CN113681098A - 薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法 - Google Patents

薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法 Download PDF

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Abstract

一种薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，通过多物理场仿真小孔高速电火花加工单孔薄壁件材料蚀除过程以及产生的热变形效应，获取热应力分布情况、局部热塑性变形情况，从而获取相邻加工孔位间的距离约束，即相邻孔之间的热弹塑性变形互相影响最小临界距离；然后建立带热变形约束的电火花加工密集阵列薄壁件小孔过程的非生产时间模型，通过对模型进行优化使得总非生产时间最短，从而在保证热变形不超差的前提下提升加工效率。本发明考虑小孔高速电火花加工火焰筒外环冲击壁群孔时的热变形效应，能显著降低火焰筒加工过程由于微观热应力变形造成的工件圆度误差，并在此前提下尽可能的提高加工效率。

Description

薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种电火花小孔加工领域的技术，具体涉及一种航空发动机薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法。
背景技术
随着现代航空发动机推重比的不断提高，其涡轮前温度已达到2000K以上。而火焰筒作为航空发动机热端核心部件，为了保证其在高温高压燃气冲击等环境下应用，工业界广泛采用气膜冷却的方法降低其火焰筒表面温度。对于镍基高温合金制成的火焰筒，目前主要采用小孔高速电火花加工技术加工气膜冷却孔。气膜孔加工质量对于气膜冷却效果以及火焰筒使用寿命有着重要影响。
然而，一个典型的火焰筒上分布了近10000个方向各异、孔径不同的气膜冷却孔，加之火焰筒壁身最大厚度在2mm以下，是典型的大尺寸薄壁件，直接采用传统的轨迹规划方法而不考虑电火花加工的热效应将会使得薄壁件局部加工过于密集，导致其受热不均匀而产生热应力变形，进而严重影响火焰筒的圆度误差，甚至造成零件报废。
发明内容
本发明针对电火花加工火焰筒气膜冷却孔技术存在的问题，提出一种薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，考虑小孔高速电火花加工火焰筒外环冲击壁群孔时的热变形效应，能显著降低火焰筒加工过程由于微观热应力变形造成的工件圆度误差，并在此前提下尽可能的提高加工效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，通过多物理场仿真小孔高速电火花加工单孔薄壁件材料蚀除过程以及产生的热变形效应，获取热应力分布情况、局部热塑性变形情况，从而获取相邻加工孔位间的距离约束，即相邻孔之间的热弹塑性变形互相影响最小临界距离；然后建立带热变形约束的电火花加工密集阵列薄壁件小孔过程的非生产时间模型，通过对模型进行优化使得总非生产时间最短，从而在保证热变形不超差的前提下提升加工效率。
所述的多物理场仿真是指：将电火花蚀除过程等效为高斯热源，模拟电火花瞬时放电产生的热场、高速内充液和外充液产生的流场以及薄壁件自身的固体场，其中薄壁件厚度设置为1.8mm、小孔直径为0.8-0.9mm、电极体积损耗比为1：1。
所述的临界距离是指：由于电火花小孔加工产生的瞬时高温蚀除过程会在孔周围产生局部塑性变形和残余应力，此最小临界距离是指当前孔位加工完成后，下一加工孔位孔周围产生的局部塑性变形和残余应力刚好不会对当前孔位产生影响时两孔位中心点之间的距离。
所述的相邻加工孔位间的距离约束，通过以下方式得到：当前加工孔位为i，在第i个孔加工完成后，对于下一加工第i个孔+1的选取应遵循以下规则：以第i个孔为中心，在半径为R的球形范围以外进行选取；加工完成第i+1个孔之后，第i+2个孔应在分别以第i个孔、第i+1个孔为球心，R为半径的两个球形区域以外进行选取，以避免热应力集中分布造成火焰筒局部变形过大、加工残余应力分布不均。对于第i+3个孔，按照上述规则，应在以第i+1个孔、第i+2个球心，R为半径的两个球形区域以外进行选取，如此往复直至所有孔位被加工完成。
所述的电火花加工过程总的非生产时间模型为：
Figure BDA0003251767470000021
Figure BDA0003251767470000022
其中：C(s)为加工顺序s的非生产时间，
Figure BDA0003251767470000023
Figure BDA0003251767470000024
Figure BDA0003251767470000025
为第i个孔和第j个孔之间的刀具移动时间和换刀时间，
Figure BDA0003251767470000026
为加工第j个孔时所需要的二次行程轴补偿移动时间，用于补偿自上一次电极更换依赖总的电极损耗量
Figure BDA0003251767470000027
为第j个孔被选做第i个孔的下一个代加工孔位，qij为第i个孔和第j个孔之间需要更换刀具。
所述的优化是指：由于气膜冷却孔方向多变，工业界采用多轴联动电火花小孔加工机床进行加工。此外，由于刀具移动时间、换刀时间以及补偿移动时间是通过各轴移动距离及其移动速度决定的，因此通过UG等CAD软件提取出的孔位在工件坐标系下的信息需要转换为各轴的移动量。为此，建立了六轴五联动高速电火花小孔加工机床的运动学模型，得到了刀具坐标系和工件坐标系之间的变换矩阵
Figure BDA0003251767470000028
Figure BDA0003251767470000029
其中：
Figure BDA00032517674700000210
为将电极端部从机械零点移动至待加工的第i个孔时所需的各轴移动量。至此，任意一种加工轨迹的非生产时间均可获得。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：电火花小孔加工薄壁件热变形仿真模块、电火花群孔加工过程非生产时间建模模块、计算模块以及优化模块，其中：仿真软件对电火花小孔加工过程进行仿真得到热变形影响的临界距离r，非建模模块根据此临界距离r对热变形约束下的群孔加工过程进行建模，计算模块基于机床运动学模型计算任意一种加工顺序的非生产时间，优化模块优化热变形约束下的电火花密集阵列小孔加工的非生产时间。
技术效果
本发明整体解决了现有技术不考虑电火花加工产生的热变形以及考虑热变形时不考虑加工效率的缺陷和不足，以及电火花密集阵列加工薄壁件小孔如火焰筒外环冲击壁等零件由于热变形导致的圆度误差超差问题。与现有技术相比，本发明通过仿真量化电火花加工薄壁件产生的热变形，以此建立热变形约束下的包括刀具移动时间，换刀时间以及补偿移动时间在内的多轴电火花加工非生产时间数学模型，最后使用遗传算法对此模型进行优化，并在此基础上优化加工轨迹，在保证热变形的同时尽可能的提升加工效率。
附图说明
图1为六轴五联动小孔高速电火花加工机床结构图；
图2为火焰筒外环冲击壁电火花加工过程示意图；
图3为热应力约束下的孔位加工选择示意图；
图4位考虑热应力约束下的轨迹生成效果示意图。
具体实施方式
如图1和图3所示，为本实施例涉及的一种基于加工轨迹规划的薄壁件电火花加工热变形优化方法，具体为火焰筒外环冲击壁气膜冷却孔多轴联动电火花加工，具体包括：
步骤一、通过多物理场仿真小孔高速电火花加工薄壁件过程以及产生的热变形效应，获取热应力分布范围及热应力大小。
步骤二、根据步骤一得到的单孔加工热应力分布情况，建立如图3所示的热应力影响范围球形区域。根据相邻加工孔位间的距离约束，在加工完成孔位2之后，下一待加工孔位不允许选取球形区域中的禁止选用孔位3，只允许在允许选择孔位4中随机选取。
步骤三、由于不同的允许选择孔位对整体加工效率影响较大，为了提高加工效率，对上述热变形约束下的群孔加工进行优化，具体为：建立电火花加工过程总的非生产时间模型，综合考虑刀具移动时间，换刀时间以及二次行程轴补偿移动时间，具体为：
Figure BDA0003251767470000031
其中：C(s)为加工顺序s的非生产时间，
Figure BDA0003251767470000032
为第i个孔和第j个孔之间的刀具移动时间和换刀时间，Ti comp为加工第j个孔时所需要的二次行程轴补偿移动时间，用于补偿自上一次电极更换依赖总的电极损耗量，pij为第j个孔被选做第i个孔的下一个代加工孔位，qij为第i个孔和第j个孔之间需要更换刀具。
步骤五、由于气膜冷却孔方向多变，工业界采用如图1所示的多轴联动电火花小孔加工机床进行加工。此外，由于刀具移动时间、换刀时间以及补偿移动时间是通过各轴移动距离及其移动速度决定的，因此通过UG等CAD软件提取出的孔位在工件坐标系下的信息需要转换为各轴的移动量。为此，建立了六轴五联动高速电火花小孔加工机床的运动学模型，得到了刀具坐标系和工件坐标系之间的变换矩阵
Figure BDA0003251767470000041
Figure BDA0003251767470000042
其中：
Figure BDA0003251767470000043
Figure BDA0003251767470000044
为将电极端部从机械零点移动至待加工第i个孔时所需的各轴移动量。至此，任意一种加工轨迹的非生产时间均可获得。
步骤六、由于步骤三中叙述的数学模型中含有大量的0-1变量，是一个典型的NP-hard问题。采用遗传算法对此模型进行优化迭代，从而在确保热变形误差在允许范围的情况下最大可能的降低非生产时间，提高加工效率。
经过具体实验，在针对分布有3616个气膜冷却孔的火焰筒非生产时间的优化上，以Ttt＝Tguide＝5s，Xs＝-800mm，TWR＝0.3，L＝150mm，vb＝vc＝5deg/s，vx＝vy＝vw＝10mm/s，vz＝5mm/s为参数启动上述方法，能够在保证火焰筒加工热变形的前提下将加工效率提升49％以上。
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)

1.一种薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，其特征在于，通过多物理场仿真小孔高速电火花加工单孔薄壁件材料蚀除过程以及产生的热变形效应，获取热应力分布情况、局部热塑性变形情况，从而获取相邻加工孔位间的距离约束，即相邻孔之间的热弹塑性变形互相影响最小临界距离；然后建立带热变形约束的电火花加工密集阵列薄壁件小孔过程的非生产时间模型，通过对模型进行优化使得总非生产时间最短，从而在保证热变形不超差的前提下提升加工效率。
2.根据权利要求1所述的薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，其特征是，所述的多物理场仿真是指：将电火花蚀除过程等效为高斯热源，模拟电火花瞬时放电产生的热场、高速内充液和外充液产生的流场以及薄壁件自身的固体场，其中薄壁件厚度设置为1.8mm、小孔直径为0.8-0.9mm、电极体积损耗比为1∶1。
3.根据权利要求1所述的薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，其特征是，所述的临界距离是指：由于电火花小孔加工产生的瞬时高温蚀除过程会在孔周围产生局部塑性变形和残余应力，此最小临界距离是指当前孔位加工完成后，下一加工孔位孔周围产生的局部塑性变形和残余应力刚好不会对当前孔位产生影响时两孔位中心点之间的距离。
4.根据权利要求1所述的薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，其特征是，所述的相邻加工孔位间的距离约束，通过以下方式得到：当前加工孔位为i，在第i个孔加工完成后，对于下一加工第i个孔+1的选取应遵循以下规则：以第i个孔为中心，在半径为R的球形范围以外进行选取；加工完成第i+1个孔之后，第i+2个孔应在分别以第i个孔、第i+1个孔为球心，R为半径的两个球形区域以外进行选取，以避免热应力集中分布造成火焰筒局部变形过大、加工残余应力分布不均，对于第i+3个孔，按照上述规则，应在以第i+1个孔、第i+2个球心，R为半径的两个球形区域以外进行选取，如此往复直至所有孔位被加工完成。
5.根据权利要求1所述的薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，其特征是，所述的电火花加工过程总的非生产时间模型为：
Figure FDA0003251767460000011
Figure FDA0003251767460000012
其中：C(s)为加工顺序s的非生产时间，
Figure FDA0003251767460000013
Figure FDA0003251767460000014
Figure FDA0003251767460000021
为第i个孔和第j个孔之间的刀具移动时间和换刀时间，
Figure FDA0003251767460000022
为加工第j个孔时所需要的二次行程轴补偿移动时间，用于补偿自上一次电极更换依赖总的电极损耗量
Figure FDA0003251767460000023
pij为第j个孔被选做第i个孔的下一个代加工孔位，qij为第i个孔和第j个孔之间需要更换刀具。
6.根据权利要求1所述的薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制方法，其特征是，所述的优化是指：通过将提取出的孔位在工件坐标系下的信息需要转换为各轴的移动量，基于六轴五联动高速电火花小孔加工机床的运动学模型，得到了刀具坐标系和工件坐标系之间的变换矩阵
Figure FDA0003251767460000024
其中：
Figure FDA0003251767460000025
为将电极端部从机械零点移动至待加工的第i个孔时所需的各轴移动量。
7.一种实现权利要求1～6中任一所述方法的薄壁件密集阵列电火花小孔加工热变形控制系统，其特征在于，包括：电火花小孔加工薄壁件热变形仿真模块、电火花群孔加工过程非生产时间建模模块、计算模块以及优化模块，其中：仿真软件对电火花小孔加工过程进行仿真得到热变形影响的临界距离，非建模模块根据此临界距离对热变形约束下的群孔加工过程进行建模，计算模块基于机床运动学模型计算任意一种加工顺序的非生产时间，优化模块优化热变形约束下的电火花密集阵列小孔加工的非生产时间。
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