難加工材料閉式整體構(gòu)件精密電火花加工技術(shù)研究

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210016）

隨著航空航天和武器裝備技術(shù)的發(fā)展，整體構(gòu)件的使用越來越廣泛。整體構(gòu)件的大量選用，使得產(chǎn)品的零件數(shù)量、重量都大為減少，產(chǎn)品性能提高的同時，其可靠性也得到大幅提升，對武器裝備的輕型化、小型化和高性能化發(fā)展提供了重要的技術(shù)保障[1-2]。此外，整體構(gòu)件在現(xiàn)代高速列車、大型艦船、坦克、先進透平機械等重要產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越多。然而由于整體構(gòu)件幾何構(gòu)型復(fù)雜，材料難加工，且多為空間彎扭的氣流通道，如果采用傳統(tǒng)的直柄刀具很難完成葉間流道的加工，其整體制造成為世界級難題，各先進工業(yè)國家都在進行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，以求優(yōu)質(zhì)、高效、低成本地生產(chǎn)整體構(gòu)件。而閉式整體構(gòu)件相對一般敞開式整體構(gòu)件其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且氣流通道多為三維彎扭的狹長通道。常規(guī)的數(shù)控銑削由于刀具可達性問題很難甚至無法加工，即便能加工，其成本也非常昂貴；而精密鑄造雖然可用于一些結(jié)構(gòu)簡單的閉式整體構(gòu)件的制坯，畢竟還受材料可鑄性限制；國內(nèi)鑄造精度還很難滿足工程應(yīng)用要求[3-4]。3D 打印技術(shù)理論上可以加工出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過程柔性化程度高[5]，但其加工精度、表面質(zhì)量和材料強度目前大多不能滿足應(yīng)用要求，還需要另外增加精加工工序，其制造成本仍然居高不下。數(shù)控電解加工是目前應(yīng)用比較廣泛的新工藝，并且在航空發(fā)動機、火箭制造等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，其生產(chǎn)效率高，工具無損耗，而且不受材料本身硬度和強度的限制。但電解加工工藝復(fù)雜，加工過程受多種因素的影響，加工穩(wěn)定性和精度都還有待進一步提高。目前電解加工還主要用于閉式整體構(gòu)件葉間流道的預(yù)加工，為后續(xù)加工留出均勻分布的加工余量[6-7]。電火花加工具有加工精度高、穩(wěn)定性好，且加工時宏觀作用力小，可加工任意高強度、高硬度的導(dǎo)電金屬材料,對于難加工材料閉式整體構(gòu)件的整體制造難題，是目前最有效的加工工藝技術(shù)之一[8-10]。然而，鑒于閉式整體構(gòu)件的復(fù)雜性，即便采用電火花加工技術(shù)，依然存在諸多技術(shù)難題，本文針對閉式整體構(gòu)件電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并對典型閉式整體構(gòu)件進行試制加工。

研究對象分析

1 結(jié)構(gòu)特點與加工難點分析

閉式整體構(gòu)件的材料多為高強度、高硬度的高溫耐熱合金，且氣流通道幾何形狀異常復(fù)雜。從制造的角度分析，其結(jié)構(gòu)（見圖1）一般具有以下特點：（1）葉間氣流通道多為三維彎扭的復(fù)雜異形型腔，通道狹窄、開敞性極差。（2）整體構(gòu)件含有幾十個至上百個不等的復(fù)雜氣流通道，且其成形精度要求很高。（3）為提高產(chǎn)品的綜合性能，減小產(chǎn)品質(zhì)量，閉式整體構(gòu)件多為薄壁框架式結(jié)構(gòu)。

鑒于上述閉式整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點分析，對于精密數(shù)控電火花加工而言，其制造難點如下：

（1）閉式葉間流道的加工可達性差，通常情況下需要從進、排氣口分別加工，其葉間流道的加工區(qū)域劃分會直接影響電極設(shè)計和加工效率。

（2）閉式葉間流道空間彎扭、狹長，成形電極在進入葉間流道加工時要同時兼顧電極剛性和與工件已經(jīng)成形的型面的過切與干涉問題，電極設(shè)計與加工運動軌跡設(shè)計需要同步完成，反復(fù)驗證。

（3）通常情況下，閉式葉間流道需要多個電極空間接刀完成整個零件的加工，多個電極的設(shè)計基準和工藝基準需要統(tǒng)一，多個成形電極加工所產(chǎn)生的接刀痕問題，以及工序間加工余量的合理分配問題都對加工質(zhì)量和加工效率產(chǎn)生直接影響。

圖1 典型閉式整體構(gòu)件Fig.1 Typical closed integral structure

2 工作流程分析

采用數(shù)控電火花加工可以解決閉式整體構(gòu)件的整體制造難題，但對于空間彎扭的葉間流道的大余量去除，特別是從鍛造毛坯直接以盲腔進行大余量去除，加工效率極低。故本文所論述的閉式整體構(gòu)件的整體制造是先采用數(shù)控電解加工對葉間流道進行預(yù)加工，把葉間流道先打通，并為電火花加工留下相對較均勻的加工余量；然后再進行電火花粗、中、精加工。這樣既可以有效減少精密電火花加工工序的加工余量，也為電火花加工過程中采用沖液或抽液等措施改善放電條件奠定了基礎(chǔ)，對于綜合提高閉式整體構(gòu)件的綜合技術(shù)經(jīng)濟效果大有幫助，這也在課題組之前的閉式整體構(gòu)件試制加工試驗中獲得了驗證[11]。具體到精密電火花加工工序，首先要根據(jù)葉間流道和閉式整體構(gòu)件的外廓尺寸進行電極及其加工運動軌跡設(shè)計，結(jié)合所選用的精密電火花加工設(shè)備，設(shè)計專用工裝夾具，然后通過自主開發(fā)的電火花加工仿真模擬軟件進行加工運動仿真以檢查電極與工裝是否存在干涉和過切情況，通過加工過程仿真對加工結(jié)果進行預(yù)測。仿真驗證無誤后，對設(shè)計的電極和工裝夾具進行制造和檢測，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對參數(shù)化模型進行修正，為后續(xù)電火花加工的調(diào)整找正提供依據(jù)。在試制過程中，還需要對選用的電規(guī)準和對應(yīng)的加工間隙變化規(guī)律進行分析，據(jù)此合理匹配電火花加工的搖動量，最終完成閉式整體構(gòu)件的電火花整體制造，通過三坐標測量進行檢測驗收。整個工作流程如圖2所示。

圖2 閉式整體構(gòu)件電火花加工流程Fig.2 EDM process of closed integral structure

關(guān)鍵技術(shù)

1 加工區(qū)域劃分

圖1所示閉式整體構(gòu)件的氣流通道空間彎扭，加工可達性差，即使采用多軸聯(lián)動數(shù)控電火花加工設(shè)備，也很難利用一個電極完成整個葉間流道的加工，一般情況下需要多個電極分別從進、排氣口才能完成空間接刀。每個電極加工流道的哪個區(qū)域，直接關(guān)系到綜合加工效率和加工難易程度，因此，在進行電極及其加工運動設(shè)計之前，首先需要對葉間流道進行合理的加工區(qū)域劃分。根據(jù)對多種閉式整體構(gòu)件開展的電火花加工工藝設(shè)計，在進行加工區(qū)域劃分時一般需要注意以下幾點[11-12]：

（1）在保證葉間流道加工完整性的前提下，盡可能減少加工區(qū)域的劃分數(shù)量。

（2）盡量保證所劃分加工區(qū)域的剛度，便于電極的設(shè)計制造。

（3）每個區(qū)域的劃分應(yīng)保證成形電極可以無干涉地從流道的進、排氣口撤出。

圖3所示為針對圖1中閉式整體構(gòu)件，依據(jù)上述原則進行的葉間流道加工區(qū)域劃分，圖3中所示區(qū)域編號為對應(yīng)劃分區(qū)域的電極編號，數(shù)字從低到高為實際加工的電極使用順序，一般不能隨意調(diào)換加工順序，否則會增加電極的損耗，降低加工效率。同樣的加工區(qū)域劃分，如果加工順序不同，也會影響綜合加工效率。

圖3 典型閉式整體構(gòu)件葉間流道加工區(qū)域劃分Fig.3 Inter-leaf flow channel processing area division of typical closed integral structure

2 電極及其運動軌跡設(shè)計

2.1 電極型面設(shè)計

為保證閉式整體構(gòu)件葉間流道的型面加工精度，電極設(shè)計時需要重點考慮幾個方面：（1）在加工自由曲面葉間流道時應(yīng)盡量使用最少數(shù)量的電極完成加工，減少在自由曲面上的接刀痕，以保證葉片型面的光順。（2）對應(yīng)不同加工區(qū)域劃分的電極，要注意增加定位基準面，便于多電極加工時的空間定位。（3）設(shè)計的電極要保證足夠的剛性，同時能夠滿足從進、排氣口通過數(shù)控運動無干涉地進給到加工位置。

2.2 電極成形面設(shè)計

電極的成形面直接決定流道的最終加工效果，其型面的偏移形式需結(jié)合實際加工過程所采用的數(shù)控搖動形式，以此來減少葉間流道的加工誤差。

一般情況下，設(shè)計電極成形面常采用等間隙法，假設(shè)放電間隙為δ，在流道待加工區(qū)型面上取足夠多的點集Pi，取點Pi處型面法向單位向量npi，偏移一個單位矢量npi則可得到對應(yīng)的點集。

設(shè)Pi= （xi，yi，zi），npi=（api，bpi，cpi），則矢量 Pni對應(yīng)點 Pni的坐標值為（xi-δapi，yi-δbpi，zi-δcpi）。由型值點坐標Pni得到電極成形面的點集Pn，即可得到電極成形面的理論型面[13]。圖4為基于圖3（c）所示加工區(qū)域劃分基礎(chǔ)上，依據(jù)上述電極成形面設(shè)計方法設(shè)計得到的電極（紅色為電極成形面，藍色為非成形面，綠色為調(diào)整找正基準面）。

圖4 電極成形面設(shè)計Fig.4 Forming surface design of electrode

2.3 電極運動軌跡設(shè)計

鑒于圖1所示閉式整體構(gòu)件葉間流道的復(fù)雜性，電極的加工運動軌跡必須與電極設(shè)計同步完成，才能保證在實際加工時不發(fā)生干涉與過切現(xiàn)象。為此，針對每個加工區(qū)域劃分，以上述設(shè)計得到的電極為初始電極，根據(jù)區(qū)域劃分中對零件葉間流道的終成形的重要度，選擇出主成形面，在設(shè)計加工運動軌跡時盡量保證主成形面不與葉間流道發(fā)生干涉，這樣就不用修正主成形面，可以減少設(shè)計的反復(fù)次數(shù)。具體設(shè)計中，是采用基于UG軟件平臺自主開發(fā)的仿真分析軟件模塊，該模塊可以通過設(shè)定加工軌跡，將葉間流道模型與初始電極模型進行動態(tài)裝配，在一步步撤出葉間流道的過程中,首先判斷成形面是否干涉，若成形面出現(xiàn)干涉，則對電極進行位姿變換，從而消除成形面干涉，并切除非成形面與運動空間的干涉部分；若成形面無干涉，則判斷非成形面是否存在干涉，若非成形面出現(xiàn)干涉，則對電極進行位姿變換，但位姿變換時應(yīng)保證成形面不會出現(xiàn)干涉，從而減小或消除非成形面與運動空間的干涉，并切除非成形面與運動空間的干涉部分；若成形面與非成形面均不出現(xiàn)干涉，則進行下一步撤出調(diào)整。直至電極完全撤出葉間流道模型，然后重復(fù)上述過程，直至整個撤出過程不發(fā)生干涉現(xiàn)象，此時，撤出軌跡的反過程就是實際加工需要的運動軌跡[14-15]。

3 工藝基準統(tǒng)一

對于閉式整體構(gòu)件葉間氣流通道的加工，鑒于其加工可達性差，往往需要采用多個電極進行空間接刀，如圖3所示，每個加工區(qū)域劃分至少需要一個電極。在實際加工中，工具電極的調(diào)整找正需要基準，這個基準最好與閉式整體構(gòu)件的設(shè)計基準保持一致。多個電極需要參照同一基準，否則，調(diào)整找正精度就很難滿足實際需要。一般情況下，需要在工裝夾具上設(shè)置標準球，在每個工具電極上設(shè)計打表找正的基準面，在上機床之前進行精密測量，根據(jù)實際測量值進行調(diào)整數(shù)據(jù)的計算，以盡可能消除工裝夾具和電極的制造誤差，提高加工精度和調(diào)試效率。

4 工藝參數(shù)選擇

為提高電火花加工效率和表面質(zhì)量，將整個加工過程分為粗加工、半精加工和精加工，采用多組電規(guī)準并輔以平動或者搖動的方式，每一個電規(guī)準有相應(yīng)的加工間隙、表面粗糙度等與之對應(yīng)，用戶只需通過手冊選取符合加工要求的電規(guī)準，并根據(jù)電極和工件型面確定出進給量即可。對于圖1 所示閉式整體構(gòu)件上復(fù)雜氣流通道精加工，由于電極制造較困難，優(yōu)先選用電極相對損耗較小的電規(guī)準。對應(yīng)電規(guī)準的數(shù)控進給量(或平動半徑)可根據(jù)式（2）確定[11]（變量意義見圖5）。

圖5 電火花加工工藝參數(shù)選擇示意圖Fig.5 Diagram of EDM process parameters selection

驗證方法

1 電火花加工仿真驗證

在完成上述設(shè)計工作后，為了驗證設(shè)計的正確性，首先采用計算機進行三維模擬仿真，在UG 軟件平臺基礎(chǔ)上，利用其強大的三維建模、組部件裝配、運動分析等功能，通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了基于等加工間隙假設(shè)的三維實體模型的連續(xù)電加工過程幾何仿真。其核心思想就是將機床、工裝夾具、電極、工件進行靜態(tài)裝配后，根據(jù)設(shè)計好的加工運動軌跡并通過開發(fā)的程序讀取運動軌跡的數(shù)控代碼，按時序修改裝配約束參數(shù)，從而實現(xiàn)模型的“動態(tài)裝配”，整個連續(xù)的加工過程可看作動態(tài)按時序變化的裝配關(guān)系，如果在每一個裝配位置都進行間隙分析和干涉檢查就能夠判定加工過程中是否存在干涉、過切現(xiàn)象；如果在每一個裝配位置都以電極為工具對工件毛坯做布爾減運算，就能夠?qū)崿F(xiàn)去除材料的加工過程仿真，讓最終仿真結(jié)果與理論葉間流道模型做比較就能判斷所設(shè)計的電極及其加工運動是否合適。采用“動態(tài)裝配”的方式可以比較精確地表達數(shù)控加工運動軌跡，在實踐中只需將整個加工過程分成一定量的程序段，對每個程序段結(jié)束時刻的裝配關(guān)系進行分析，只要所取的程序段數(shù)足夠多，就能夠滿足工程需要，值得注意的是，程序段數(shù)的多少直接決定計算機仿真的精度和速度[11]。圖6所示為針對圖1中3種典型閉式整體構(gòu)件開展的計算機仿真，仿真中采用了等間隙假設(shè)，即認為加工過程中電極的所有放電表面上的加工間隙相同。等間隙假設(shè)對于電火花加工來說仿真誤差可以控制，特別是在精加工過程中，由于電規(guī)準較小，其加工間隙變化范圍基本控制在10μm以內(nèi)，完全可以滿足實際工程需要，仿真結(jié)果能夠很好地驗證設(shè)計結(jié)果的正確性，對于提高設(shè)計效率、減少試驗反復(fù)次數(shù)大有益處。

圖6 典型閉式整體構(gòu)件電火花加工仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of EDM of typical closed integral structure

2 試制加工驗證

為驗證上述設(shè)計方法和仿真結(jié)果的正確性，針對圖1所示閉式整體構(gòu)件，首先利用數(shù)控電解加工完成大余量去除，并把葉間流道打通的基礎(chǔ)上，采用上述方法設(shè)計制造的電極和工裝夾具進行了試制加工試驗。加工設(shè)備為瑞士生產(chǎn)的Roboform35型精密電火花加工機床，表1為半精加工和精加工所選用的電規(guī)準及數(shù)控搖動量等參數(shù)。圖7所示為已經(jīng)完成試制加工的圖1（a）和圖1（b）所示的閉式整體構(gòu)件，其葉間流道尺寸精度達到設(shè)計圖紙要求，現(xiàn)均已完成裝機試車，達到設(shè)計圖紙要求的制造精度，通過實際應(yīng)用驗證了設(shè)計方法和電火花加工仿真分析的正確性。目前基本完成對圖1（c）所示閉式整體構(gòu)件的電極及其運動軌跡的設(shè)計和加工過程仿真分析，待完成電極與工裝夾具制造后將很快進行試制加工。

圖7 試制完成的典型閉式整體構(gòu)件Fig.7 Trial production of typical closed integral structure

結(jié)束語

（1）閉式整體構(gòu)件葉間流道復(fù)雜，空間彎扭度大，直接采用鍛造毛坯整體制造難度極大，屬于國際制造難題。采用數(shù)控電火花加工過程仿真和試制加工試驗表明，數(shù)控電火花加工能夠解決該類整體構(gòu)件的整體制造難題，對于我國的新機研制意義重大。

（2）對于空間彎扭的葉間氣流通道的數(shù)控電火花加工而言，基于葉間流道實體模型開展的加工區(qū)域劃分、電極及其加工運動軌跡的同步設(shè)計、工藝基準的統(tǒng)一和工藝參數(shù)的選擇與優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，直接影響總體加工效率和加工精度。

（3）基于UG軟件平臺的動態(tài)裝配功能二次開發(fā)的數(shù)控電火花加工過程仿真軟件模塊能夠準確地驗證電極和工裝夾具設(shè)計的正確性，顯著減少試驗反復(fù)次數(shù)、降低研制成本、縮短試制周期，對于廣泛存在的閉式整體構(gòu)件數(shù)控電火花加工技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要作用。

（4）在數(shù)控電火花加工之前，采用數(shù)控電解加工去除大部分余量并打通葉間流道，對于提高數(shù)控電火花加工效率意義重大，隨著精密電解加工技術(shù)的穩(wěn)定性和加工精度逐步提高，對閉式整體構(gòu)件生產(chǎn)成本的降低會起到重要作用。在采用數(shù)控電火花加工技術(shù)解決閉式整體構(gòu)件的整體制造的可行性問題之后，還應(yīng)該大力發(fā)展閉式整體構(gòu)件的數(shù)控電解加工技術(shù)研究，為該類零件的批量生產(chǎn)奠定堅實的工藝技術(shù)基礎(chǔ)。

表1 電規(guī)準選擇與數(shù)控搖動量計算結(jié)果

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