精密高效電加工關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破——國(guó)家863計(jì)劃、數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)電加工課題實(shí)施成果綜述

葉 軍

(蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司,江蘇蘇州215011)

為了緊緊抓住國(guó)家振興裝備制造業(yè)、高度重視數(shù)控機(jī)床發(fā)展的重大機(jī)遇,特種加工行業(yè)積極參與并推動(dòng)了電加工、特種加工項(xiàng)目在國(guó)家層面的立項(xiàng),組織了有關(guān)課題的申報(bào)。蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)、中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)特種加工機(jī)床分會(huì)及行業(yè)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家為此做了大量卓有成效的工作。2008年9月,國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(以下簡(jiǎn)稱863計(jì)劃)重點(diǎn)項(xiàng)目“高效、精密電加工技術(shù)與裝備”正式立項(xiàng)招標(biāo);2009年初,國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”(以下簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng))特種加工有關(guān)課題正式立項(xiàng)招標(biāo),其中有關(guān)電加工方面的課題有“自動(dòng)穿絲精密、高效數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床”和“五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)床”等2個(gè)課題;2010年1月,又有“全浸泡式精密電加工機(jī)床專用密封精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)”課題立項(xiàng)招標(biāo)。

兩年多來(lái),行業(yè)中由產(chǎn)、學(xué)、研、用組成的課題組,在科技部、工信部重大專項(xiàng)辦公室的具體領(lǐng)導(dǎo)及指導(dǎo)下,在課題責(zé)任單位及主要參加單位的大力支持下,一大批專家及工程技術(shù)人員圍繞課題的目標(biāo)任務(wù),經(jīng)過(guò)不懈努力,協(xié)同攻關(guān),在電加工領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破,各課題均取得了一些重大的研發(fā)成果,現(xiàn)就有關(guān)情況作一簡(jiǎn)要評(píng)述。

1 精密高效數(shù)控單向走絲電火花線切割加工技術(shù)與裝備

該方向有863計(jì)劃1個(gè)課題和數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)1個(gè)課題(2個(gè)課題組)實(shí)施研發(fā)。

1.1 課題基本情況(表1)

表1 精密高效數(shù)控單向走絲電火花線切割加工技術(shù)與裝備課題基本情況

1.2 課題目標(biāo)及考核指標(biāo)

1.2.1 863計(jì)劃課題

課題目標(biāo):研發(fā)出高效精密單向走絲型數(shù)控線切割加工機(jī)床,掌握設(shè)計(jì)控制核心技術(shù),使我國(guó)數(shù)控單向走絲電火花線切割技術(shù)在性能指標(biāo)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,提高我國(guó)特種加工機(jī)床行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。結(jié)合重要應(yīng)用領(lǐng)域的3種以上典型特殊材料復(fù)雜型面零件研制需求,與用戶合作開(kāi)發(fā)出成套工藝及數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行示范應(yīng)用,加工零件達(dá)到用戶要求,申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)以上。

考核指標(biāo):

(1)坐標(biāo)軸行程:X 500 mm/Y 350 mm/Z 270 mm/U 70 mm/V 70 mm。

(2)最大切割效率:≥350 mm2/min。

(3)加工面最佳表面粗糙度:Ra≤0.2 μ m。

(4)切割精度:≤±0.003 mm。

(5)可用φ 0.05 mm的細(xì)絲切割。

(6)最大切割厚度:≥260 mm。

(7)切割錐度:30°/100 mm。

(8)具備切入引導(dǎo)、拐角及變厚度加工等控制策略,以及自動(dòng)穿絲、防電解等功能。

1.2.2 數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)課題

課題目標(biāo):研制出自動(dòng)穿絲、精密、高效、數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床,基本達(dá)到目前國(guó)外同類機(jī)床產(chǎn)品水平。

考核指標(biāo):

(1)高成功率自動(dòng)穿絲技術(shù):直徑為1 mm穿絲孔,穿絲成功率＞95%。

(2)切割精度:≤±0.002 mm。

(3)加工表面粗糙度:Ra≤0.2 μ m。

(4)加工效率:≥200 mm2/min。

(5)國(guó)內(nèi)實(shí)用新型專利:2項(xiàng)。

(6)軟件著作權(quán):2項(xiàng)。

(7)發(fā)表相關(guān)論文:3篇。

(8)提出機(jī)床、電源及控制系統(tǒng)的制造、安裝與調(diào)試的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

(9)申請(qǐng)修訂《電火花線切割機(jī)(單向走絲型)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)。

(10)參與 ISO/WD28881《Machine tools-Safety-Electro-Discharge-Machines》(電火花機(jī)床 安全防護(hù)技術(shù)要求)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。

(11)提出提高可靠性和精度保持性的具體方法。

(12)建立基本的可靠性試驗(yàn)手段,消除產(chǎn)品早期故障。

1.3 課題突破的關(guān)鍵技術(shù)及取得的成果

1.3.1 高性能的數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床(圖1)

——自動(dòng)穿絲恒張力運(yùn)絲;

— —φ 0.05 mm 細(xì)絲切割;

圖1 數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)課題研制的樣機(jī)

——最大切割效率≥320 mm2/min;

——最佳表面粗糙度 Ra＜0.2 μ m;

——加工零件精度≤±0.002 mm;

——不同材料、不同厚度、不同直徑電極絲的工藝專家系統(tǒng);

——可增設(shè) A軸;

——具有拐角控制策略。

1.3.2 高精度單向走絲電火花線切割機(jī)床主機(jī)

(1)全閉環(huán)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)軸采用交流伺服電機(jī)直聯(lián)方式,以降低傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差和遲滯,提高響應(yīng)的快速性。位置環(huán)由分辨率為0.1 μ m高精度直線光柵構(gòu)成。

制造過(guò)程中采用雙頻激光干涉儀和球桿儀進(jìn)行誤差測(cè)量和補(bǔ)償技術(shù),提高系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度及精度保持性。

(2)機(jī)床采用經(jīng)典的C型結(jié)構(gòu),左右對(duì)稱設(shè)計(jì)。T型超寬高剛性床身底座、高強(qiáng)度的機(jī)械構(gòu)造。通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)分析,有效設(shè)置加強(qiáng)筋來(lái)防止出現(xiàn)扭曲變形。

(3)主機(jī)發(fā)熱部件采取絕緣性能和熱穩(wěn)定性高的陶瓷材料制作,提高了電氣穩(wěn)定性,降低溫漂影響,保證實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性的加工。

通過(guò)采用綜合技術(shù)措施,主機(jī)數(shù)控軸的重復(fù)定位精度 ≤±1 μ m,定位精度 ＜±3 μ m,為機(jī)床加工精度和切割表面粗糙度打下了很好的基礎(chǔ)。

1.3.3 高成功率的自動(dòng)穿絲系統(tǒng)

研制成功了高成功率的自動(dòng)穿絲系統(tǒng),其自動(dòng)穿絲成功率達(dá)95%以上,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)穿絲系統(tǒng)

1.3.4 細(xì)絲切割技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)微細(xì)絲切割,設(shè)計(jì)了微張力下恒張力、恒速細(xì)絲走絲機(jī)構(gòu)。

——走絲速度由速度輪后面的AC交流伺服電機(jī)閉環(huán)控制,由計(jì)算機(jī)控制無(wú)級(jí)變速;

——放絲速度由放絲輪后面的AC交流伺服電機(jī)根據(jù)角位移傳感器位置的變化進(jìn)行閉環(huán)控制,使電極絲的張緊力和運(yùn)絲速度保持恒定;

——能采用φ 0.05 mm的電極絲進(jìn)行穩(wěn)定加工。

圖3是采用微細(xì)絲切割的零件。

圖3 采用微細(xì)絲切割的零件

1.3.5 微精表面加工技術(shù)

納秒級(jí)微精加工電源實(shí)現(xiàn)了＜50 ns的功率脈沖的放大及傳輸,以達(dá)到加工面最佳表面粗糙度Ra≤0.2 μ m的技術(shù)指標(biāo)。

1.3.6 高效切割技術(shù)

以進(jìn)一步提高最大切割速度為主要目標(biāo),對(duì)脈沖電源、加工狀態(tài)檢測(cè)、伺服控制技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和強(qiáng)化。

——優(yōu)化脈沖電源主振控制策略、強(qiáng)化功率回路的阻抗配置、能量傳輸效率;

——進(jìn)一步提高加工狀態(tài)檢測(cè)的精準(zhǔn)度及快速性;

——增強(qiáng)脈沖產(chǎn)生和能量傳輸回路的抗干擾措施;

——較大幅度地提高切割效率,實(shí)現(xiàn)了最大加工速度350 mm2/min的指標(biāo)。

1.3.7 具有切入、切出、拐角精度控制策略及變厚度切割策略的加工過(guò)程智能控制技術(shù)

加工過(guò)程中由于放電爆炸力、二次放電及高壓沖液的作用,對(duì)電極絲在加工軌跡上的滯后影響很大,導(dǎo)致拐角切割精度及小圓弧切割精度變差,切入工件和切出工件時(shí)沖液條件的劇烈變化又會(huì)加大斷絲概率。課題研究的具有切入、切出、拐角精度控制策略及變厚度切割策略,則有效緩解了上述現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的智能控制,具有明顯的科學(xué)性和先進(jìn)性。

通過(guò)實(shí)施拐角控制策略,進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,未加拐角控制策略的拐角誤差達(dá)到129 μ m,進(jìn)行拐角控制后,中央平面拐角誤差為 11 μ m,上下平面拐角誤差為16 μ m?？梢?jiàn)控制策略是有效的,能很好地減小拐角誤差。

1.3.8 A軸聯(lián)動(dòng)切割技術(shù)

通過(guò)第六數(shù)控A軸與相關(guān)軸聯(lián)動(dòng)或 A軸分度控制,實(shí)現(xiàn)盤(pán)狀PCD刀具及其他零件的加工。圖4是A軸結(jié)構(gòu)及加工的工件。

圖4 A軸結(jié)構(gòu)及加工的工件

1.3.9 五軸四聯(lián)動(dòng)單向走絲線切割加工數(shù)控系統(tǒng)

(1)對(duì)Windows平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了完善開(kāi)發(fā)。

(2)開(kāi)發(fā)了Linux平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)。

(3)建立了更完善的智能化工藝專家系統(tǒng)。

1.3.10 完成了多個(gè)試驗(yàn)研究平臺(tái)建設(shè)

建立了微精加工脈沖電源試驗(yàn)平臺(tái)、高效脈沖電源試驗(yàn)平臺(tái)、數(shù)控化伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)、自動(dòng)穿絲試驗(yàn)平臺(tái)、走絲系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。

1.3.11 形成了一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

獲得或已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng),實(shí)用新型專利4項(xiàng),軟件著作權(quán) 6項(xiàng),發(fā)表論文 9篇,參與修訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng),參與制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。

2 特殊材料高效數(shù)控放電銑削加工技術(shù)與裝備

2.1 課題基本情況

本課題是863計(jì)劃項(xiàng)目,基本情況見(jiàn)表2。

2.2 課題目標(biāo)及考核指標(biāo)

課題目標(biāo):開(kāi)發(fā)出高效數(shù)控放電銑削加工專用設(shè)備,掌握設(shè)計(jì)控制核心技術(shù),結(jié)合重要應(yīng)用領(lǐng)域3種以上典型特殊材料復(fù)雜型面零件研制,與用戶合作開(kāi)發(fā)出成套工藝及數(shù)據(jù)庫(kù),并示范應(yīng)用,加工零件達(dá)到用戶要求,申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)以上,提交1項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案。

表2 特殊材料高效數(shù)控放電銑削加工技術(shù)與裝備課題基本情況

主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo):

(1)數(shù)控軸數(shù):6;各軸行程:X 800 mm/Y 600 mm/Z 800 mm/W 500 mm/A 360/B 90/B ±10°。

(2)最大加工電流:300 A。

(3)最大加工效率:3 000 mm3/min。

(4)最佳表面粗糙度:Ra≤2.5 μ m;。

(5)具有電極損耗在線檢測(cè)及自動(dòng)補(bǔ)償功能。

(6)除交換電極外,整個(gè)加工過(guò)程自動(dòng)完成。

(7)專用數(shù)控系統(tǒng):六軸五聯(lián)動(dòng),直線軸控制當(dāng)量0.002 mm,旋轉(zhuǎn)軸制當(dāng)量0.002°。

(8)根據(jù)粗、中加工建立φ 5～φ 16 mm 10種不同規(guī)格電極、3種特殊材料(高溫耐熱合金、鈦合金、不銹鋼)對(duì)加工電流、脈寬、脈間、工作液壓力、電極轉(zhuǎn)速等5種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

(9)進(jìn)行機(jī)匣和整體葉盤(pán)類3種以上零件加工的示范應(yīng)用。

(10)提交《數(shù)控高效放電銑削機(jī)床精度檢驗(yàn)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案。

2.3 課題突破的關(guān)鍵技術(shù)及取得的成果

2.3.1 高效數(shù)控放電銑加工專用設(shè)備(圖5)

——六軸數(shù)控五聯(lián)動(dòng);

——最大加工電流 300 A;

——最大加工效率 3 000 m3/min;

圖5 高效數(shù)控放電銑加工專用設(shè)備

——最佳表面粗糙度＜2.5 μ m;

——具有電極損耗在線檢測(cè)及自動(dòng)補(bǔ)償功能。

2.3.2 數(shù)字化大功率高效節(jié)能放電銑脈沖電源

——根據(jù)高效放電銑特點(diǎn),主回路采用45 V低壓,降能耗60%;

——根據(jù)高效放電銑特點(diǎn)實(shí)施“三層級(jí)”高效放電銑加工脈沖電源適應(yīng)控制策略。

2.3.3 外置式卸荷全閉環(huán)A軸(圖6)

——密封簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠;

——維護(hù)方便;

——操作空間大,裝夾工件方便;

——已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利。

圖6 外置式卸荷全閉環(huán)A軸

2.3.4 滿足高效放電銑要求的專用主軸(圖7)

——大能量可靠蝕電;

——高壓工作液旋轉(zhuǎn)密封。

圖7 專用主軸

2.3.5 高效放電銑專用六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)

——六軸五聯(lián)動(dòng);

——各加工軸的伺服控制;

——脈沖電源、工作液壓力流量、電極旋轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)適應(yīng)控制;

——根據(jù)電極補(bǔ)償策略對(duì)電極損耗進(jìn)行在線檢測(cè)及實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

2.3.6 高效放電銑加工電極損耗在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)

——電極損耗在線檢測(cè)“對(duì)刀”系統(tǒng);

——對(duì)刀塊防電解技術(shù);

——提高“對(duì)刀”水平的對(duì)刀策略;

——基于放電能量的電極損耗在線實(shí)時(shí)檢測(cè)及補(bǔ)償技術(shù)。

2.3.7 數(shù)控高效放電銑的工藝技術(shù)

——通過(guò)對(duì)高效放電脈沖電源的主要參數(shù)進(jìn)行“三因素八水平”正交試驗(yàn),確定了脈沖電極損耗和加工效率的影響顯著度,找到了優(yōu)化的工藝數(shù)據(jù)組;

——建立了10種不同規(guī)格電極、3種特殊材料、5種工藝參數(shù)優(yōu)化配置的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.8 特殊材料典型零件的高效放電銑加工(圖8)

完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)特殊材料制作機(jī)匣和整體葉盤(pán)兩大類5種典型零件的加工,并形成了成套工藝。

——加工特殊材料零件電極費(fèi)用僅為刀具費(fèi)用的1/30～1/20;

——加工效率提高 30%～50%;

——設(shè)備購(gòu)置及使用成本是加工中心的1/10;

——單邊留2 mm余量。

圖8 高效數(shù)控放電銑加工的典型零件

2.3.9 形成了一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

該課題研發(fā)的技術(shù)及裝備屬完全自主原創(chuàng),具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。課題前期已獲3項(xiàng)發(fā)明專利,課題執(zhí)行中已獲1項(xiàng)發(fā)明專利,申報(bào)2項(xiàng)發(fā)明專利,課題研制的1項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已完成報(bào)批稿。

3 五軸聯(lián)動(dòng)精密電火花加工技術(shù)與裝備

該方向有863計(jì)劃1個(gè)課題和數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)1個(gè)課題(2個(gè)課題組)實(shí)施研發(fā)。

3.1 課題基本情況(表3)

3.2 課題目標(biāo)及考核指標(biāo)

課題目標(biāo):研制出固定工作臺(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形加工機(jī)床,基本達(dá)到目前國(guó)外同類機(jī)床水平。

表3 五軸聯(lián)動(dòng)精密電火花加工技術(shù)與裝備課題基本情況表

考核指標(biāo):

(1)實(shí)現(xiàn)數(shù)控電火花加工過(guò)程中X、Y、Z、A、C的五軸聯(lián)動(dòng)。

(2)直線軸行程:X≥500 mm,Y≥400 mm,Z≥350 mm;定位精度≤0.005 mm;重定位精度≤0.002 mm;各軸的最大移動(dòng)速度≥1 000 mm/min。

(3)旋轉(zhuǎn)軸:A、C二個(gè)旋轉(zhuǎn)數(shù)控軸,定位精度≤15″,重復(fù)定位精度≤5″。

(4)脈沖電源平均最大工作電流100 A。

(5)表面粗糙度:Ra≤0.2 μ m。

(6)最高加工效率:≥400 mm3/min。

(7)最小電極損耗:≤0.1%。

(8)形成3項(xiàng)專利技術(shù)或?qū)Ｓ屑夹g(shù)。

(9)提出機(jī)床、電源及控制系統(tǒng)的制造、安裝與調(diào)試的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

(10)申請(qǐng)制定《數(shù)控電火花成形機(jī)床 技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(11)參加 ISO/WD 28881《Machine-tools-Safety-Electro-Discharge-Machines》(電火花機(jī)床 安全防護(hù)技術(shù)要求)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。

(12)提出提高可靠性和精度保持性的具體方法。

(13)形成數(shù)控電火花機(jī)床用的精密數(shù)控 A、C軸裝置。

(14)形成3種規(guī)格的精密數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)電火花機(jī)床新產(chǎn)品。

(15)發(fā)表相關(guān)論文3～5篇。

3.3 課題突破的關(guān)鍵技術(shù)及取得的成果

3.3.1 DK7132、DK7140、DK7150(AA50)及 N850等4種規(guī)格的五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)床(圖9)

——五軸聯(lián)動(dòng):可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶冠整體渦輪盤(pán)扭曲葉形及其他復(fù)雜型面數(shù)控電火花成形加工;

——高精度:直線數(shù)控軸重復(fù)定位精度＜2 μ m,定位精度＜5 μ m;轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)控軸重復(fù)定位精度＜5″,定位精度＜15″;

——實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫耐熱合金、鈦合金材料進(jìn)行高效穩(wěn)定加工;

——最大加工電流 50～150 A;

——最低電極損耗 0.1%;

——最佳表面粗糙度 Ra＜0.2 μ m;

——配置智能工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖9 五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)床

3.3.2 高精度電火花加工專用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)

(1)直驅(qū)式精密C軸(圖10)

——采用先進(jìn)的直驅(qū)電機(jī)、全閉環(huán)控制;

——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元中間傳動(dòng)元件;

——體積小,使用靈活;

——高精度,重復(fù)定位精度＜5″,定位精度＜15″。

(2)外置、卸荷式 A軸(B軸)(圖 11)

回轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)全置于工作液槽外部。

——密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,密封可靠,壽命高,維護(hù)方便;

——操作、加工空間大,裝調(diào)方便;

——全閉環(huán) 、高精度,重復(fù)定位精度 ＜5″,定位精度＜15″。

(3)全密封浸泡式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

——全閉環(huán) 、精度高、重復(fù)定位精度 ＜5″,定位精度＜15″;

——可靈活作為 A、B、C 軸使用。

3.3.3 高精度主機(jī)

——數(shù)控軸全閉環(huán)控制,控制當(dāng)量0.1 μ m 和1″;

——主要結(jié)構(gòu)件有限元分析,優(yōu)化設(shè)計(jì);

——建立變形檢測(cè)平臺(tái),進(jìn)行主機(jī)變形分析,工作液溫控,保證工作精度;

——全新固定工作臺(tái)牛頭式布局。

3.3.4 主軸高速抬刀技術(shù)

——對(duì)主軸結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌、絲杠、傳動(dòng)、支撐的精心分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)用;

——對(duì)高速抬刀速度、加速度曲線科學(xué)規(guī)劃;

——最大抬刀速度12 m/min,深窄槽加工效果顯著;

——一般抬刀速度加工2 mm寬窄槽時(shí),在深度超過(guò)30 mm后就很難加工。采用高速抬刀后,加工100 mm深度變得很順利。

3.3.5 鈦合金、高溫耐熱合金等難加工材料高效加工脈沖電源

——高精度的穩(wěn)壓電源;

——脈沖前沿快速、精準(zhǔn)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)等能量加工;

——對(duì)放電狀態(tài)的檢測(cè),加工過(guò)程的適應(yīng)控制;

——鈦合金加工效率829 mm3/min,加工表面粗糙度Ra 0.166 μ m;高溫耐熱合金加工效率2 351 mm3/min,加工表面粗糙度 Ra 0.078 μ m,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

3.3.6 超光加工技術(shù)

——研發(fā)了特殊回路超光加工脈沖電源,對(duì)電感及間隙電容科學(xué)設(shè)計(jì)、搭配組合,放電、微能量的有限控制;

——大量工藝試驗(yàn)參數(shù)的合理選取,伺服狀態(tài)、工作液的科學(xué)控制;

— —最佳表面粗糙度達(dá) Ra 0.078 μ m 。

3.3.7 五軸五聯(lián)動(dòng)電火花成形加工專用數(shù)控系統(tǒng)

——以Linux為操作系統(tǒng)平臺(tái),與 Windows比開(kāi)放性、安全性更好,可充分利用軟、硬件資源;

——五軸五聯(lián)動(dòng)全閉環(huán)控制;

——實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的伺服及適應(yīng)控制。

3.3.8 智能工藝專家系統(tǒng)

可利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練、計(jì)算、優(yōu)化生成新的加工工藝數(shù)據(jù)。

3.3.9 帶冠整體渦輪輪盤(pán)扭曲葉型的五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工技術(shù)

——開(kāi)發(fā)了帶冠整體渦輪盤(pán)扭曲葉形五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工CAD/CAM軟件系統(tǒng);

——形成了整套加工工藝;

——完成了高溫耐熱合金、鈦合金材料帶冠整體渦輪盤(pán)扭曲葉形的五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工。

圖12是鈦合金雙極整體帶冠渦輪盤(pán)。使用電極個(gè)數(shù):左電極 16支,右電極11支,合計(jì)27支;總加工時(shí)間:合計(jì)約239 h。

另外,加工了高溫鎳基合金單級(jí)整體帶冠渦輪盤(pán),總加工時(shí)間為147.5 h,加工精度經(jīng)檢驗(yàn)合格,加工效果很好。

圖13是加工中的高溫耐熱合金帶冠扭曲葉型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)。

3.3.10 建立了多個(gè)試驗(yàn)研究平臺(tái)

建立了成形加工脈沖電源試驗(yàn)平臺(tái)、成形加工伺服性能試驗(yàn)平臺(tái)、數(shù)控軸運(yùn)動(dòng)精度與性能測(cè)試平臺(tái)、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及平臺(tái)。

3.3.11 形成了一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

到目前為止,課題已獲專利2項(xiàng),其中發(fā)明專利2項(xiàng),已申報(bào)專利5項(xiàng),其中發(fā)明專利3項(xiàng);已獲軟件著作權(quán)2項(xiàng),已申報(bào)1項(xiàng);已完成2項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂,并參加了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定;已發(fā)表論文20篇。

4 特殊材料復(fù)雜形面電解加工技術(shù)與裝備

4.1 課題基本情況

本課題是863計(jì)劃項(xiàng)目,基本情況見(jiàn)表4。

表4 特殊材料復(fù)雜形面電解加工技術(shù)與裝備課題基本情況

4.2 課題目標(biāo)及考核指標(biāo)

課題目標(biāo):針對(duì)特殊材料的整體葉盤(pán)/葉片電解加工設(shè)備和工藝開(kāi)展研究,通過(guò)突破工具電極空間運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化與控制、主動(dòng)分流與減振控制的電解液流場(chǎng)設(shè)計(jì)、整體葉盤(pán)電解加工穩(wěn)流密封單元設(shè)計(jì)、工具電極計(jì)算機(jī)輔助幾何形狀快速設(shè)計(jì)方法、電解加工過(guò)程檢測(cè)與控制、電解加工脈沖電源等關(guān)鍵技術(shù),研制出整體葉盤(pán)/葉片電解加工設(shè)備,實(shí)現(xiàn)高溫合金、鈦合金等材料整體葉盤(pán)/葉片的精密、高效電解加工。形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制造技術(shù),突破國(guó)外技術(shù)封鎖,提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)/葉片的制造水平。

考核指標(biāo):

(1)加工材料:鎳基高溫合金GH4169、鈦合金TC17等典型材料。

(2)典型結(jié)構(gòu):復(fù)雜空間扭曲型面。

(3)研制出整體葉輪的高效、精密電解加工機(jī)床設(shè)備,其技術(shù)指標(biāo)為:

——加工范圍:直徑400～700 mm整體葉輪;——機(jī)床軸數(shù):七軸分組聯(lián)動(dòng);

— —X 、Y 、Z軸行程 ≥150 mm;

——定位精度±0.005 mm/150 mm,重復(fù)定位精度 4 μ m;

——快進(jìn)速度≥150 mm/min;

——最大可加工面積2 000×2 mm2,最大加工效率4 000 mm3/min;

——加工精度≤±25 mm,葉片型面表面粗糙度Ra≤0.63 mm。

(4)研制出工具電極幾何形狀計(jì)算機(jī)輔助快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

(5)研制出具有代表性的發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)和壓氣機(jī)葉片。

(6)發(fā)表學(xué)術(shù)論文 10篇以上,其中 SCI、EI源期刊不少于4篇。

(7)申請(qǐng)發(fā)明專利4～6項(xiàng)。

(8)培養(yǎng)研究生24名,青年教師3名。

4.3 課題突破的關(guān)鍵技術(shù)及取得的成果

4.3.1 數(shù)控整體葉盤(pán)電解加工機(jī)床(圖14)

——七軸分組聯(lián)動(dòng);

——快速進(jìn)給,軌跡控制,精確對(duì)刀,高效加工。

4.3.2 電解加工系統(tǒng)軟件(圖15)

基于虛擬儀器技術(shù)的復(fù)雜形面電解加工控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)陰極空間進(jìn)給、葉盤(pán)加工、數(shù)據(jù)采集等功能。

圖14 自主研制的整體葉盤(pán)電解加工機(jī)床

圖15 整體葉盤(pán)電解加工控制系統(tǒng)

4.3.3 復(fù)雜形面精密電解加工工作液循環(huán)系統(tǒng)

——電解液穩(wěn)定輸送至加工區(qū);

——兩級(jí)精密電解液過(guò)濾;

——電解液壓力、流量、溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.3.4 工具電極進(jìn)給路徑優(yōu)化模式和方法

——三面柔性進(jìn)給新模式;

——工具電極任意角度進(jìn)給,非對(duì)稱角度進(jìn)給,曲線進(jìn)給;

——加工通道貼合葉片形狀,適合扭曲通道加工,余量均勻,提高精度;

——軌跡優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)工具電極無(wú)干涉運(yùn)動(dòng)。

4.3.5 電解液主動(dòng)分流控制方法

——葉盒、葉背電解液主動(dòng)分開(kāi),減少流場(chǎng)雜亂現(xiàn)象,消除流量不均,隨機(jī)變化顯著弊端,提高加工穩(wěn)定性;

——設(shè)計(jì)W型電解液流動(dòng)方式,使流均更均勻穩(wěn)定,改變電極兩側(cè)承壓狀態(tài),減少薄片電極變形。

4.3.6 復(fù)雜形面電解加工穩(wěn)流密封單元,保證整體葉盤(pán)電解加工穩(wěn)定

4.3.7 工具電極數(shù)字化綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)

——陰極型面的逆向求解;

——求解工具電極最優(yōu)進(jìn)給角度和路徑;

——分析葉片型面各種樣點(diǎn)間隙分布;

——計(jì)算工具電極型面幾何形狀及實(shí)體造型。

4.3.8 復(fù)雜型面葉片電解加工試驗(yàn)研究

——復(fù)雜形面電解成形加工各工藝參數(shù)及影響規(guī)律研究;

——脈沖電流電解加工研究;

——建立復(fù)雜形面電解加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù);

——加工出的復(fù)雜曲面葉片滿足設(shè)計(jì)要求。

5 微細(xì)結(jié)構(gòu)多功能電加工技術(shù)與裝備

5.1 課題基本情況

本課題是863計(jì)劃項(xiàng)目,基本情況見(jiàn)表5。

表5 微細(xì)結(jié)構(gòu)多功能電加工技術(shù)與裝備課題基本情況

5.2 課題總體目標(biāo)及考核指標(biāo)

5.2.1 課題目標(biāo)

(1)針對(duì)精密微細(xì)孔和微小模具的制造需求背景,研究開(kāi)發(fā)出微細(xì)構(gòu)件多功能電加工系統(tǒng)技術(shù),構(gòu)建出微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、微細(xì)超聲加工及其復(fù)合加工模塊的多功能模塊集成的微細(xì)加工裝備。

(2)研究解決各加工核心機(jī)構(gòu)模塊、高頻脈沖電源、加工狀態(tài)檢測(cè)、加工進(jìn)給伺服控制、三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控軟件及系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

(3)完成微細(xì)孔順序加工、二維陣列微細(xì)結(jié)構(gòu)批量加工及三維微細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工等3種典型工藝的研究開(kāi)發(fā)。

具體指標(biāo):

(1)研制出高精度多用途微細(xì)電加工裝備樣機(jī)2套。所研制的微細(xì)構(gòu)件多功能電加工裝備具有以下性能指標(biāo):三軸聯(lián)動(dòng),X、Y、Z行程均≥100 mm,重復(fù)定位精度≤±1 μ m;脈沖電源最小脈寬≤100 ns。

(2)實(shí)驗(yàn)研究達(dá)到工件最小加工特征尺寸≤30 μ m、最佳表面粗糙度 Ra≤0.1 μ m的工藝技術(shù)水平。結(jié)合重要應(yīng)用領(lǐng)域用戶需求,利用功能模塊各完成2種典型微細(xì)構(gòu)件的精密加工,并在用戶單位示范應(yīng)用。加工出具有代表性的微小孔類、三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的零部件樣件。

(3)提出對(duì)應(yīng)微細(xì)孔、陣列微細(xì)結(jié)構(gòu)和三維微細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工制造的微細(xì)電加工工藝,提交相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告和技術(shù)報(bào)告。發(fā)表體現(xiàn)研究成果的學(xué)術(shù)研究論文16篇以上(其中SCI論文6篇以上)。

(4)申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)以上。

(5)促進(jìn)學(xué)科交叉研究發(fā)展,培養(yǎng)博士研究生6名,碩士研究生12名。

5.3 課題突破的關(guān)鍵技術(shù)及已取得的成果

(1)研制出高精度多用途微細(xì)電加工機(jī)床樣機(jī)(圖16)

——三軸聯(lián)動(dòng);

——機(jī)床設(shè)計(jì)重復(fù)定位精度≤±1 μ m;機(jī)床技術(shù)采用模塊化設(shè)計(jì),可自由實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、微細(xì)超聲加工的組合。

圖16 高精度多用途微細(xì)結(jié)構(gòu)電加工裝備樣機(jī)

(2)四軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

——采用實(shí)時(shí) Linux作為操作系統(tǒng)平臺(tái),PMAC運(yùn)動(dòng)控制器作為運(yùn)動(dòng)控制核心,通過(guò)基于上、下位機(jī)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成控制功能;

——可實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)電火花加工、微細(xì)超聲加工、微細(xì)電化學(xué)加工的集中控制;

——可實(shí)現(xiàn)工具電極在線加工、點(diǎn)位控制、三維掃描加工及自動(dòng)補(bǔ)償?shù)取?/p>

(3)微細(xì)電火花加工模塊、微細(xì)電花學(xué)加工模塊和微細(xì)超聲加工模塊設(shè)計(jì)與制作

——設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工用Z軸及回轉(zhuǎn)主軸部件,可用于微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、微細(xì)超聲加工及微細(xì)超聲復(fù)合加工;

——采用模塊化設(shè)計(jì)思想,完成微細(xì)電化學(xué)模塊、微細(xì)超聲加工模塊的設(shè)計(jì)制作,使其與微加工機(jī)床本體之間有較好的機(jī)械接口和電氣接口,方便多種加工方法的組合。

(4)微細(xì)電火花加工高頻脈沖電源

——該電源具有納秒級(jí)脈寬晶體管脈沖回路及RC放電回路,滿足微細(xì)電火花加工工藝要求,并與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件及軟件集成;

——顯著提升了微細(xì)電火花加工的加工性能,最佳加工尺度由原來(lái)的20 μ m減小到現(xiàn)在的5 μ m。

(5)研制微細(xì)電化學(xué)加工用納秒級(jí)脈寬多模式微能脈沖電源,利用分組模式間隔時(shí)間周期性伺服控制電極的抬起,以利于間隙內(nèi)電解液的循環(huán)更新,使加工順利進(jìn)行。

(6)提出了電極搖動(dòng)和超聲波振動(dòng)輔助加工微孔的新方法,使微孔加工的深徑比達(dá)到29。

(7)提出了電極均勻損耗法和層內(nèi)線形補(bǔ)償法相結(jié)合的三維微細(xì)電火花加工新方法,使加工效率提高、電極損耗降低和表面粗糙度值降低。

(8)形成了一批知識(shí)產(chǎn)權(quán)。已發(fā)表18篇學(xué)術(shù)論文;已獲得發(fā)明專利2項(xiàng);待申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng);軟件著作權(quán)1項(xiàng)。

6 863計(jì)劃與數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)電加工課題實(shí)施的重大作用與意義

(1)通過(guò)課題的實(shí)施,促使電加工技術(shù)與裝備的一系列關(guān)鍵技術(shù)取得了重大突破。不僅一些技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,有的還達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平,明顯縮小了與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的差距,而且有些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新,特別是原始創(chuàng)新。這些成果涉及了電火花線切割加工、電火花成形加工、電火花微細(xì)加工、電火花高效銑削、電解成形加工等一些主要的電加工技術(shù)及主導(dǎo)產(chǎn)品,將有力地支撐我國(guó)電加工、特種加工技術(shù)的發(fā)展,增強(qiáng)相關(guān)電加工裝備在國(guó)內(nèi)、國(guó)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

(2)課題的成果將為我國(guó)航天、航空、軍工、船舶、汽車(chē)、發(fā)電、精密模具等重要制造領(lǐng)域提供急需的、傳統(tǒng)加工方法難以解決的先進(jìn)制造技術(shù)及裝備,打破某些國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖,明顯增強(qiáng)這些領(lǐng)域的制造能力和水平。

(3)通過(guò)課題的實(shí)施,明顯增強(qiáng)了我國(guó)電加工、特種加工行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力。一大批專業(yè)技術(shù)人員在課題實(shí)施中得到了很大的鍛煉,提高了水平,積累了經(jīng)驗(yàn);相關(guān)課題的參加單位通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè),明顯增強(qiáng)了創(chuàng)新的實(shí)力。通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合的模式進(jìn)行課題的實(shí)施,也為今后我國(guó)電加工、特種加工領(lǐng)域更好地整合行業(yè)技術(shù)資源、聚力創(chuàng)新打下了良好的基礎(chǔ)。

7 存在的問(wèn)題

(1)我國(guó)高端電加工、特種加工技術(shù)與裝備與國(guó)際先進(jìn)水平相比,一些關(guān)鍵技術(shù)還存在明顯差距,裝備的綜合技術(shù)水平不夠高,還必須加大趕超、創(chuàng)新力度。

(2)我國(guó)電加工、特種加工創(chuàng)新能力與國(guó)際先進(jìn)水平相比,還較薄弱,人才隊(duì)伍的數(shù)量特別是高端人才明顯不足,科研支撐條件及企業(yè)的創(chuàng)新投入能力仍然不夠強(qiáng),創(chuàng)新體系及機(jī)制也不夠完善。

(3)課題取得的某些成果還需進(jìn)一步完善、提升、整合,提高成熟度,以得到更好的推廣應(yīng)用效果。

感謝各有關(guān)單位課題組提供相關(guān)基本資料。