大型精密(mì)六軸聯(lián)動數控(kòng)電火花成形機床的研發應用(yòng)
2020-6-1 來源:- 作者:-
近年來,隨著航天航空、軍工、能源(yuán)領(lǐng)域的重型運載火箭(jiàn)、大型能(néng)源壓縮機等(děng)產品(pǐn)快速發展,眾多大型型麵空(kōng)間(jiān)扭曲類關(guān)鍵零件(jiàn)需求不斷增多,如大型閉(bì)式(shì)渦輪盤、大型整體閉式葉輪、整體帶冠(guàn)渦輪盤等。這類(lèi)零件是發動機、大型壓縮機的“心髒”零(líng)件,具有型麵空間扭曲較大、結構複雜、特殊材(cái)質、超硬、耐(nài)高溫等(děng)特點,使用普通機床難以完成,電火花加工則有著巨大的技術優(yōu)勢。
北京市電(diàn)加工研究所針對航天領域重(chóng)型運載火箭發動機大型帶葉冠整體式渦輪盤、帶葉冠導向(xiàng)環和噴嘴葉柵環,能源領域整體閉式葉輪等(děng)關鍵(jiàn)零件的製(zhì)造難(nán)題,借助國家(jiā)相關科技專項的支持,在自主知識產權五軸聯動(dòng)電火花加工機(jī)床及葉輪等特殊零件電火花加(jiā)工技(jì)術的基礎上,突破裝備技術、電源開發、軟件開發、加工工藝、裝配、檢測(cè)等技術“瓶頸”,研發了國內首台大(dà)型精密六軸聯動數控電火花成形加工機床(見圖1)及工藝技術,為航天航空、軍工、能源等領域(yù)提供(gòng)了關鍵製造裝備,並可推廣至模具、汽(qì)車等領域(yù)中。
圖1 A2190大型精(jīng)密(mì)六軸聯動數控電火花成形機床
一、產品主要技術參數、性能和特(tè)點
1. 機床技術參數
機床部分技術參數見下表。
2.機床主要性能(néng)
(1)具(jù)備六軸數控、六軸(zhóu)聯動(dòng)功能。
(2)具備(bèi)數控係統集成三維CAD/CAM軟件,實現編程加工無縫連接功能。
(3)具備帶冠渦(wō)輪盤、整體閉式葉輪等複雜結構的電火花成形加工功能。
(4)具備加工鈦合金、高(gāo)溫耐熱合金等難加工材料的電火花成形加工功能。
3. 機床主要特點
(1)六軸聯動大型電火花機床行程大,保證大型渦(wō)輪盤的加工空間。
(2)采用六軸(zhóu)聯動加工,可減少電極設計數量,減少裝夾(jiá)次數,降低因反複裝(zhuāng)夾產生的(de)精度損失。
(3)采用六軸聯動編程(chéng)加工,電極可(kě)實現更複雜軌跡運動。
(4)大功率的脈衝電源實現高效快速的去除,提高加工效率(lǜ)。
二、關鍵技術研究內容及創新點
1. 研發(fā)大型數控電(diàn)火花成形機床主機及關鍵部件
研發的大型精密六軸聯動數(shù)控電火花成(chéng)形機床主機(ZL201410150558.8,ZL201520382510.X)采用傾斜滑板式結構,有效改善了現有機(jī)型的(de)結構動態特性,保(bǎo)證了(le)設備的加工精度。
通過CAD/CAE建模仿真分析、基於(yú)多體運動學理論(lùn)的電火花機床幾何誤差分析、熱(rè)-結構耦合變形分(fèn)析等(děng)技(jì)術的應用,從設計階段保證了機床的高精度和持續改進;通過在製(zhì)造(zào)加(jiā)工環節進(jìn)行材料優選、熱處理、選取合適的加工方法及在線檢測等(děng)手段,保證各零部件的加工精度;在裝配環節,通過(guò)優化裝配順(shùn)序、嚴格控製裝配誤差等,保證機床各部分完美配合,達到設計精度要求(qiú)。機床主機結構如圖2所示。
圖(tú)2 大型精密(mì)六軸聯動數控電火(huǒ)花成形機床主機結構
各軸係采用自主設計的全閉環控(kòng)製技(jì)術,該技術可對各種幹擾和非線(xiàn)性因素對運動軸位移產生的影響進行有效(xiào)的動態校正,使任何時(shí)刻運動軸的實際(jì)位移時時跟隨設定(dìng)值變化,因而(ér)可以保證機床具有非常高的動、靜(jìng)態精度。
此外,針對重(chóng)型運載火箭發動機帶葉冠(guàn)整體式渦輪盤及環形(xíng)件、大型壓縮機整體閉式葉輪的大件加工需(xū)求,開發(fā)出直徑600mm以上的大型直驅(qū)全浸液電火花專用數控轉台(ZL201621416804.0),密封等級IP68。該全浸液(yè)轉台定(dìng)位精度0.0014°,滿足這類零件精度需求(qiú)。
2. 研發電火花專用Windows+RTX六軸數控(kòng)係統
研發(fā)出基於Windows係統的六軸聯動開放式數控係統(2016SR084163),通過RTX實時內核補丁插件實現(xiàn)Windows下的(de)實時任務調(diào)度。基於高性能的X86處理器,研發了包含COMExpress模塊和COMExpress載板的數控主板,滿足控製算法及集成CAD/CAM對數控係統性能的需求。
基於高性能FPGA,實現運動/放電一體化控製卡的(de)開發,提升放電控製和運動控製協同算法的並行性(xìng)能和實時性能。
基於Windows+RTX開發出實時係統、六軸矢量分(fèn)配(pèi)插補(bǔ)算法,實現了電火花加工六軸聯動回退、抬刀、搖動等功能(néng),實現了CAD/CAM係統與數控係統的全集成,能夠實現編程加工無縫連(lián)接,提升了數控係統的靈活性和電火花加工機床的易用性。數控係統硬件如圖3所示, Windows六軸數控係統界麵如圖4所示。
對POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三種型號的(de)石墨電極材料進行分析和大(dà)量工藝試驗,構建(jiàn)了(le)石墨材料加工工藝(yì)數據庫,采用(yòng)新(xīn)型加工回路,實(shí)現(xiàn)了1000mm3/min以上的鈦合金高效率加工和2000mm3/min以上的模具(jù)鋼高(gāo)效加工。
3. 研發六軸聯動CAD/CAM係統
六軸聯動CAD/CAM係統(2018SR037238)可用於解決複雜曲麵零件(jiàn)(如整體閉式葉輪或(huò)渦輪盤(pán)類零件)的電極設計和軌跡仿真。該係統可極(jí)大地提高電極設計效率,縮短(duǎn)該類零件(jiàn)的加工周期(qī),可嵌入到大型專業三維(wéi)CAD軟件,接口(kǒu)方便(biàn)快捷。運用該係統能快速檢測所(suǒ)設計電極的合理性,自動優化電極軌跡,通過不斷(duàn)的模擬仿(fǎng)真進而不(bú)斷完善電極設計。電極(jí)和軌跡優化完成後可一鍵自動生成電火(huǒ)花(huā)加(jiā)工G代碼,極大地提高編程效率,節約了大量的人工成本。圖5是數控係統集成CAD/CAM界麵(miàn),圖(tú)6是CAM仿真係統。
基於(yú)EROWA、3R等多個係列的標準夾具產品(pǐn)建立了夾具庫,將現有的(de)N係列、B係列、M係列(liè)電火花成形機床的三維模型集成到CAD/CAM係統中,形成機床數據庫,能(néng)夠滿足虛擬加工的快速裝(zhuāng)夾及加工仿真需求。
基於CAD/CAM API接口的網絡通信軟件開發,實現客戶(hù)端與服(fú)務器端的通信連接及係統控製功能。開展(zhǎn)了基於網絡的CAD/CAM係(xì)統License授權管理軟件開發,用戶可以通過License授權進行訪問CAD/CAM係統(tǒng)雲端服務平台以獲得相應服務(wù),從而保證用戶訪(fǎng)問服務平台的有效性。
4. 研發高效(xiào)率(lǜ)大功率脈衝電源
針對重型運載火箭發動機帶(dài)冠渦輪(lún)盤及環形件加工去除量較大,而(ér)電火花加工效率較低的特點,開發了大功率(lǜ)PWM開關電源(見圖7),采(cǎi)用疊層母線主回路設計(見圖8),顯(xiǎn)著降低放電寄生電感;研發了SiCMOSFET的納米級(jí)低損耗加工(gōng)模塊和終端增爆模塊,開發的高效率(lǜ)大功率脈衝電(diàn)源,經國家機床質量監督(dū)檢驗中心檢驗(yàn),脈衝電源最(zuì)大加工電流200A,電機驅動精度(dù)0.1μm,驅動當量0.1μm。
對(duì)POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三種型號的石墨電極(jí)材(cái)料進(jìn)行分析和大量工藝試驗,構建了石墨材料加工工藝數據庫,采(cǎi)用新型加工回路,實現了1000mm3/min以(yǐ)上的鈦合金高效率加工(gōng)和2000mm3/min以(yǐ)上的模具鋼高效加工。
5. 開展大型六軸聯動電火花加工工藝技術
開展(zhǎn)了大型電火花加工機床(chuáng)六軸聯(lián)動的工藝試驗,製定了基於球麵的變深度、變截麵的S形曲(qǔ)線六(liù)軸(zhóu)聯動電火花(huā)加工工藝方法,並完成了試件的加(jiā)工(gōng)。開展了基於六軸聯動(dòng)電火花(huā)加工裝備的(de)重型運載火箭發動機鈦合金、高溫(wēn)耐熱合(hé)金整體帶冠渦輪盤(ZL201310000946.3、ZL201610053352.2)、大型(xíng)壓縮機整體閉式葉(yè)輪與(yǔ)結構複雜的薄壁件、環形件的智能化電火花高效加工工(gōng)藝技(jì)術研究,建立了工藝數據庫。同時完成(chéng)了大型壓縮機整體閉(bì)式葉輪的工藝設計規範和驗(yàn)證,形成了企業標準。
三(sān)、成果應用及(jí)推廣情況(kuàng)
本項目研發的大型智(zhì)能精密六軸(zhóu)聯動電(diàn)火花成形裝(zhuāng)備,突破了大型六軸聯動電加工機床及工藝關鍵核(hé)心技術,可解決以重型運載火箭發動機帶(dài)葉冠(guàn)整體式渦輪盤、噴嘴葉柵環及複雜薄(báo)壁件、大型壓縮機整體(tǐ)閉式葉輪等(děng)複雜形狀(zhuàng)零件為代表的大型關鍵(jiàn)零部件加工,解決了(le)加工“瓶頸”問題。
應(yīng)用項目成果,為航天領域完成了多種型號的帶葉冠整體渦輪盤(pán)的加(jiā)工,解決了重(chóng)型運(yùn)載火箭發動機渦輪盤葉片扭曲度高、尺寸大、精度要求高、表麵質量要求(qiú)高(gāo)等問(wèn)題,並推廣至航空、船舶(bó)、汽車發動機複雜零件加工(gōng)、複雜模具加工等國防軍工與民用領域,推動了其(qí)所在行業的技術進步;同時(shí),利用項目成果,形成了係列化大型牛頭電火花機床新產品,已成功用於中國航發南方工業有限公司、蘇州中悅百毅光電科研開發有限公司、南京歐霸機電有限公司、寧波方正汽車模具有限公司等單位,提高了用戶的市場競(jìng)爭力,降低了生產成(chéng)本(běn)。
應用項目成果加工的透平壓縮機、發(fā)動機用整體閉式葉輪、導行轉子等關鍵零件,都是(shì)這些單位所承擔的國(guó)家國防重大項目涉及(jí)的零件以及重大技術攻關項目應用零件,解決了這些單位所承擔的國家(jiā)國防重大項目中關鍵技(jì)術難題,為國家(jiā)重(chóng)要基礎設施建設、能源等領域技術進步提供了重要支撐。
與此同時,通(tōng)過(guò)項目研發,推動了我國大型精密六軸聯動(dòng)數(shù)控電火花成形裝備在設計、製造、加工工藝等方麵的(de)技(jì)術突破,增強了我國大、精、尖裝備的創新能力。同時,項目所開發的技術,將為類似(sì)電火花成形機床的開(kāi)發提供技術支撐(chēng),也將進一步提升企業技術創新(xīn)能(néng)力及市場競爭力。
(來源:《世界製造技術與裝備市場(WMEM)》雜誌2020年(nián)第1期 作者(zhě):伏金娟 丁連同 於帆 郭建(jiàn)梅,北京市電加工研究所;郭妍 劉建勇 孫東江(jiāng),北京迪蒙(méng)數控技術有限責任公司 責編:梅峰(fēng))
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