CN113664304B - 磨削与高速电火花原位复合加工装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种磨削与高速电火花原位复合加工装置，包括：复合运动机构以及设置于其上的带有工具电极的空心磨头，其中：设置于无刷空心微电机上的空心磨头通过导向器固定设置于复合运动机构的末端，工具电极穿过空心磨头与工具电极伺服进给装置相连。本发明通过工具电极和空心磨头之间的相对进给，实现一次定位，两次加工，能够实现在同一工序中先进行微磨削去除工件表面非导电涂层，再通过高速电火花放电实现小孔加工，通过检测电极相对于磨头端面的位置调节，实现两种加工工艺的切换，实现先磨削后打孔的复合工艺。

Description

磨削与高速电火花原位复合加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体是一种磨削与高速电火花原位复合加工装置及加工方法。
背景技术
民用航空发动机的发动机涡轮叶片上分布300多个直径小于0.3-0.5毫米的气膜孔，通常先采用高速电火花加工，再进行高温表面涂层的加工工序顺序，但是小孔加工后再进行高温涂层会造成气膜孔的堵塞。因此，近年来，业界开始探索先进行高温涂层，再加工小孔的工艺。然而，由于高温涂层为非导电材料，而高速电火花加工技术只能加工导电材料，这限制了高速电火花加工带涂层的叶片气膜冷却孔。采用短脉冲激光加工带涂层的气膜冷却孔是目前比较常用的加工工艺，然而激光加工会带来的孔型精度，再铸层难控制等问题，因此带非导电涂层的叶片气膜孔加工是目前工业界和学术界关注的焦点。为此，本发面提出了一种磨削和高速电火花原位复合加工装置，首先利用磨削方法去除叶片表面的非导电高温涂层，再运用高速电火花小孔加工叶片基体材料，从而解决了高速电火花加工带非导电高温涂层气膜冷却孔的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种磨削与高速电火花原位复合加工装置及加工方法，通过工具电极和空心磨头之间的相对进给，实现一次定位，两次加工，能够实现在同一工序中先进行微磨削去除工件表面非导电涂层，再通过高速电火花放电实现小孔加工，通过检测电极相对于磨头端面的位置调节，实现两种加工工艺的切换，实现先磨削后打孔的复合工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种磨削与高速电火花原位复合加工装置，包括：复合运动机构以及设置于其上的带有工具电极的空心磨头，其中：设置于无刷空心微电机上的空心磨头通过导向器固定设置于复合运动机构的末端，工具电极穿过空心磨头与工具电极伺服进给装置相连。
所述的复合运动机构包括：依次相连的加工角度调节单元、磨头进给单元、电极进给单元和电极旋转单元，其中：导向器固定设置于电极进给单元的滑轨底座上，工具电极的一端设置于电极旋转单元上，电极旋转单元设置于电极进给单元的滑块上，电极进给单元的滑轨底座设置于磨头进给单元的滑块上，磨头进给单元的滑轨底座设置于加工角度调节单元的转动平台上。
所述的加工角度调节单元实现复合运动机构绕Y坐标轴的旋转，该单元包括：B轴旋转电机和与之相连的B轴转动平台。
所述的电极旋转单元实现工具电极在加工过程中绕自身轴线的R轴旋转，该单元包括：与工具电极相连的R轴直流电机。
所述的电极进给单元包括：带有S轴电机的S轴导轨以及滑动设置于其上的S轴移动滑块、S轴移动平台，其中：设置于S轴导轨上的S轴电机驱动S轴移动滑块在S轴导轨上滑动，从而实现设置于S轴移动平台上的电极旋转单元进给，实现工具电极进给。
所述的磨头进给单元包括：带有W轴电机的W轴导轨以及滑动设置于其上的W轴移动滑块和W轴移动平台，其中：W轴导轨的电机驱动W轴移动滑块在W轴导轨上滑动。
所述的工具电极具体设置于R轴直流电机相连的气动旋转头中，依此穿过带孔的导向器、无刷空心微电机和空心磨头，气动旋转头夹紧工具电极并带动其旋转。
所述的气动旋转头上外接导管，能够在空心工具电极中充入工作液。
所述的无刷空心微电机驱动空心磨头进行磨削加工
所述的空心磨头内设有电磁环，通过电磁环与工具电极之间的感生电动势检测电极的位置，判断工具电极损耗，控制工具电极的进给。
技术效果
本发明整体解决了现有技术在同一工序不能利用高速电火花放电加工非导电高温涂层的缺陷，即当采用两道工序，需要两台机床，会带来两次定位误差，两套CAM软件，两套控制系统，会大幅度增加成本，降低效率。本发明通过磨削和高速电火花小孔加工，将两道工序放在一台机床上完成，弥补了两道工序重复定位带来的误差和加工效率低下的不足；
与现有技术相比，本发明能够通过微磨削去除尽可能少的高温涂层，为高速电火花放电加工小孔提供基础，可以充分发挥两种加工方法的优点，实现高效的带高温涂层的气膜冷却孔的加工，提出利用电磁环感应的方式实现工具电极进给距离、电极损耗的监测和补偿，解决微磨削和高速电火花小孔加工工艺中工具电极与磨头相对位置检测和控制的难题。
附图说明
图1a、b为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明内部结构整体示意图；
图3为无刷空心微电机局部放大示意图；
图4为实施例电磁环内圈的感应电压随电极的位置变化示意图；
图中：复合运动机构1、B轴旋转电机2、R轴直流电机3、工具电极4、导向器5、无刷空心微电机6、空心磨头7、W轴电机8、S轴电机9、W轴导轨10、W轴移动平台11、S轴导轨12、S轴移动滑块13、S轴移动平台14、B轴转动平台15、B轴转接板16、联轴器17。
具体实施方式
如图1a、b所示，为本实施例涉及一种磨削与电火花复合加工装置，其中：B轴转动平台15固定设置于B轴旋转电机2上，W轴导轨10通过B轴转接板16连接B轴转动平台15，W轴移动平台11设置于W轴导轨10上的滑块上，W轴电机8设置于W轴导轨10上，S轴导轨12设置于W轴移动平台11上，S轴电机9设置于S轴导轨12上，S轴移动滑块13设置于S轴导轨12上，可以沿着S轴导轨12运动，S轴移动平台14固定在S轴移动滑块13上，可以和S轴移动滑块13一起运动，R轴直流电机3连接在一起的气动旋转头设置于S轴移动平台14上，工具电极4设置于R轴直流电机3连接在一起的气动旋转头中，依此穿过带孔的导向器5、无刷空心微电机6和空心磨头7，无刷空心微电机6设置于导向器5上，空心磨头7和无刷空心微电机6的转轴通过联轴器17连接在一起。
所述的无刷空心微电机6的电机轴为空心结构，且存在不导电涂层防止工具电极放电蚀除电机轴，外部连接空心磨头实现磨削，去除圆环形涂层。
所述的复合加工是指：通过机床的水平和竖直运动控制待加工孔的空间定位，通过工具电机和空心磨头的相对运动规划，实现先磨削加工去除高温涂层，再用高速电火花加工去除导电的基材，实现带涂层的小孔加工。
本实施例涉及一种基于上述装置的磨削与电火花复合加工方法，包括：
1)首先将该装置设置于机床上，控制系统通过控制B轴旋转电机2调节该装置的工作角度；
2)通过控制W轴电机8来改变设置于W轴移动平台11上的整体部件位置，尤其是空心磨头7的位置，实现空心磨头先定位到达加工部位；
3)通过无刷空心微电机6带动空心磨头7旋转实现磨削去除非导电高温涂层；
4)在进行磨削加工的同时，R轴直流电机3连接在一起的气动旋转头带动工具电极4旋转，S轴电机9带动工具电极4进给；
5)当非导电高温涂层完全磨除时，工具电极4开始放电，检测到电流变化情况，W轴电机8带动空心磨头7回退不再进行磨削，同时无刷空心微电机6停止工作；
6)当空心磨头7磨削加工和工具电极放电加工过程中，通过气动旋转头中的导管充入具有一定压力的工作液体，从空心的工具电极内部到达加工位置；
7)当工具电极4完成加工，S轴电机9带动工具电极4反向进给进行工具电极4损耗检测，检测完成后补偿复位；完成复位后机床定位到下一个待加工位置进行下一个小孔的加工。
在实际加工过程中，无接触式检测电极位置的方法是磨削和高速电火花加工原位复合加工的关键，因为需要保证工具电极、磨头以及工件的相对位置关系。通过专门的实验，验证工具电极通过检测感应电压测得工具电极距离的相对位置关系：在电磁环的外线圈中接入外界激励交流电压，通过工具电极的运动，引发电磁环内线圈感应电压的发生变化，进而测得工具电极的相对位置关系，为了验证方法的可重复性，外接电压选择了4种，分别为6V、12V、24V、48V的峰值电压，测得工具电极处于不同位置时候的感应电压，具体实验数据如下表所示：
实验结果如下，电磁环内圈的感应电压随电极的位置变化如图4所示。
Figure GDA0003574157840000041
与现有技术相比，本发明通过将高速电火花小孔加工的装置放置在磨削加工的轴向运动机构之上，通过两套进给系统辅以电磁环的形式反馈工具电极的实时位置，从而保证两套进给系统的运动的逻辑关系，并分别实现磨削进给和高速电火花小孔加工的工具电极进给。
综上，本发明能够利用磨削和高速电火花加工的优点，将两种方法原位复合加工带非导电涂层的气膜冷却孔，采用一次空间定位，两种加工工艺耦合的方法，避免重复定位带来的加工误差，提高加工精度，同时节省辅助时间，大幅度提升加工效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种磨削与电火花原位复合加工装置，其特征在于，包括：复合运动机构以及设置于其上的带有工具电极的空心磨头，其中：设置于无刷空心微电机上的空心磨头通过导向器固定设置于复合运动机构的末端，工具电极穿过空心磨头与工具电极伺服进给装置相连；
所述的复合运动机构包括：依次相连的加工角度调节单元、磨头进给单元、电极进给单元和电极旋转单元，其中：导向器固定设置于电极进给单元的滑轨底座上，工具电极的一端设置于电极旋转单元上，电极旋转单元设置于电极进给单元的滑块上，电极进给单元的滑轨底座设置于磨头进给单元的滑块上，磨头进给单元的滑轨底座设置于加工角度调节单元的转动平台上；
所述的空心磨头内设有电磁环，通过电磁环与工具电极之间的感生电动势检测电极的位置，判断工具电极损耗，控制工具电极的进给。
2.根据权利要求1所述的磨削与电火花原位复合加工装置，其特征是，所述的加工角度调节单元实现复合运动机构绕Y坐标轴的旋转，该单元包括：B轴旋转电机和与之相连的B轴转动平台；
所述的电极旋转单元实现工具电极在加工过程中绕自身轴线的R轴旋转，该单元包括：与工具电极相连的R轴直流电机。
3.根据权利要求1所述的磨削与电火花原位复合加工装置，其特征是，所述的电极进给单元包括：带有S轴电机的S轴导轨以及滑动设置于其上的S轴移动滑块、S轴移动平台，其中：设置于S轴导轨上的S轴电机驱动S轴移动滑块在S轴导轨上滑动，从而实现设置于S轴移动平台上的电极旋转单元进给，实现工具电极进给。
4.根据权利要求1所述的磨削与电火花原位复合加工装置，其特征是，所述的磨头进给单元包括：带有W轴电机的W轴导轨以及滑动设置于其上的W轴移动滑块和W轴移动平台，其中：W轴导轨的电机驱动W轴移动滑块在W轴导轨上滑动。
5.根据权利要求1～4中任一所述的磨削与电火花原位复合加工装置，其特征是，所述的工具电极具体设置于R轴直流电机相连的气动旋转头中，依此穿过带孔的导向器、无刷空心微电机和空心磨头，气动旋转头夹紧工具电极并带动其旋转。
6.根据权利要求5所述的磨削与电火花原位复合加工装置，其特征是，所述的气动旋转头上外接导管，能够在空心工具电极中充入工作液。
7.一种基于权利要求1～6中任一所述装置的磨削与电火花复合加工方法，其特征在于，包括：
1)首先将该装置设置于机床上，控制系统通过控制B轴旋转电机调节该装置的工作角度；
2)通过控制W轴电机来改变设置于W轴移动平台上的整体部件位置，尤其是空心磨头的位置，实现空心磨头先定位到达加工部位；
3)通过无刷空心微电机带动空心磨头旋转实现磨削去除非导电高温涂层；
4)在进行磨削加工的同时，R轴直流电机连接在一起的气动旋转头带动工具电极旋转，S轴电机带动工具电极进给；
5)当非导电高温涂层完全磨除时，工具电极开始放电，检测到电流变化情况，W轴电机带动空心磨头回退不再进行磨削，同时无刷空心微电机停止工作；
6)当空心磨头磨削加工和工具电极放电加工过程中，通过气动旋转头中的导管充入具有一定压力的工作液体，从空心的工具电极内部到达加工位置；
7)当工具电极完成加工，S轴电机带动工具电极反向进给进行工具电极损耗检测，检测完成后补偿复位；完成复位后机床定位到下一个待加工位置进行下一个小孔的加工。
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