複雜流道電火花加工中的擺動進給
2016-12-16 來（lái）源：上（shàng）海航天設備製造總廠 作者：劉曉 王曉娟 趙萬（wàn）生 王煒 陳風帆
摘要：葉輪類零件複雜流道電（diàn）火花加工中普遍存在整體效率較低、加工狀態不（bú）穩定的情況。提出了電極擺動進給策略，通過調整電極進給各階（jiē）段位姿，改善了加工區域前端（duān）工作液流場，擴大了加工過程中的蝕除產物排出（chū）空間。流道加工試驗證明了擺動（dòng）進給可有效（xiào）改善加（jiā）工穩（wěn）定性，提高整（zhěng）體加工（gōng）效率。
關鍵詞：擺動進給；複雜流道；電火花加工；加工效率；加（jiā）工穩定性
以閉式整體泵葉輪、渦輪盤為代表的葉（yè）輪類零件複雜流道加工， 是（shì）電火花加工的一種（zhǒng）重要應用，其核心是成形電（diàn）極沿預先規劃（huá）的路徑進給，然後（hòu）進行拷貝加工[1]。由於複雜流道彎曲狹（xiá）窄，成形電極在進給過程的大部分階段，其加工狀（zhuàng）況均類似深盲孔加工，衝液措（cuò）施無法將工作液有效噴入，難以將蝕（shí）除產物（wù）迅速帶離電極前端的（de）放電加工區域，因而易造成放電狀態不穩定，產生拉弧（hú）、積碳等現象（xiàng），嚴重影（yǐng）響加工效率。對此，通常采用抬刀（dāo）措施以（yǐ）改（gǎi）善蝕除產物的排出狀況。抬刀回退可分為兩個階段：首先，電極沿（yán）原進給路徑（jìng）回退（tuì）一定距離，此時，純淨的工作液從流道外部進入（rù）加工區域；然後，電極再次沿進給路徑前進， 將進入的工作液壓出加工區域，蝕除產物隨之被帶出。然而，額（é）外的抬刀運動勢必影響（xiǎng）整（zhěng）體加工效率。實際加（jiā）工（gōng）經驗表（biǎo）明，在閉式葉盤類零件的電火花加工中（zhōng）， 抬刀措施不可避免，但抬刀的（de）周期可根據（jù）加工狀況進行調整[2]。抬（tái）刀周期過短（duǎn），會影響加（jiā）工效率；抬刀周期過長，則難以（yǐ）有效改善加工穩定性。
圖1 是閉式整體泵葉輪流道電火花加工示意圖。在（zài）成形（xíng）電極進給運動過程中，電極與葉輪之間的距離狹（xiá）窄彎（wān）曲（qǔ），其間距（jù）略大於放電間隙，這意味著留給蝕除產物排出的區域非常有限；在確保不發生幹涉的前提下， 擴大（dà）電極與（yǔ）葉輪之間的空（kōng）間，將有助於改善蝕除產物的排出狀況（kuàng），以達到適當延長抬刀周期、提（tí）高加工效（xiào）率的目的。對此，本文提出（chū）了電極擺動進給策略。
圖1 閉式整體泵（bèng）葉輪電火花（huā）加工電極進給路徑
1. 電極擺動進給
電極擺動進給的目的在於擴大電（diàn）極（jí）進給時其前端區域及側麵區域的空間，為（wéi）工作液的衝入提供空間。圖2 是電極擺動進給的流程。不失一般性（xìng），以（yǐ）圖1 所示電極（jí）進給運（yùn）動的某階段為對象，闡述（shù）實施電極擺（bǎi）動進給的（de）過程。
圖2 電（diàn）極擺動進給運動流程圖
電極擺（bǎi）動進給的實施對象為描述電（diàn）極運動路徑的數（shù）控代碼（mǎ）， 其可根據代碼行（háng）數分為若幹階段。如圖（tú）3 所示，第i 階段的電極擺動進給，以該階段的電極位姿為初始狀態，以電極安裝孔圓心為旋轉中心，分別向C 軸正負方向、按一定的搜索步長調整電極姿態。每一步調整（zhěng）後，判斷電極與葉盤的幹（gàn）涉狀況，分別記錄C 軸正、負方（fāng）向上發生幹涉時的轉角，記為β1與β2，電極擺動（dòng）進給量（liàng）設置為（wéi）δ1=η·β1，δ2=η·β2，其中，η 為擺動進給（gěi）係數（0<η<1），其數（shù）值一般根據實際加（jiā）工狀況選取，通常不超過0.5。未實施（shī）擺動進給（gěi）時的第i 階段的數控代碼為：
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
設（shè）置進給搖動後的數（shù）控代碼為：
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci+δi1)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci-δi2)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
圖3 電極進給運動第i 階段的擺動進給
經擺動進（jìn）給後（hòu），電極前端及（jí）側麵與葉（yè）盤的間距有（yǒu）所（suǒ）擴（kuò）大，這為工作（zuò）液帶離蝕除（chú）產物（wù）提供了較開闊的空間（jiān），有利於改（gǎi）善加工穩定性和提高加工效率。
2 .電極擺動進給（gěi）對極（jí）間流場的影響分析（xī）
為了更直觀地了解電極擺動進給對改善蝕除產物排出狀況的影響，采用計算流體力學方（fāng）法（fǎ）分別對“無擺動進給”與“有擺動進給”兩（liǎng）種情況下的極間工作液流場分布進行模擬[3]。實際經驗表明，電（diàn）極抬刀回退在加工（gōng）中不可避免。對於加工中的一次抬（tái）刀回退（tuì），蝕除產物（wù）的排出是通過抬（tái）刀的第二階段，即電極沿進給（gěi）路徑（jìng）再次向加工區域運動的過程（chéng）中實現的。以抬刀（dāo）的第二階段（duàn）中某（mǒu）一時刻（kè）下，電極與工件之間的極間工作液（yè）介質作為仿真幾何建（jiàn）模的對象，具體為：工（gōng）件已完成第i階段加工（gōng），電極再次進（jìn）給至第（i-1）階段時的（de）位置姿態（圖4）。模型（xíng）中的放電間隙設定為0.08 mm，極間工作液為液相不可壓縮（suō）流體， 密度為760 kg/m3，黏性係數為1.43×10-3 kg/(m·s)；流場穩定後處於穩態，流場物理量僅與空間（jiān）坐標（biāo）有關，與時間（jiān）無關。
圖4 電極擺動進給流場（chǎng）仿真建模
抬刀的第二階段，即電（diàn）極向加工區域進給過程中，其端麵對極間工（gōng）作液形成具有一定速度的類似活塞運動，而工作液從電極側麵與工件（jiàn）的間隙處向外部流出。為了（le）簡化仿真模型，對邊界條件作（zuò）如下設定（dìng）：以（yǐ）電極端麵為入口，入口邊界（jiè）設置為速度入口，入口（kǒu）速度為電極向加工區域運動的速度，設置為0.2 m/s；以葉盤兩側邊緣為出口，出口邊界設置為自由流出。極間工作液視為層（céng）流，網格劃分采用四邊形網格。圖5 是（shì）無擺動進給與有擺動進給情況下，電極完成抬刀並再次向加工區域進（jìn）給時的工作液流場速度雲（yún）圖（tú）。對比可見，擺動進給時（shí），加工區域前端形成了範（fàn）圍更廣泛、速度（dù）更高的渦流，有助（zhù）於停留在加工區域中的蝕除產物獲得更高的速度，進而（ér）離開加工區域。
圖5 有、無擺動進給下的加工區域前端流場分布（bù）
3. 電極擺動進給驗證實（shí）驗
為了驗證電極擺動進給對複（fù）雜流道電火花加工效率及穩定性的影響，以圖1 所示的閉式整體泵葉輪為（wéi）對象，分別采用“無擺動進給”和“有擺動進給”的（de）方式加工（gōng）單個流（liú）道。為盡量消除影響加工穩定性的因素，工件材料選用（yòng）電火花較易加工的模具鋼，電極材料選用POCO EDM-C3 滲銅石（shí）墨，放電規準見表1[4]。在有、無擺動進給的（de）對比實驗中，工件、電極材料與（yǔ）放電規準完全一致。
表1 石（shí）墨電（diàn）極加工模具鋼泵葉輪的放電規準
圖6 是擺（bǎi）動進給對泵葉輪單個流道加工穩定性及（jí）加工效率（lǜ）的影響。在加工穩定性方麵，電（diàn）極無擺動進給加工時（shí），隻有當抬刀周期T 縮短至1 s 時，才能保證穩定加（jiā）工，且在電極前端出現明顯的積（jī）碳點。當電極增加擺動進給後，抬刀周期T=1.5 s 即可確（què）保穩定加工。
圖6 電極擺動進給對加（jiā）工穩定性及加工效率的（de）影響
從圖6 還可（kě）看出，在加工（gōng）效（xiào）率方麵，電極無擺動進（jìn）給加工（gōng）時， 抬刀周期T=1.5 s 時完成單個流道加工（gōng）需耗（hào）時385 min；抬刀周（zhōu）期T=1 s 時加（jiā）工（gōng）單個流道需耗時467 min。當電極增加擺動進（jìn）給後，抬刀周期T=1.5 s 時完成單個流道加工僅需耗時326 min，與（yǔ）相（xiàng）同抬刀周期下的無擺動工況相比，加工效率提升了15.32 %，與（yǔ）穩定加工的無擺動工況相（xiàng）比，加（jiā）工效率提升了30.19 %。
為了進一步了解擺動（dòng）進給對加工效率的影響，對電極進給（gěi）運動過程（chéng）中完成各運動階段所需（xū）的時間進行單獨分析。需要指出的是，在電極進給路徑規劃過程中，為了提高規劃效率，電（diàn）極進給運動的早期，各階段間距較大；而（ér）後期電極運動空間較小時，各階段間距（jù）較小（xiǎo）。這使得在整個電極進給運動中，完（wán）成各階（jiē）段加工的用（yòng）時並不相同。
圖7 是當（dāng）抬刀周期T=1.5 s 時（shí），有（yǒu）、無擺動進給條件下，完成各相（xiàng）鄰運動（dòng）階段（duàn）所用的加（jiā）工時間。可見，在電極進給運動的早期階段，擺動工況下的加工用時略高於（yú）無擺動工況。這是由於電（diàn）極尚未深入流（liú）道，蝕除產物的排（pái）出並不困難（nán），此時，擺動進給（gěi）並未體現其功效，相反會（huì）占用（yòng）一部分加工時（shí）間，影（yǐng）響（xiǎng）加工效率（lǜ）。隨著加工的（de）進行，電極逐漸深入（rù）流道，蝕除產物（wù）的排出狀況（kuàng）愈加惡劣，此時，擺動進給（gěi）改善排屑狀況的作用開始顯現，各階段加（jiā）工效率的提升幅度隨之上升；在執行第（dì）24 階段運動時，擺動進給對單階段加工效率的提升幅度達到最高值（zhí）40.3 %。由於電極進給至第25 階段時，流道被加（jiā）工通暢，蝕除產物的排出狀況隨即改善，此時（shí），擺動（dòng）進給對單（dān）階段加工效率的提升程（chéng）度（dù）有（yǒu）所下降，但擺動進（jìn）給工況下的加工用時仍略低（dī）於無擺動工況。
圖7 擺動對電極進（jìn）給各階段加工效率的影（yǐng）響
4 .結語（yǔ）
本文針（zhēn）對複雜流道電火花加工中（zhōng）整體效率較低、加工狀態不穩定的情況，提出了（le）電極擺（bǎi）動進給策略，在避免幹涉的前提下，通過調整（zhěng）電極進給各階段的位姿，擴大電極與工件之間供蝕除產物排出的空間。仿真結果顯示，擺動進給（gěi）可顯著改善加工區域前端的工作液流場；閉式整（zhěng）體（tǐ）泵葉輪流道加工（gōng）試驗（yàn）結果（guǒ）表明， 擺動進給可有效改善加（jiā）工穩定（dìng）性，降低對抬刀周期（qī）的依賴； 隨著電極進給的深入，擺動進給（gěi）對提高加工效率的作用愈加明顯。
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