简单。
而双级音叉整体结构的带叶冠涡轮盘(图1),其中一级进出口有一个±10°的倾角,其顶、底径呈正反锥形(图2)。
由于两级间距不足20mm ,导致电极设计受到很大的限制,电火花加工轨迹搜索过程种也极易产生干涉现象。
为此,本文针对带有锥度的一级涡轮盘叶片进行了电极优化设计,所用方法及设计思路同样适用于二级涡轮盘。
1电极设计方案通常,电极设计主要分为减厚(图3)、减高(图4)两种方法[3]。
由于一级涡轮盘叶片通道狭窄,设计电极时需将电极拆分为左、右两个电极(图5),除了采用减厚设计法之外,还需进行减高设计,而左侧电极减高后的高度应低于叶片左侧通道入口的高度。
由图1可看出,叶片形状为左右对称的月牙形,电极结构及运动轨迹也应为左右对称。
就设计的先后顺序来说,由于一级涡轮盘叶片左侧高度小于右侧,故只需优先设计左侧电极,然后通过镜像方法得到右侧电极,并进行适应性修改。
图1双级带叶冠涡轮盘结构示意图电火花加工《电加工与模具》2018年第4期18——图4电极设计减高处理原理图图6是同时采用减高和旋转角度减厚法设计的左电极,电极最薄处仅约0.3mm 。
理论上,该电极可用于加工,但考虑到放电及电极损耗,电极数量会大大增加。
同时,A 轴在加工过程中会一直参与旋转伺服放电,导致加工效率变低,故需对电极进行优化设计。
2电极优化设计优化设计的电极见图7,电极最薄处为1mm 。
为了减少加工过程中A 轴放电,在搜索轨迹时,先将涡轮盘处于叶背加工位置,搜索出无干涉的加工轨迹;再根据设计电极时旋转的角度将涡轮盘旋转相同的角度,使涡轮盘处于叶盆加工位置,并在该位置利用加工叶背的电极重新搜索加工叶盆的加工轨迹。
通过这样的优化设计,利用一个电极、两个程序即可完成叶片通道叶背、叶盆的加工,同时由于A 轴仅用于数控分度,不参与伺服放电,加工效率也得到大幅提高。
此外,原工艺需使用五轴联动精密数控电火花加工机床,改进后只需使用四轴联动机床外加一个数控分度转台即可加工叶片,降低了对机床的要求。
为了进一步提高加工效率,先设计使用了如图8所示的组合电极进行粗加工。
该设计方案需分别装夹左、右组合电极,同时需调用各自不同的加工程序,加工不方便且效率低。
根据双级涡轮盘结构特点,右侧的音叉结构在加工时会存在电极干涉。
为此,优化设计了左右二合一的整体式组合电极(图9),同时将左、右电极的加工程序合并成一个。
优化后,只需装夹、定位一次电极、调用一次程序即可完成涡轮盘叶片的粗加工,在减少工人操作次数的同时,也消除了原左、右组合电极定位基准不一致而带来的加工误差。
3电极线切割加工工艺优化设计本文研究的涡轮盘为直纹叶片结构,所以单个电极可采用单向走丝电火花线切割加工完成。
优化前的方案由于需要电极搭接,左、右电极只能采用两块毛坯切割完成;优化后的方案由于左电极A 、B 的长度不同,故可考虑将左、右电极交叉分组,在一块毛坯上切割一次圆弧即可完成两个电极的加工(图10),从而减少了线切割的安装、找正次数。
叶冠电极叶片A 轮毂叶片B ′电极运动空间叶片B图3电极设计减厚处理原理图叶冠移动后的叶冠电极运动空间叶片A 轮毂电极叶片B叶片左电极右电极图5一级叶片电极剖分结构图(a )一级左组合电极(b )一级右组合电极图8组合电极(a )组合电极(b )加工示意图9一级左右二合一整体式组合电极图6A 轴参与加工的左电极(a )一级左A 电极(b )一级左B 电极图7优化设计的左电极(下转第24页)电火花加工《电加工与模具》2018年第4期19——法。
分析原因:BP 在线优化算法能根据不同的加工深度和加工状态及时修正伺服策略,比如:在排屑困难的情况下适当改进加工策略,减小进给速度、增大回退速度,有效避免了短路的发生,从而在一定程度上提高了加工效率和加工精度。
由图7可知,当加工深度较小时,加工较顺畅,三种算法的加工速度均较大;但随着加工深度的增加,排屑越来越困难,BP 在线优化算法的加工速度较大,即在相同加工深度下所需加工时间更少。
3结束语基于模糊控制的BP 在线优化算法能针对加工状态进行最优的伺服控制,采用下位机实现核心控制算法,保证了伺服控制的稳定性和实时性。
实验表明,该方法能提高加工效率和加工精度。
参考文献:[1]赵亚军,白羽.微细电火花加工过程的模糊控制[J].机械制造,2014,52(601):51-53.[2]张勇,赵航,张广玉,等.微细电火花加工系统及其工艺技术[J].中国机械工程,2008,19(5):526-530.[3]BOCCADORO M ,DAUW D F.About the application of fuzzy controllers in high -performance die -sinking EDM machines [J].CIRP Annals -Manufacturing Technology ,1995,44(1):147-150.[4]任小涛.微细电火花加工智能控制算法的研究与应用[D].大连:大连理工大学,2009.[5]罗元丰,赵万生,狄士春.电火花加工放电状态的检测及神经模糊控制[J].高技术通讯,2000:72-74.[6]LIU Ying ,ZENG Weiliang.Research on fuzzy control algorithm with double parameters detection of micro-EDM [J].Applied Mechanics and Materials ,2011,65:75-78.[7]KAO C C ,SHIH A J.Design and tuning of a fuzzy logic controller for micro -hole electrical discharge machining [J].Journal of Manufacturing Processes ,2008,10(2):61-73.[8]WANG Y K ,GENG X S ,WANG Z L ,et al.Experimental study of titanium alloy micro-holes by EDM fuzzy control system [J].Advanced Materials Research ,2015,188(2):195-198.[9]WU Y X ,WANG C Y.The optimization of EDMmachining parameters of graphite electrode on BP neural network [J].Applied Mechanics &Materials ,2013,331:604-607.图7三种算法在C 条件下的时间与深度的关系曲线图BP 在线优化模糊控制平均电压法1002003004005006000.501.001.50加工深度/mm由于该电极圆弧带有锥度,采用电极杆装夹固定时难以用螺母从底面进行紧定,因此将电极杆附近的非放电锥度部分进行取平设计(图11)。
优化后,毛坯厚度减少了4mm ,且电极杆装夹部位为平面结构,便于采用螺母紧定电极。
3结束语通过对双级带叶冠涡轮盘电火花加工电极进行优化设计,将原先的单个电极拆分为A 、B 两个电极,增加了电极厚度,降低了电极损耗。
将左、右单个组合电极合二为一,减少了安装找正定位时间。
将左右电极线切割用毛坯合二为一,实现了一次装夹切割两个电极,提高了加工效率。
参考文献:[1]陈济轮.数控电火花加工技术在航空航天领域的应用与展望[J].电加工与模具,2011(增刊):27-30.[2]田继安.涡轮转子喷嘴叶栅环带冠叶片电火花加工[J].航天制造技术,2003(2):14-18.[3]李刚,王振龙,赵万生,等.带冠整体涡轮盘电火花成形电极的设计与制造[J].航空精密制造技术,2006,42(6):36-39.右A 电极右B 电极左B 电极左A 电极图10左、右电极的线切割加工示意图(a )优化前(b )优化后图11优化前后线切割电极毛坯示意图(上接第19页)电火花加工《电加工与模具》2018年第4期24——。