大型精密（mì）六軸聯（lián）動數控（kòng）電火花成形機床的研發應用（yòng）
2020-6-1 來源：- 作者：-
近年來，隨著航天航空、軍工、能源（yuán）領（lǐng）域的重型運載火箭（jiàn）、大型能（néng）源壓縮機等（děng）產品（pǐn）快速發展，眾多大型型麵空（kōng）間（jiān）扭曲類關（guān）鍵零件（jiàn）需求不斷增多，如大型閉（bì）式（shì）渦輪盤、大型整體閉式葉輪、整體帶冠（guàn）渦輪盤等。這類（lèi）零件是發動機、大型壓縮機的“心髒”零（líng）件，具有型麵空間扭曲較大、結構複雜、特殊材（cái）質、超硬、耐（nài）高溫等（děng）特點，使用普通機床難以完成，電火花加工則有著巨大的技術優（yōu）勢。
北京市電（diàn）加工研究所針對航天領域重（chóng）型運載火箭發動機大型帶葉冠整體式渦輪盤、帶葉冠導向（xiàng）環和噴嘴葉柵環，能源領域整體閉式葉輪等（děng）關鍵（jiàn）零件的製（zhì）造難（nán）題，借助國家（jiā）相關科技專項的支持，在自主知識產權五軸聯動（dòng）電火花加工機（jī）床及葉輪等特殊零件電火花加（jiā）工技（jì）術的基礎上，突破裝備技術、電源開發、軟件開發、加工工藝、裝配、檢測（cè）等技術“瓶頸”，研發了國內首台大（dà）型精密六軸聯動數控電火花成形加工機床（見圖1）及工藝技術，為航天航空、軍工、能源等領域（yù）提供（gòng）了關鍵製造裝備，並可推廣至模具、汽（qì）車等領域（yù）中。
圖1 A2190大型精（jīng）密（mì）六軸聯動數控電火花成形機床
一、產品主要技術參數、性能和特（tè）點
1. 機床技術參數
機床部分技術參數見下表。
2．機床主要性能（néng）
（1）具（jù）備六軸數控、六軸（zhóu）聯動（dòng）功能。
（2）具備（bèi）數控係統集成三維CAD/CAM軟件，實現編程加工無縫連接功能。
（3）具備帶冠渦（wō）輪盤、整體閉式葉輪等複雜結構的電火花成形加工功能。
（4）具備加工鈦合金、高（gāo）溫耐熱合金等難加工材料的電火花成形加工功能。
3. 機床主要特點
（1）六軸聯動大型電火花機床行程大，保證大型渦（wō）輪盤的加工空間。
（2）采用六軸（zhóu）聯動加工，可減少電極設計數量，減少裝夾（jiá）次數，降低因反複裝（zhuāng）夾產生的（de）精度損失。
（3）采用六軸聯動編程（chéng）加工，電極可（kě）實現更複雜軌跡運動。
（4）大功率的脈衝電源實現高效快速的去除，提高加工效率（lǜ）。
二、關鍵技術研究內容及創新點
1. 研發（fā）大型數控電（diàn）火花成形機床主機及關鍵部件
研發的大型精密六軸聯動數（shù）控電火花成（chéng）形機床主機（ZL201410150558.8，ZL201520382510.X）采用傾斜滑板式結構，有效改善了現有機（jī）型的（de）結構動態特性，保（bǎo）證了（le）設備的加工精度。
通過CAD/CAE建模仿真分析、基於（yú）多體運動學理論（lùn）的電火花機床幾何誤差分析、熱（rè）-結構耦合變形分（fèn）析等（děng）技（jì）術的應用，從設計階段保證了機床的高精度和持續改進；通過在製（zhì）造（zào）加（jiā）工環節進（jìn）行材料優選、熱處理、選取合適的加工方法及在線檢測等（děng）手段，保證各零部件的加工精度；在裝配環節，通過（guò）優化裝配順（shùn）序、嚴格控製裝配誤差等，保證機床各部分完美配合，達到設計精度要求（qiú）。機床主機結構如圖2所示。
圖（tú）2 大型精密（mì）六軸聯動數控電火（huǒ）花成形機床主機結構
各軸係采用自主設計的全閉環控（kòng）製技（jì）術，該技術可對各種幹擾和非線（xiàn）性因素對運動軸位移產生的影響進行有效（xiào）的動態校正，使任何時（shí）刻運動軸的實際（jì）位移時時跟隨設定（dìng）值變化，因而（ér）可以保證機床具有非常高的動、靜（jìng）態精度。
此外，針對重（chóng）型運載火箭發動機帶葉冠（guàn）整體式渦輪盤及環形（xíng）件、大型壓縮機整體閉式葉輪的大件加工需（xū）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控轉台(ZL201621416804.0)，密封等級IP68。該全浸液（yè）轉台定（dìng）位精度0.0014°，滿足這類零件精度需求（qiú）。
2. 研發電火花專用Windows+RTX六軸數控（kòng）係統
研發（fā）出基於Windows係統的六軸聯動開放式數控係統(2016SR084163)，通過RTX實時內核補丁插件實現（xiàn）Windows下的（de）實時任務調（diào）度。基於高性能的X86處理器，研發了包含COMExpress模塊和COMExpress載板的數控主板，滿足控製算法及集成CAD/CAM對數控係統性能的需求。
基於高性能FPGA，實現運動/放電一體化控製卡的（de）開發，提升放電控製和運動控製協同算法的並行性（xìng）能和實時性能。
基於Windows+RTX開發出實時係統、六軸矢量分（fèn）配（pèi）插補（bǔ）算法，實現了電火花加工六軸聯動回退、抬刀、搖動等功能（néng），實現了CAD/CAM係統與數控係統的全集成，能夠實現編程加工無縫連（lián）接，提升了數控係統的靈活性和電火花加工機床的易用性。數控係統硬件如圖3所示， Windows六軸數控係統界麵如圖4所示。
對POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三種型號的（de）石墨電極材料進行分析和大（dà）量工藝試驗，構建（jiàn）了（le）石墨材料加工工藝（yì）數據庫，采用（yòng）新（xīn）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（jù）鋼高（gāo）效加工。
3. 研發六軸聯動CAD/CAM係統
六軸聯動CAD/CAM係統（2018SR037238）可用於解決複雜曲麵零件（jiàn）（如整體閉式葉輪或（huò）渦輪盤（pán）類零件）的電極設計和軌跡仿真。該係統可極（jí）大地提高電極設計效率，縮短（duǎn）該類零件（jiàn）的加工周期（qī），可嵌入到大型專業三維（wéi）CAD軟件，接口（kǒu）方便（biàn）快捷。運用該係統能快速檢測所（suǒ）設計電極的合理性，自動優化電極軌跡，通過不斷（duàn）的模擬仿（fǎng）真進而不（bú）斷完善電極設計。電極（jí）和軌跡優化完成後可一鍵自動生成電火（huǒ）花（huā）加（jiā）工G代碼，極大地提高編程效率，節約了大量的人工成本。圖5是數控係統集成CAD/CAM界麵（miàn），圖（tú）6是CAM仿真係統。
基於（yú）EROWA、3R等多個係列的標準夾具產品（pǐn）建立了夾具庫，將現有的（de）N係列、B係列、M係列（liè）電火花成形機床的三維模型集成到CAD/CAM係統中，形成機床數據庫，能（néng）夠滿足虛擬加工的快速裝（zhuāng）夾及加工仿真需求。
基於CAD/CAM API接口的網絡通信軟件開發，實現客戶（hù）端與服（fú）務器端的通信連接及係統控製功能。開展（zhǎn）了基於網絡的CAD/CAM係（xì）統License授權管理軟件開發，用戶可以通過License授權進行訪問CAD/CAM係統（tǒng）雲端服務平台以獲得相應服務（wù），從而保證用戶訪（fǎng）問服務平台的有效性。
4. 研發高效（xiào）率（lǜ）大功率脈衝電源
針對重型運載火箭發動機帶（dài）冠渦輪（lún）盤及環形件加工去除量較大，而（ér）電火花加工效率較低的特點，開發了大功率（lǜ）PWM開關電源(見圖7)，采（cǎi）用疊層母線主回路設計(見圖8)，顯（xiǎn）著降低放電寄生電感；研發了SiCMOSFET的納米級（jí）低損耗加工（gōng）模塊和終端增爆模塊，開發的高效率（lǜ）大功率脈衝電（diàn）源，經國家機床質量監督（dū）檢驗中心檢驗（yàn），脈衝電源最（zuì）大加工電流200A，電機驅動精度（dù）0.1μm，驅動當量0.1μm。
對（duì）POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三種型號的石墨電極（jí）材（cái）料進（jìn）行分析和大量工藝試驗，構建了石墨材料加工工藝數據庫，采（cǎi）用新型加工回路，實現了1000mm3/min以（yǐ）上的鈦合金高效率加工（gōng）和2000mm3/min以（yǐ）上的模具鋼高效加工。
5. 開展大型六軸聯動電火花加工工藝技術
開展（zhǎn）了大型電火花加工機床（chuáng）六軸聯（lián）動的工藝試驗，製定了基於球麵的變深度、變截麵的S形曲（qǔ）線六（liù）軸（zhóu）聯動電火花（huā）加工工藝方法，並完成了試件的加（jiā）工（gōng）。開展了基於六軸聯動（dòng）電火花（huā）加工裝備的（de）重型運載火箭發動機鈦合金、高溫（wēn）耐熱合（hé）金整體帶冠渦輪盤（ZL201310000946.3、ZL201610053352.2）、大型（xíng）壓縮機整體閉式葉（yè）輪與（yǔ）結構複雜的薄壁件、環形件的智能化電火花高效加工工（gōng）藝技（jì）術研究，建立了工藝數據庫。同時完成（chéng）了大型壓縮機整體閉（bì）式葉輪的工藝設計規範和驗（yàn）證，形成了企業標準。
三（sān）、成果應用及（jí）推廣情況（kuàng）
本項目研發的大型智（zhì）能精密六軸（zhóu）聯動電（diàn）火花成形裝（zhuāng）備，突破了大型六軸聯動電加工機床及工藝關鍵核（hé）心技術，可解決以重型運載火箭發動機帶（dài）葉冠（guàn）整體式渦輪盤、噴嘴葉柵環及複雜薄（báo）壁件、大型壓縮機整體（tǐ）閉式葉輪等（děng）複雜形狀（zhuàng）零件為代表的大型關鍵（jiàn）零部件加工，解決了（le）加工“瓶頸”問題。
應（yīng）用項目成果，為航天領域完成了多種型號的帶葉冠整體渦輪盤（pán）的加（jiā）工，解決了重（chóng）型運（yùn）載火箭發動機渦輪盤葉片扭曲度高、尺寸大、精度要求高、表麵質量要求（qiú）高（gāo）等問（wèn）題，並推廣至航空、船舶（bó）、汽車發動機複雜零件加工（gōng）、複雜模具加工等國防軍工與民用領域，推動了其（qí）所在行業的技術進步；同時（shí），利用項目成果，形成了係列化大型牛頭電火花機床新產品，已成功用於中國航發南方工業有限公司、蘇州中悅百毅光電科研開發有限公司、南京歐霸機電有限公司、寧波方正汽車模具有限公司等單位，提高了用戶的市場競（jìng）爭力，降低了生產成（chéng）本（běn）。
應用項目成果加工的透平壓縮機、發（fā）動機用整體閉式葉輪、導行轉子等關鍵零件，都是（shì）這些單位所承擔的國（guó）家國防重大項目涉及（jí）的零件以及重大技術攻關項目應用零件，解決了這些單位所承擔的國家（jiā）國防重大項目中關鍵技（jì）術難題，為國家（jiā）重（chóng）要基礎設施建設、能源等領域技術進步提供了重要支撐。
與此同時，通（tōng）過（guò）項目研發，推動了我國大型精密六軸聯動（dòng）數（shù）控電火花成形裝備在設計、製造、加工工藝等方麵的（de）技（jì）術突破，增強了我國大、精、尖裝備的創新能力。同時，項目所開發的技術，將為類似（sì）電火花成形機床的開（kāi）發提供技術支撐（chēng），也將進一步提升企業技術創新（xīn）能（néng）力及市場競爭力。
（來源：《世界製造技術與裝備市場（WMEM）》雜誌2020年（nián）第1期 作者（zhě）：伏金娟 丁連同 於帆 郭建（jiàn）梅，北京市電加工研究所；郭妍 劉建勇 孫東江（jiāng），北京迪蒙（méng）數控技術有限責任公司 責編：梅峰（fēng））
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