六轴联动创成式电火花加工的电极设计

Ξ第14卷　第4期《燃　气　轮　机　技　术》V o l114　N o.4 2001年12月GAS TURB I NE TECHN OLOG Y D ec.,2001

六轴联动创成式电火花加工的电极设计

厶

贝　敏,姜　虹,于　源,王小椿

(西安交通大学数控技术研究所,陕西西安　710049)

摘　要:提出了一种加工复杂构型的整体涡轮通道的创新思路和六轴联动创成式电火花加工的成形原理及

工具电极设计的方法,建立了电极设计中的数字仿真变分模型,论述了电极路径的求解方法及设计过程的干

涉计算问题,在计算机上仿真完成了某一电极设计计算过程。

关　键　词:电火花加工;电极设计;整体涡轮

中图分类号:T K476;T G661 文献标识码:A 文章编号:1009-2889(2001)04-0023-04

1　前　言

随着性能要求的提高,火箭涡轮泵及各类动力高速机械的转速及压力越来越高,又由于采用定常三维粘性流模型计算出的涡轮叶片具有弯曲、扭转、变截面的复杂几何型面,一般无法解析表达,尤其是广泛应用于航空、航天上的小型弯扭叶片高温合金整体涡轮,因其工件材料难以机械切削,工件加工空间又十分有限,所以难以采用传统的机械方式进行加工。曾在该领域广泛应用的先加工成半封闭叶轮再钎焊罩环或盖板的工艺已无法满足产品的技术要求,而必须在工件上直接加工出封闭的型腔。目前除了材料直接成形,如精密铸造和粉末冶金方法之外,唯一能够实用的材料加工方法就是创成法电火花成形技术。众所周知,用材料直接成形方法制造的零件在强度和精度方面都逊色于经机械加工的锻件,故创成式电火花成形技术是发展航天及国防工业必不可少的关键技术,可使过去认为无法实现的设计思想成为可能。

目前国外在创成式电火花加工机床上采用的工具电极大致分两种:加工规则的型腔时多采用矩形或圆柱形的电极,而加工流体机械上弯曲封闭的通道时则采用弯曲的类似薄铜片的电极。对于后者,虽然薄电极与通道干涉的问题较易解决,但电极损耗严重,影响加工的精度和效率。国内在电火花加工整体叶轮中采用四轴联动技术,尽管解决了电极损耗严重的问题,但对于形状过于复杂的叶轮通道加工问题仍没有解决。经过计算,要加工出某些造型复杂的叶轮通道,必须采用六轴联动技术,而成型电极算法是这一技术的核心。国外对于这类先进加工技术是绝对保密的,因此,为解决整体涡轮通道的加工问题,文中提出了一种加工复杂构型的整体涡轮通道的创新思路,接着阐明了六轴联动创成式电火花加工的成形原理及电极成型设计方法,采用标杆法获得了一种六自由度电火花加工所用电极的数字仿真变分模型,并论述了仿真过程的干涉计算问题,文中采用适用可行方向数值解迭代算法求解了这一约束优化模型,完成了电极计算过程。

2　电极成形的创新思想的提出

考虑到复杂流体机械中的封闭通道往往弯曲狭窄,任何直杆工具都无法加工出流道的全部表面,故首先要研究流道的可加工性问题。文中采用一种逆向思维方式提出了电极成型的创新思想,最初时,可假设有一个假想工具电极充满流道的全部空间,然后边将假想电极从流道中退出,边把电极的干涉部分去掉,当假想电极从流道中完全退出时,就可得到一根“插得进去”的电极。要解决的第一个关键技术就是在每一瞬间时都要选择一个使电极截面损失最小的运动方向,而到了下一瞬时,经过“缩减”的电极又将有一个新的最小损失运动方向。如果在退出过程中电极的最小截面减小到零,说明该零件是无法

・

3

2

・

Ξ收稿日期:2001204201

作者简介:厶

贝　敏(1974～),女,西安交通大学数控技术研究所攻读博士研究生,研究方向是CAD CAM 数控技术。

加工的。反之,则可以得到流道粗加工所需的工具电极。

为了建立将电极从流道中抽出的仿真模型,首先要建立一种半弹性——包络物理模型,而电极的性质要在半弹性体,刚体之间变化。所谓半弹性体是一种只能压缩不能拉伸的假想物质,其变形能与体积压缩量成正比。这样就可以利用电极仿真模型计算出在退出过程中的干涉量,可表示变形能的值。然后用变分法确定电极在六自由度空间的运动方向,通过包络去除电极上干涉部分的实体,再重复上述过程,直至将电极完全从流道中抽出。在电极的物理模型中,保持电极表面上某一点与流道表面上待加工点相切,让变形能推动电极运动,直至变形能达到零或者极小。前者说明找到了一个加工流道上指定点的一个可行的电极位姿,后者说明要在本位姿下加工该点,需要修正电极形状。通过求解变分模型,最终可以得到工具电极的三维构形及创成运动中电极与工件的姿态。

初始状态时,假设电极充满流道的全部空间,因此,可根据涡轮流道表面的offset面形成电极的初始三维构形,将电极的外表面划分成若干拓扑四边形网格,并计算出每一个网格曲面片四个顶点处的电极曲面的法矢,得到标杆线汇。标杆端点在电极表面的型值点,其正向为法矢负方向,将标杆端点及其生长方向存于一链表中,电极在流道中从初始状态退出的过程中,每步利用所计算得到的干涉距离之和,对电极截面损失最小运动方向寻优,当电极表面上的所有点均已运动到流道外的时候,就停止干涉计算及寻优过程。在每一瞬间时所得到的电极截面损失最小的运动方向后,沿此方向运动电极,完成电极从流道退出的一步,如果电极与流道表面发生干涉,将标杆从端点起向生长方向移动经计算得到的干涉距离,并用得到的标杆新端点刷新链表中的对应元素,标杆方向保持不变。在干涉计算过程中,电极已经运动到流道外的部分就可以不再计算。如果流道表面可加工,可将最终得到电极链表中的端点拟合成电极的外型表面。

3　电极设计数字仿真模型的建立

311　数字仿真方法概述

数字仿真方法是通过离散数学的数字计算手段,直接描述电极成型过程的一种方法,故“离散化”与“直接化”为其主要特征。从理论上讲,仿真方法与传统的电极设计思路完全不同,而是以一种逆向思维的方式通过标杆为中介,从而使电极成型的理论模型变为数学规划模型,这种方法在解决整体涡轮流道加工中开辟了一个崭新的思路,具有传统理论与方法无可比拟的优越性。

312　数字仿真模型的基本构思

图1为某一整体涡轮流道的内表面网格;图2为电极的初始外形表面为流道曲面的offset面

,偏置距离为电火花加工的放电间隙值,初始标杆的端点位置为初始电极型值网格点,

方向为电极表面的型值点法矢负方向。动坐标系(OXYZ)在初始状态与静坐标系(oxyz)重合,在电极从涡轮流道中退出的某一瞬时,电极被离散化为若干标杆,其外型面可由标杆端点形成的网格拟合而成。如图3所示某一瞬时电极在流道中的位姿,OQ为电极的瞬时转动轴。电极在某一瞬时的位姿可通过优化计算得到,标杆的干涉计算是优化计算的算法核心,而干涉计算是以标杆的数字仿真模型作为基础的。

图1　涡轮流道表面线框模型

图2　带有标杆的电极初始外形

为了数字仿真的需要,选取动坐标系与电极固联,并假设电极充满流道的全部空间。首先设定坐标参考平面(可以设为初始电极面),在其上各点处按曲面型值点的负法矢方向发出“标杆射线”。

设涡轮通道曲面为已知曲面,R(T)(u t,Μt)为曲面上一点;如已知放电间隙为∆,则初始电极上一点可表示为R(E)(u E,ΜE)=R(T)(u t,Μt)-∆N(u E,ΜE)。

・

4

2

・