CN104117741A - 闭式整体叶盘电火花加工六轴联动摄动进给方法 - Google Patents

Abstract

一种数控加工领域的闭式整体叶盘电火花加工六轴联动摄动进给方法，在电极主运动轨迹的基础上，增加垂直于主运动轨迹方向的往复微幅扰动，即在电极主运动轨迹上的每个节点，获取垂直于电极头部位姿变化的摄动进给方向上的参考平面，然后在参考平面内依电极能够运动的极限位置得到摄动区域；再在摄动区域内围绕主运动轨迹采集优化参考节点，依次经拟合得到新的进给方向，经增加密化节点，形成支持最多六轴联动的摄动进给轨迹；最后输出摄动进给轨迹的数控加工代码，通过电极实现带有优化抬刀动作的闭式整体叶盘电火花加工。本发明在确保电极与最终形面无干涉的前提下，通过增设额外的摄动运动，从而改善蚀除产物排出状况，提高放电加工的稳定性和整体加工效率。

Description

闭式整体叶盘电火花加工六轴联动摄动进给方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械自动化技术领域的加工工艺，具体是一种在闭式整体叶盘电火花加工过程中能够提升加工效果的电极摄动进给的方法。 

背景技术

叶盘类零件是航空航天发动机的核心部件。闭式整体结构的叶盘类零件由于具有可靠性高、能有效抑制共振等优点在航空航天地发动机设计领域得到越来越广泛的应用。闭式整体叶盘的叶片、盘身与叶冠由同一块毛胚制成，且为半封闭结构，给加工带来了一系列难题。多轴联动电火花加工是闭式整体叶盘的有效加工方法，其原理是：成形电极沿着一条复杂的并与最终形面无干涉的运动路径进入流道区域，然后通过拷贝运动获得叶片型面。根据成形原理，整个加工过程可以划分成与之对应的两个阶段：进给阶段和拷贝阶段。 

在进给阶段流道未打通之前，加工过程类似于盲孔加工。由于流道弯曲狭窄的结构特点，传统的冲液措施难以深入加工区域，蚀除产物也就无法有效被带离加工区域。在电火花加工中，蚀除产物如果不能被及时带离加工区域，对于后续加工往往会产生负面影响，容易降低加工的稳定性，严重时甚至产生拉弧等非正常放电而导致加工失败。而这些影响随着电极进给的深入会加剧。针对这种情况，一般采取周期抬刀措施，即定期地强制电极沿进给路径回退一段距离，然后再返回到加工位置，用以改善工作液循环，帮助电蚀除产物的排出。当电极在沿着进给路径回退的过程中，工作液从外部进入加工区域；当电极再次沿路径进给时，工作液被压出加工区域，蚀除产物也随之被带出。如果工件与电极间隙10μm，抬刀高度100μm即可将蚀除产物排出90％，可见抬刀的效果十分明显。 

需要注意的是，额外的抬刀运动势必增加加工时间，降低整体的加工效率。而且电极加工的深度较大时，抬刀的作用变得有限。尤其是在闭式整体叶盘的加工中，流道的弯扭使得抬刀的空间进一步压缩，也不能采用单一方向的高速抬刀，出现拉弧等不良放电状态的现象的可能性增大，影响加工进程。 

目前为了改善抬刀对加工效率的影响，多采用提高抬刀速度和控制抬刀高度、控制抬刀频率等抬刀自适应控制方法。清华大学的王津等人展开了对抬刀高度和速度对电火花加工稳定性的影响机理研究，提出只有抬刀高度足够大才能吸入足够的清澈工作液，降低加工屑聚集，而抬刀速度也须足够大才能让吸入加工区域的清洁工作液与加工屑混合充分。目前，日本的沙迪克公司AQ系列直线电极伺服的电火花成形机和LN系列的数控脉冲电源，可在0.0001mm 的控制当量的条件下使Z轴最高的抬刀速度达到了36m/min，而牧野公司采用交流电机以及相应控制最高抬刀速度也达到了10m/min。瑞士夏米尔公司在这方面也有大量的工作，其研制的DS系统中抬刀参数随加工深度变化，加工浅、抬刀频率低、抬刀高度低。只有加工较深时，为克服排屑路径加长和阻力加大的困难，才提高抬刀频率和增加抬刀高度。但上述高速抬刀都是指单一方向(主轴方向)上抬刀，而在闭式整体叶盘的加工中，由于叶盘的流道一般都具有扭曲形状，必须靠多轴联动来实现抬刀动作。因此难以像单轴抬刀那样获得高速回退运动。 

实际加工经验表明，闭式整体叶盘电火花加工中，抬刀动作可以根据实际加工情况通过自适应控制方法来自动调节回退距离、抬刀频率、抬刀速度。然而在抬刀过程中是不产生放电蚀除的。为了尽可能提高整体加工效率，在原有的电极进给路径上增设额外的摄动运动，同样可以达到改善排屑状况的目的，从而降低抬刀频率、抬刀距离，从而有效提高加工效率。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103056460A公开(公告)日2013.04.24，公开了一种用于电火花成型机数控机床的加工方法，当X、Y轴进行摇动的同时，Z轴的加工电极在垂直方向以给定的速度进给或回退，代替了传统的插补，即由Z轴先运动到给定的圆心位置，然后由X、Y轴按水平方向轨迹运动。但该技术仅适用于三维圆锥，并不适合更复杂零件的加工，难以满足现有工业应用的需要。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种闭式整体叶盘电火花加工六轴联动摄动进给方法，在确保电极与最终形面无干涉的前提下，对电极进给路径进行优化，增设额外的支持最多六轴联动的摄动运动，以期通过扩大进给过程中电极前端与侧面空间，从而改善蚀除产物排出状况，提高放电加工的稳定性和整体加工效率。由于叶片的形面是靠拷贝运动来实现的，所以摄动进给方式不会影响叶片形面的加工精度。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过在电极主运动轨迹的基础上，增加垂直于主运动轨迹方向的往复微幅扰动，即在电极主运动轨迹上的每个节点，获取垂直于电极头部位姿变化的摄动进给方向上的参考平面，然后在参考平面内依电极能够运动的极限位置得到摄动区域；再在摄动区域内围绕主运动轨迹采集优化参考节点，依次经拟合得到新的进给方向，经增加密化节点，形成支持六轴联动的摄动进给轨迹；最后输出摄动进给轨迹的数控加工代码，通过电极实现带有优化抬刀动作的闭式整体叶盘电火花加工。 

所述的摄动进给方向上的参考平面是指：针对电极主运动轨迹上的每个节点的垂直于电极头部进给方向上的平面。 

所述的摄动区域是指：控制电极沿着主运动轨迹进给，在每个节点上保持电极旋转轴上的姿态，沿着参考平面内的各个矢量方向移动电极，获取电极与叶片不干涉的极限位置，形成 包含主运动轨迹的管状空间，即摄动区域。 

所述的优化参考节点是指：在摄动区域内，沿着主运动轨迹进给方向在主运动轨迹周围取点，作为优化参考节点，所取点环绕分布于主运动轨迹，调整电极在参考节点上的姿态，使得其与叶片无干涉。 

所述的摄动进给轨迹通过以下方式获得：拟合通过参考节点且位于摄动区域内的平顺轨迹以形成新的进给方向，然后在两个相邻的优化参考节点之间根据新的进给方向均匀插值增加密化节点，形成完整的摄动进给轨迹，调整电极在密化节点上的姿态与叶片无干涉，并输出可以直接用于加工的数控代码。 

在实际加工中的工件坐标系下，电极和叶盘都会有各自的运动。由于运动是相对的，在动轨迹搜索阶段习惯于将叶盘的运动视作电极相对于叶盘的运动，即简化成以电极现对于叶盘的运动描述所有运动轴的运动。因此本方法电极进给路径实际也包含工件的运动，增设的摄动也不全部是电极的运动。需要指出的是，本发明针对的是已有电极进给轨迹的闭式整体叶盘电火花加工过程，对于已有轨迹可以视作摄动进给的主运动轨迹，本身并不提供电极主运动轨迹搜索。 

技术效果 

本方法中的电极摄动运动的幅度可以根据电极进入流道的深度进行调整，在进入流道较深或者流道扭曲度较大的位置等排屑更加困难的地方加大摄动的幅度，改善加工条件。摄动运动轨迹生成时，采用多轴联动的形式，以垂直于电极头部进给方向的直线轴上的运动和绕进给方向的旋转轴上的转动组合而来。 

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：①进给过程中通过电极和叶盘的运动可以使得排屑更加方便，提高进给加工效率，同时，由于放电状态改善，减少拉弧、积碳的等现象，避免出现加工失败；②由于摄动使得电极和工件之间的放电状态更加稳定，可以减少电极的损耗，降低加工成本；③通过摄动可以改善放电状态，从而采用较大的放电规准，加工效率也可以进一步提高。 

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的电火花加工各运动轴定义的示意图。 

图2为本发明具体实施方式中电极摄动进给轨迹获取流程图。 

图3为本发明具体实施方式中闭式泵叶轮无摄动进给方式示意图。 

图4为本发明具体实施方式中进给方向和参考矢量方向获取示意图。 

图5为本发明具体实施方式中沿参考矢量正负方向获取电极极限位置示意图。 

图6为本发明具体实施方式中摄动区域和摄动轨迹获取示意图。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例1 

如图1所示，展示了采用六轴联动电火花加工闭式整体叶盘的情况以及机床各坐标轴的定义；本发明提出的闭式整体叶盘六轴联动数控电火花加工电极摄动进给路径规划方法的流程如图2所示。 

根据图3所示，本发明的具体步骤如下： 

无摄动的情况下电极进给的轨迹(即已有的电极主运动轨迹)过程中有n个中间位置。可见，当电极进给至第i步时，电极与工件之间的空隙仅仅为前面i‐1步放电蚀除掉的空间，局部区域仅为放电间隙区域，蚀除产物的排出空间非常有限。 

为了不失一般性，下面将对电极完成进给运动中第i步之后进行讨论。如图4所示，图中电极的两个位置分别为第i步(靠近流道外侧)和第i+1步(靠近流道内侧)进给之后的位置。在本例中，电极地面贴合最终相面，因此Z方向上运动受限，故参考平面退化成为XY平面内的参考矢量。此时以电极头部两次位姿的变化为进给矢量，获取位于XY平面内的垂直于该矢量的方向为参考矢量方向。保持电极的姿态不变，分别沿着参考矢量的正负方向移动电极，找出电极与叶片形面不干涉的极限位置，具体如图5所示。此时获取参考矢量正负方向上能够移动的最大距离，作为该节点上摄动范围，即获得电极转动中心偏离主运动轨迹的范围。对于主运动轨迹上的每个节点都采用上述处理，并将每个位置的摄动范围相连，则可以获取一个包含主运动轨迹的管状区域，作为轨迹的摄动区域，如图6所示。沿着原有主运动轨迹进给方向，在两侧的摄动区域内按照一定间隔交替取点，作为摄动轨迹的参考节点。调整电极在参考节点上的姿态，保证电极与叶片不干涉。此时，参考节点之间的距离一般需要选择比较大，否则会使得整个轨迹过于振荡。而由于参考节点之间的间隔比较大，参考节点之间的电极走过的姿态不可控，轨迹光滑性受到影响，需要在参考节点之间增加密化节点。拟合通过参考节点的且位于摄动区域内的平顺粗轨迹，在参考节点之间根据新的进给方向均匀增加密化节点。密化节点之间的距离可以根据加工的精度要求来确定。同时调整电极在密化节点上的姿态，确保每个节点上电极与叶片无干涉，形成完整的摄动进给轨迹，并输出可以直接用于加工的数控代码。 

设置摄动之后，可见在第i步，电极额外增加运动量相对电极的主进给运动来说是非常小的，不会增加太多的加工时间。但是，通过这样的摄动，电极与工件的侧面间隙获得了增加，尤其是在电极的头部，放电最为集中且放电条件最为恶劣的地方，摄动使得工作液可以更用以进入到放电加工区域，促进电蚀产物的排出。并对后续的加工产生积极影响。 

从实际加工的效果来看，以本例来说，采用北京电加工研究所DMEC B40型电火花加工机床，工件采用不锈钢材料；电极材质选用PCO EDM‐C3渗铜石墨，采用这样的方式加工可以比同等加工条件下不增加摄动在进给阶段效率最高提高30.2％。 

下附本实施例所获得的G代码(片段)： 

G01   X     40.9285   Y     25.4889   Z      4.6000   C     59.3000； 

G01   X     30.9285   Y     25.4889   Z      4.6000   C     59.3000； 

G01   X     30.3728   Y     24.8995   Z      4.6000   C     58.6000； 

G01   X     30.6525   Y     24.6714   Z      4.6000   C     57.8000； 

G01   X     30.9762   Y     24.4568   Z      4.6000   C     57.1000； 

G01   X     31.4226   Y     24.2317   Z      4.6000   C     56.3500； 

G01   X     31.7396   Y     23.9130   Z      4.6000   C     55.6500； 

G01   X     33.0531   Y     23.7922   Z      4.6000   C     54.9500。 

Claims (5)

1.一种闭式整体叶盘电火花加工六轴联动摄动进给方法，其特征在于，通过在电极主运动轨迹的基础上，增加垂直于主运动轨迹方向的往复微幅扰动，经拟合得到新的进给方向后，进一步增加密化节点，形成支持最多六轴联动的摄动进给轨迹；最后输出摄动进给轨迹的数控加工代码，通过电极实现带有优化抬刀动作的闭式整体叶盘电火花加工；

所述的往复微幅扰动是指：在电极主运动轨迹上的每个节点，获取垂直于电极头部位姿变化的摄动进给方向上的参考平面，然后在参考平面内依电极能够运动的极限位置得到摄动区域；再在摄动区域内围绕主运动轨迹采集优化参考节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的摄动进给方向上的参考平面是指：针对电极主运动轨迹上的每个节点的垂直于电极头部进给方向上的平面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的摄动区域是指：控制电极沿着主运动轨迹进给，在每个节点上保持电极旋转轴上的姿态，获取沿着参考平面各个方向上电极能够运动的极限位置，形成包含主运动轨迹的管状空间，即摄动区域。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的优化参考节点是指：在摄动区域内，沿着主运动轨迹进给方向在主运动轨迹周围取点，作为优化参考节点；

所述的优化参考节点环绕分布于主运动轨迹，且兹由调整电极在参考节点上的姿态，使其与叶片无干涉。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的摄动进给轨迹通过以下方式获得：拟合通过参考节点且位于摄动区域内的平顺轨迹以形成新的进给方向，然后在两个相邻的优化参考节点之间根据新的进给方向均匀插值增加密化节点，形成完整的摄动进给轨迹，调整电极在密化节点上的姿态与叶片无干涉，并输出可以直接用于加工的数控代码。