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WMEM|大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形機(jī)床的研發(fā)應(yīng)用
WMEM|大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形機(jī)床的研發(fā)應(yīng)用
近年來，隨著航天航空、軍工、能源領(lǐng)域的重型運(yùn)載火箭、大型能源壓縮機(jī)等產(chǎn)品快速發(fā)展，眾多大型型面空間扭曲類關(guān)鍵零件需求不斷增多，如大型閉式渦輪盤、大型整體閉式葉輪、整體帶冠渦輪盤等。這類零件是發(fā)動(dòng)機(jī)、大型壓縮機(jī)的“心臟”零件，具有型面空間扭曲較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊材質(zhì)、超硬、耐高溫等特點(diǎn)，使用普通機(jī)床難以完成，電火花加工則有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
北京市電加工研究所針對(duì)航天領(lǐng)域重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大型帶葉冠整體式渦輪盤、帶葉冠導(dǎo)向環(huán)和噴嘴葉柵環(huán)，能源領(lǐng)域整體閉式葉輪等關(guān)鍵零件的制造難題，借助國家相關(guān)科技專項(xiàng)的支持，在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床及葉輪等特殊零件電火花加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破裝備技術(shù)、電源開發(fā)、軟件開發(fā)、加工工藝、裝配、檢測(cè)等技術(shù)“瓶頸”，研發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工機(jī)床（見圖1）及工藝技術(shù)，為航天航空、軍工、能源等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵制造裝備，并可推廣至模具、汽車等領(lǐng)域中。
圖1 A2190大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形機(jī)床
一、產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)、性能和特點(diǎn)
1. 機(jī)床技術(shù)參數(shù)
機(jī)床部分技術(shù)參數(shù)見下表。
2．機(jī)床主要性能
（1）具備六軸數(shù)控、六軸聯(lián)動(dòng)功能。
（2）具備數(shù)控系統(tǒng)集成三維CAD/CAM軟件，實(shí)現(xiàn)編程加工無縫連接功能。
（3）具備帶冠渦輪盤、整體閉式葉輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電火花成形加工功能。
（4）具備加工鈦合金、高溫耐熱合金等難加工材料的電火花成形加工功能。
3. 機(jī)床主要特點(diǎn)
（1）六軸聯(lián)動(dòng)大型電火花機(jī)床行程大，保證大型渦輪盤的加工空間。
（2）采用六軸聯(lián)動(dòng)加工，可減少電極設(shè)計(jì)數(shù)量，減少裝夾次數(shù)，降低因反復(fù)裝夾產(chǎn)生的精度損失。
（3）采用六軸聯(lián)動(dòng)編程加工，電極可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)。
（4）大功率的脈沖電源實(shí)現(xiàn)高效快速的去除，提高加工效率。
二、關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
1. 研發(fā)大型數(shù)控電火花成形機(jī)床主機(jī)及關(guān)鍵部件
研發(fā)的大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形機(jī)床主機(jī)（ZL201410150558.8，ZL201520382510.X）采用傾斜滑板式結(jié)構(gòu)，有效改善了現(xiàn)有機(jī)型的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，保證了設(shè)備的加工精度。
通過CAD/CAE建模仿真分析、基于多體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的電火花機(jī)床幾何誤差分析、熱-結(jié)構(gòu)耦合變形分析等技術(shù)的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)階段保證了機(jī)床的高精度和持續(xù)改進(jìn)；通過在制造加工環(huán)節(jié)進(jìn)行材料優(yōu)選、熱處理、選取合適的加工方法及在線檢測(cè)等手段，保證各零部件的加工精度；在裝配環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化裝配順序、嚴(yán)格控制裝配誤差等，保證機(jī)床各部分完美配合，達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)
各軸系采用自主設(shè)計(jì)的全閉環(huán)控制技術(shù)，該技術(shù)可對(duì)各種干擾和非線性因素對(duì)運(yùn)動(dòng)軸位移產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)校正，使任何時(shí)刻運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際位移時(shí)時(shí)跟隨設(shè)定值變化，因而可以保證機(jī)床具有非常高的動(dòng)、靜態(tài)精度。
此外，針對(duì)重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶葉冠整體式渦輪盤及環(huán)形件、大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪的大件加工需求，開發(fā)出直徑600mm以上的大型直驅(qū)全浸液電火花專用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)(ZL201621416804.0)，密封等級(jí)IP68。該全浸液轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度0.0014°，滿足這類零件精度需求。
2. 研發(fā)電火花專用Windows+RTX六軸數(shù)控系統(tǒng)
研發(fā)出基于Windows系統(tǒng)的六軸聯(lián)動(dòng)開放式數(shù)控系統(tǒng)(2016SR084163)，通過RTX實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁插件實(shí)現(xiàn)Windows下的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度?；诟咝阅艿?/span>X86處理器，研發(fā)了包含COMExpress模塊和COMExpress載板的數(shù)控主板，滿足控制算法及集成CAD/CAM對(duì)數(shù)控系統(tǒng)性能的需求。
基于高性能FPGA，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)/放電一體化控制卡的開發(fā)，提升放電控制和運(yùn)動(dòng)控制協(xié)同算法的并行性能和實(shí)時(shí)性能。
基于Windows+RTX開發(fā)出實(shí)時(shí)系統(tǒng)、六軸矢量分配插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)了電火花加工六軸聯(lián)動(dòng)回退、抬刀、搖動(dòng)等功能，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的全集成，能夠?qū)崿F(xiàn)編程加工無縫連接，提升了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性和電火花加工機(jī)床的易用性。數(shù)控系統(tǒng)硬件如圖3所示， Windows六軸數(shù)控系統(tǒng)界面如圖4所示。
圖3 數(shù)控系統(tǒng)硬件 圖4 Windows六軸數(shù)控系統(tǒng)界面
3. 研發(fā)六軸聯(lián)動(dòng)CAD/CAM系統(tǒng)
六軸聯(lián)動(dòng)CAD/CAM系統(tǒng)（2018SR037238）可用于解決復(fù)雜曲面零件（如整體閉式葉輪或渦輪盤類零件）的電極設(shè)計(jì)和軌跡仿真。該系統(tǒng)可極大地提高電極設(shè)計(jì)效率，縮短該類零件的加工周期，可嵌入到大型專業(yè)三維CAD軟件，接口方便快捷。運(yùn)用該系統(tǒng)能快速檢測(cè)所設(shè)計(jì)電極的合理性，自動(dòng)優(yōu)化電極軌跡，通過不斷的模擬仿真進(jìn)而不斷完善電極設(shè)計(jì)。電極和軌跡優(yōu)化完成后可一鍵自動(dòng)生成電火花加工G代碼，極大地提高編程效率，節(jié)約了大量的人工成本。圖5是數(shù)控系統(tǒng)集成CAD/CAM界面，圖6是CAM仿真系統(tǒng)。
圖5 數(shù)控系統(tǒng)集成CAD/CAM 圖6 CAM仿真系統(tǒng)
基于EROWA、3R等多個(gè)系列的標(biāo)準(zhǔn)夾具產(chǎn)品建立了夾具庫，將現(xiàn)有的N系列、B系列、M系列電火花成形機(jī)床的三維模型集成到CAD/CAM系統(tǒng)中，形成機(jī)床數(shù)據(jù)庫，能夠滿足虛擬加工的快速裝夾及加工仿真需求。
基于CAD/CAM API接口的網(wǎng)絡(luò)通信軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的通信連接及系統(tǒng)控制功能。開展了基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAM系統(tǒng)License授權(quán)管理軟件開發(fā)，用戶可以通過License授權(quán)進(jìn)行訪問CAD/CAM系統(tǒng)云端服務(wù)平臺(tái)以獲得相應(yīng)服務(wù)，從而保證用戶訪問服務(wù)平臺(tái)的有效性。
4. 研發(fā)高效率大功率脈沖電源
針對(duì)重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶冠渦輪盤及環(huán)形件加工去除量較大，而電火花加工效率較低的特點(diǎn)，開發(fā)了大功率PWM開關(guān)電源(見圖7)，采用疊層母線主回路設(shè)計(jì)(見圖8)，顯著降低放電寄生電感；研發(fā)了SiC MOSFET的納米級(jí)低損耗加工模塊和終端增爆模塊，開發(fā)的高效率大功率脈沖電源，經(jīng)國家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，脈沖電源最大加工電流200A，電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度0.1μm，驅(qū)動(dòng)當(dāng)量0.1μm。
圖7 PWM大功率開關(guān)電源 圖8 疊層母線主回路
對(duì)POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三種型號(hào)的石墨電極材料進(jìn)行分析和大量工藝試驗(yàn)，構(gòu)建了石墨材料加工工藝數(shù)據(jù)庫，采用新型加工回路，實(shí)現(xiàn)了1000mm3/min以上的鈦合金高效率加工和2000mm3/min以上的模具鋼高效加工。
5. 開展大型六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工工藝技術(shù)
開展了大型電火花加工機(jī)床六軸聯(lián)動(dòng)的工藝試驗(yàn)，制定了基于球面的變深度、變截面的S形曲線六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工工藝方法，并完成了試件的加工。開展了基于六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工裝備的重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金、高溫耐熱合金整體帶冠渦輪盤（ZL201310000946.3、ZL201610053352.2）、大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁件、環(huán)形件的智能化電火花高效加工工藝技術(shù)研究，建立了工藝數(shù)據(jù)庫。同時(shí)完成了大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪的工藝設(shè)計(jì)規(guī)范和驗(yàn)證，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
三、成果應(yīng)用及推廣情況
本項(xiàng)目研發(fā)的大型智能精密六軸聯(lián)動(dòng)電火花成形裝備，突破了大型六軸聯(lián)動(dòng)電加工機(jī)床及工藝關(guān)鍵核心技術(shù)，可解決以重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶葉冠整體式渦輪盤、噴嘴葉柵環(huán)及復(fù)雜薄壁件、大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪等復(fù)雜形狀零件為代表的大型關(guān)鍵零部件加工，解決了加工“瓶頸”問題。
應(yīng)用項(xiàng)目成果，為航天領(lǐng)域完成了多種型號(hào)的帶葉冠整體渦輪盤的加工，解決了重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤葉片扭曲度高、尺寸大、精度要求高、表面質(zhì)量要求高等問題，并推廣至航空、船舶、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件加工、復(fù)雜模具加工等國防軍工與民用領(lǐng)域，推動(dòng)了其所在行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步；同時(shí)，利用項(xiàng)目成果，形成了系列化大型牛頭電火花機(jī)床新產(chǎn)品，已成功用于中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司、蘇州中悅百毅光電科研開發(fā)有限公司、南京歐霸機(jī)電有限公司、寧波方正汽車模具有限公司等單位，提高了用戶的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低了生產(chǎn)成本。
應(yīng)用項(xiàng)目成果加工的透平壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)用整體閉式葉輪、導(dǎo)行轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵零件，都是這些單位所承擔(dān)的國家國防重大項(xiàng)目涉及的零件以及重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目應(yīng)用零件，解決了這些單位所承擔(dān)的國家國防重大項(xiàng)目中關(guān)鍵技術(shù)難題，為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、能源等領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步提供了重要支撐。
與此同時(shí)，通過項(xiàng)目研發(fā)，推動(dòng)了我國大型精密六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形裝備在設(shè)計(jì)、制造、加工工藝等方面的技術(shù)突破，增強(qiáng)了我國大、精、尖裝備的創(chuàng)新能力。同時(shí)，項(xiàng)目所開發(fā)的技術(shù)，將為類似電火花成形機(jī)床的開發(fā)提供技術(shù)支撐，也將進(jìn)一步提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
（來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》雜志2020年第1期 作者：伏金娟 丁連同 于帆 郭建梅，北京市電加工研究所；郭妍 劉建勇 孫東江，北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司 責(zé)編：梅峰）
