闭式整体涡轮叶盘多轴联动电火花加工电极运动路径规划

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基于轨迹搜索的闭式三元流通道电火花加工电极设计方法

１７６．
［４］刘晓，康小明，赵万生．闭式整体涡轮叶盘多轴联动电火花加工电极运动路径规划［Ｊ］．电加工与模具，
２０ｉ２（１）：１１－１４．
ＬｉｕＸｉａｏ，ＫａｎｇＸｉａｏｍｉｎｇ，ＺｈａｏＷａｎｓｈｅｎｇ．Ｅｌｅｃ — ｔｒｏｄｅｐａｔｈｓｅａｒｃｈｉｎｇｆｏｒｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓＮＣＥＤＭｏｆ
收稿日期：２０１３ — ０８ — １５；修订日期：２０１３ — １０ — １５
通信作者：赵建社，男，副教授，１９７６年出生，Ｅ — ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｓ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。
第６期
中图分类号：ＴＧ６６１；Ｖ２６１；ＴＰ３９１．９
大一
学．学Ａ
艮 ∞ ｝ｍ
文献标志码：Ａ
文章编号：１００５ — ２６１５（２０１３）０６０８２４ — ０６
ＥＤＭＥｌｅｃｔｒｏｄｅＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＰａｔｈＳｅａｒｃｈｉｎｇｆｏｒＣｌｏｓｅｄ＆
ｓｈｒｏｕｄｅｄｂｌｉｓｋ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ＆Ｍｏｕｌｄ，２０１２
（１）：１１－１４．

基于编码器播放器架构的多轴联动电火花加工运动学规划

基于编码器/播放器架构的多轴联动电火花加工运动学规划电火花加工具有无宏观切削力、能加工难切削材料、成形精度高等诸多优点,多轴联动电火花加工可以进一步实现复杂形状零件的高精度加工。

以闭式整体叶盘类零件为代表的多轴联动电火花成形加工和以上下异形面零件为代表的多轴联动电火花线切割加工是其两大类主要应用场景。

多轴联动数控电火花加工是闭式整体叶盘类零件的首选加工方法,然而这类零件的加工耗时严重,其加工效率问题曾经是制约航天发动机生产能力,甚至因此影响型号产品的交付周期的瓶颈。

电火花线切割加工也在航空、航天模具制造行业有着至关重要的作用。

加工精度的提升与加工效率的提升是衡量加工装备与加工技术能力的标准,本文研究工作的核心正是围绕如何提升多轴联动电火花加工精度与加工效率展开的。

运动学作为数控系统的一部分,负责控制机床的加工工具和工件按照指令所给定的轨迹进行运动,并实现效率和精度的优化,对于一台机床能否实现复杂形状工件的高精度、高效率的加工起着至关重要的作用。

为实现电火花加工数控系统从G代码加工向参数曲线直接加工过渡,考虑到电火花加工中特有的成形加工、抬刀运动、正反向插补等特点,针对进给速度规划算法、数控系统及其插补器中存在的问题,提出相应的解决方案。

针对以往研究缺乏针对电火花成形加工多轴机床运动学分析的问题,从六轴联动电火花加工机床的结构出发,计算了六个运动轴的运动旋量与旋量的指数映射函数。

根据旋量理论,分别推导了从工具坐标系到机床坐标系、从工件坐标系到机床坐标系的正向运动学方程,结合求逆运算得到从工具坐标系到工件坐标系的变换矩阵。

根据闭式整体叶盘和闭式整体泵叶轮加工时的不同姿态,分别进行了运动学分析。

利用运动学对多轴联动刚体运动的轨迹误差进行分析,提出了多轴联动刚体运动最大轨迹误差的评估方法。

线速度和角速度的不同量纲造成了预设进给率与实际进给率之间的差别。

针对多轴联动电火花加工进给率波动造成伺服控制不稳定的问题,本文从原理分析入手,结合电极、工件3D模型选取特征尺寸,提出了加权平均进给速度控制法来减少预设的进给率与实际进给率之间的偏差。

基于轨迹搜索的闭式三元流通道电火花加工电极设计方法

第４５卷第６期２０１３年１２月南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　＆ＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓＶｏｌ．４５Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１３基于轨迹搜索的闭式三元流通道电火花加工电极设计方法赵建社１　唐兰剑１，２　郁子欣１　周旭娇１（１．南京航空航天大学机电学院，南京，２１００１６；２．中国燃气涡轮研究院，江油，６２１７００）摘要：数控电火花加工技术是加工闭式三元流通道的首选工艺之一，其中工具电极设计是关键技术。

为此，从电极运动位姿变换的角度出发，提出了一种基于轨迹搜索的电极设计方法，并据此设计了某型三元流闭式整体叶轮叶间气流通道的电火花加工电极，利用ＵＧ平台上自主开发的加工仿真模块进行了加工过程仿真，验证了该设计方法的可行性与正确性。

关键词：三元流通道；电火花加工；电极设计；闭式整体叶轮中图分类号：ＴＧ６６１；Ｖ２６１；ＴＰ３９１．９文献标志码：Ａ文章编号：１００５－２６１５（２０１３）０６－０８２４－０６　基金项目：航空科学基金（２０１１ＺＥ５２０５５）资助项目；国防技术基础成果管理与推广资助项目；中央高校基本科研业务费专项资金（ＮＳ２０１２０１２，ＮＳ２０１３０５２）资助项目。

　收稿日期：２０１３－０８－１５；修订日期：２０１３－１０－１５　通信作者：赵建社，男，副教授，１９７６年出生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｓ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。

ＥＤＭ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐａｔｈ　Ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｃｌｏｓｅｄ３Ｄ－ｆｌｏｗ　ＣｈａｎｎｅｌＺｈａｏ　Ｊｉａｎｓｈｅ１，Ｔａｎｇ　Ｌａｎｊｉａｎ１，２，Ｙｕ　Ｚｉｘｉｎ１，Ｚｈｏｕ　Ｘｕｊｉａｏ１（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｙｏｕ，６２１７００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｏｏｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅｍａｃｈｉｎｉｎｇ（ＮＣ－ＥＤＭ），ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｃｌｏｓｅｄ　３Ｄ－ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｔｈ　ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓ－ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｏｆ　ＮＣ－ＥＤＭ　ｆｏｒ　ｏｎｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　３Ｄ－ｃｌｏｓｅｄ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｒｅ　ｄｅ－ｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｅｌｆ－ｄｅｖｅｌ－ｏｐｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＧ－ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄａｒｅ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：３Ｄ－ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ（ＥＤＭ）；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｄｅｓｉｇｎ；ｃｌｏｓｅｄ　ｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒ包含闭式三元流通道的整体构件因其结构与性能上的优越性，被越来越多地运用到航空航天发动机、武器装备及先进叶轮机械等领域［１－３］。

闭式叶轮数控加工刀具路径规划

闭式叶轮数控加工刀具路径规划
闭式叶轮是一类具有代表性的复杂曲面零件。

其形状特征明显,工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科,因此加工手段、加工精度和表面加工质量对其性能有很大影响。

闭式叶轮是将轴盘、盖盘与叶片连成一体的整体结构,其型腔具有封闭性,加工难度更为突出。

因此开展闭式叶轮五轴数控加工的研究具有重要意义。

本文以闭式叶轮五坐标数控加工的刀位规划、刀轴矢量确定等为主要研究内容,对闭式叶轮的数控加工进行了较为全面的阐述。

首先,在UG软件的辅助下完成闭式叶轮的三维实体造型,这是数控加工的基础,针对闭式叶轮结构特征制定了一种加工工艺方案,并简要介绍了数控铣刀的选择。

然后根据闭式叶轮结构特点及对以往复杂曲面数控加工刀位规划算法的研究,提出了适用于闭式叶轮的分步层切法刀位规划方法,对刀位规划中的进退刀方式、走刀方式、移刀方式、清根加工等方面进行了详细的论述,并介绍了走刀步长和最优行距的计算方法。

为了避免加工中出现干涉,对叶轮通道进行了区域分析和区域划分,采用朝向点方式控制刀轴矢量,通过构造辅助约束面来限定刀轴的活动范围,最终确定出无干涉刀轴有效运动区间。

最后,简要介绍了切削用量的选择原则和选择方法,详细地给出了粗加工、半精加工和精加工刀具轨迹生成过程,并在UG软件的加工模块中进行仿真验证,证明本文刀具路径规划的可行性。

多工位多轴联动闭式整体叶轮电火花加工关键技术研究

多工位多轴联动闭式整体叶轮电火花加工关键技术研究“电火花加工技术”是一种精密特种加工的重要工艺技术。

由于电火花能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件,加工时无切削力,不产生毛刺和刀痕波纹等缺陷[1]，加工时无晶格之间切削变形应力、工具电极材料无需比工件材料硬等优点，因此广泛应用于各种硬、脆材料的加工，具有复杂形状的型腔模具和零件的加工，各种深细孔、深槽、窄缝、异形孔加工，各种成形刀具等工具和量具的制造，尤其是在高复杂性、高精度、低刚度、难加工材料等加工领域获得了飞速的发展和广泛的应用。

闭式整体叶轮是复杂形状零件的典型代表，特别是钛合金闭式叶轮，它是集难加工形状和难加工材料一体的复杂零件。

本课题针对这类型闭式叶轮，提出了电火花加工闭式整体叶轮的加工新方法，设计了多工位多轴联动数控电火花加工闭式叶轮专用机床。

本文主要进行以下的工作：一．分析现有闭式（含开式）叶轮的加工工艺和加工中所面临的困难和技术瓶颈。

二．重点对目前数控电火花加工闭式整体叶轮机床、五轴加工机床加工和成型专用机床结构及在实际生产中遇到的主要问题进行研究与分析，找出闭式整体叶轮加工中最大问题：加工效率极其低下、成本特别高，提出了多工位同时加工的创新工艺，并且针对闭式叶轮大面积放电加工特点，设计了多工位、强力电火花成形专用机床。

提高闭式叶轮加工效率4~6倍，探索出一种多电极联动模拟闭式叶轮复杂曲面的简化加工方法。

三．进一步优化加工工艺及优化电极设计方法，提出了铣削粗加工、电火花精加工的加工方法、以及电极分区、拟合的综合工艺方案，解决闭式整体叶轮形状复杂，导热性差、强度大，电极运动空间狭窄等难题并大大减少传统加工所需电极数量。

四．采用Pro/ENGINEER，CAD/CAM进行三维实体造型、运动仿真对闭式叶轮和专用机床进行辅助设计；再采用专业的编程软件HyperMILL，进行闭式叶轮加工编程，发挥HyperMILL专门的强大的多轴编程模块功能，最大限度优化进刀方式，减少电极数量。

三元流闭式整体叶轮数控电火花加工关键技术研究

三元流闭式整体叶轮数控电火花加工关键技术研究三元流整体叶轮具有良好的气动性能和整体性能,使得其能有效提高系统效率和发动机整体性能,同时增加工作可靠性。

因此,三元流整体叶轮在航空航天、武器装备发动机等领域应用越来越广泛。

但是,由于其流道空间弯扭且半封闭的结构特点,使得三元流整体叶轮制造成为世界级的制造难题。

相较于其他加工方法,数控电火花具有加工柔性高、加工稳定、加工精度高、且适用于难加工材料等优势。

使得数控电火花加工成为三元流闭式整体叶轮整体制造首选的加工方法。

为解决三元流闭式整体叶轮的制造加工难题,本文以典型三元流闭式整体叶轮为研究对象,对其高效、精确电火花加工工艺开展以下主要研究工作:1)通过分析典型三元流闭式整体叶轮的结构特点和加工难点,结合电火花加工特点制定合理的三元流闭式叶轮整体加工制造工艺方案。

并对三元流闭式整体叶轮的电极及其加工轨迹进行设计,同时设计制造专用的工装夹具。

2)基于等间隙假设设计的成形电极进行仿真加工,验证电极及其运动轨迹的合理性。

通过仿真加工能有效提高电极及其运动轨迹的设计效率,并能显著减少试验工作量。

3)针对三元流闭式整体叶轮电火花加工进行加工误差分析,通过电极对精加工中放电间隙一致性、电极损耗对流道成形精度影响以及电极摇动加工对成形面的加工误差进行分析,并根据摇动误差分析选择合适的摇动加工方式对三元流闭式整体叶轮进行电火花成形加工。

通过对典型三元流闭式整体叶轮电火花加工误差分析,总结出提高三元流闭式整体叶轮流道加工精度的关键技术,并优化三元流闭式整体叶轮电火花加工工
艺,对提高三元流闭式整体叶轮整体制造加工精度有指导意义。

带冠整体叶轮电火花加工电极结构与运动轨迹设计方法

带冠整体叶轮电火花加工电极结构与运动轨迹设计方法田喜明1袁张云鹏2袁陈阳3渊1.海军装备部袁陕西西安710021曰2.西北工业大学机电学院袁陕西西安710072曰3.中国航发动力股份有限公司袁陕西西安710021冤摘要院利用电火花成形加工带冠整体叶轮时袁由于叶轮通道狭窄尧扭曲袁电极及其运动轨迹复杂袁导致无法使用单块电极完成加工遥对此袁提出了电极结构与运动轨迹同步设计的方法遥首先设置电极的初始运动轨迹袁若电极运动过程中出现无法调整的干涉问题袁则对电极作拆分处理袁直至完成所有电极运动轨迹的设计遥在搜索电极运动轨迹时袁将电极与工件干涉问题设置为约束条件袁建立轨迹搜索最优化模型遥用UG 软件完成电极结构的拆分设计袁并基于电极运动仿真模块生成每块电极的无干涉运动轨迹遥用Ansys 软件对电极进行重力场有限元分析袁验证其刚度遥使用所设计的工具电极进行试制加工实验袁验证了电极结构与运动轨迹设计方法的正确性袁可作为带冠整体叶轮电火花加工的一种通用解决方案遥关键词院带冠整体叶轮曰电火花加工曰电极曰运动轨迹中图分类号院TG661文献标识码院A 文章编号院1009原279X渊2019冤01原0012-04Electrode Structure and Motion Path Design Method for EDM with Cowled Integral Impeller TIAN Ximing 1袁ZHANG Yunpeng 2袁CHEN Yang 3渊1.Naval Equipment Department of PLA袁Xi忆an 710021袁China曰2.School of Mechanical Engineering袁Northwestern Polytechnical University袁Xi忆an 710072袁China曰3.AECC Aviation Power Co.,Ltd.袁Xi忆an 710021袁China 冤Abstract 院In the process of electro -discharge machining (EDM)with cowled integral impeller袁because the impeller passage is narrow and twisted袁the electrode and its motion path are so complexthat the impeller cannot be processed with a single electrode.To solve this problem袁synchronous design method of electrode structure and motion path is proposed.The initial electrode motion path is set up袁if there is any interference that cannot be adjusted during the movement袁the electrode will be split until all the electrode passing successfully.An optimization model is established for trajectory ingUG software to design splitting electrode structure and generated motion path without interference based on motion simulation ing Ansys software for finite element analysis of gravity field袁because the problem of insufficient rigidity of electrode may exist.The designed electrode is used for trial manufacturing and the result shows that electrode structure and its motion path design method are correct.It can be used as a general solution for EDM with cowled integral impeller.Key words 院cowled integral impeller曰EDM曰electrode曰motion path收稿日期院2018-11-02第一作者简介院田喜明袁男袁1977年生袁高级工程师遥整体叶轮是涡轮式发动机的核心部件袁具有叶片造型复杂尧加工精度要求高尧多采用难加工的复合材料制造等特点袁属于典型的难加工零件袁在航空航天尧能源动力尧国防科技等领域有着广泛应用遥由于整体叶轮将叶片和轮盘做成一体袁比传统的装配式叶轮结构更简单尧强度更高尧可靠性更好遥电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期12要要根据整体叶轮结构的不同袁可将其分为开式整体叶轮和带冠整体叶轮两种[1-3]袁其结构分别见图1和图2遥其中袁带冠整体叶轮由于存在叶冠袁导致叶片间的通道狭小且封闭袁采用传统的铣削加工极易发生干涉袁很难甚至无法完成加工遥而电火花成形加工可将成形电极的形状复制到工件上袁加工时不会产生切削力袁且适合于难加工的金属复合材料袁很好地契合了带冠整体叶轮的加工需要[3-4]遥由于叶片间的通道狭小尧造型复杂袁使得成形电极及其运动轨迹的设计成为带冠整体叶轮加工的难点遥目前袁国内外学者针对带冠整体叶轮的电火花加工提出了一系列的观点和方法遥赵建社等[5]提出电极及其运动轨迹的同步设计方法袁通过判断电极撤出时是否与成形面形成干涉袁进而对电极进行位姿变换或切除干涉部分遥廖平强[6]用拟合曲线表示出叶片截面线袁给出了判断电极撤出时是否形成干涉的数学模型遥侯增选等[7]对成形电极的设计提出了减高尧减厚尧拆分等方法袁给出电极运动轨迹算法流程并生成NC 路径遥上述研究大多是针对单块电极进行运动轨迹的设计袁且电极运动轨迹复杂袁一些运动无法用现有的数控电火花加工机床实现遥因此袁本文针对造型复杂尧无法使用单块电极进行加工的叶轮通道袁提出一种电极拆分与运动轨迹同步设计的方法袁以简化设计过程尧降低加工难度遥1带冠整体叶轮工艺分析带冠整体叶轮的结构见图3遥叶轮通道周围的四个型面分别为叶冠内环面尧轮毂外环面尧叶背曲面和叶盆曲面渊图4冤遥由于叶片弧度较大且通道狭窄袁若采用单电极加工将使运动轨迹变得十分复杂袁故需将电极拆分袁用多块电极依次加工同一通道遥在拆分电极时应依照以下原则院渊1冤拆分后袁各电极均应能无干涉地完成加工袁且不能损伤已加工表面遥渊2冤拆分的电极相互之间应有重合部分袁以保证被加工面的完整度遥渊3冤在保证顺利完成加工的情况下袁应使电极数量尽可能少袁以提高加工精度尧简化加工过程遥由于叶冠内环面和轮毂外环面均具有一定的斜度袁导致通道上宽下窄袁若将电极上下拆分袁位于下侧的电极便无法进入通道内部完成加工袁还需再次进行纵向拆分袁造成电极数量增多袁且在频繁更换电极时加工精度也会有所降低遥因此袁电极设计方案为纵向拆分袁所有电极均从一侧旋转进入叶轮胚体进行加工遥选用AQ55L 型镜面火花机加工带冠整体叶轮袁由于机床的电极旋转自由度仅绕Z 轴转动袁故需采用立式加工方法袁即叶轮轴线平行于机床X 轴袁以便于电极作旋转运动袁保证加工顺利进行遥2电极结构及其运动轨迹的设计电极结构设计的总体思路是将叶轮通道造型作为初始电极形状袁设计时对电极作拆分处理袁以便于运动轨迹的设计遥电极运动轨迹设计的总体思路是将成形电极置于加工完成的位置袁逐步将电极从叶轮通道内无干涉地撤出袁以保证加工时不会出现过切现象袁成形电极的进给轨迹即为撤出轨迹的反向运动遥电极结构与运动轨迹的设计同步完成袁具体的设计流程见图5院渊1冤首先不对电极作拆分处理袁初始电极形状图2带冠整体叶轮图1开式整体叶轮图4叶轮通道示意图图3带冠整体叶轮结构54.042.7叶冠轮毂通道通道切向通道电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期13要要即为叶轮通道周围四个曲面与上下端面所围成的几何体曰渊2冤设置电极的初始运动轨迹并将其划分为若干步袁将初始电极沿该轨迹逐步撤出曰渊3冤判断电极撤出的每一步是否与叶轮形成干涉曰若干涉袁则调整运动轨迹曰渊4冤若电极撤出时产生的干涉无法通过调整轨迹予以解决袁则对电极作拆分处理曰渊5冤对拆分后的每一块电极重复执行步骤渊2冤尧渊3冤尧渊4冤袁直至所有电极均能无干涉地从叶轮通道内撤出遥上述步骤可完成带冠整体叶轮单个通道的电极结构与运动轨迹的设计袁并通过以下两种方法实现院使用电极运动曲线函数及叶轮通道曲面函数建立轨迹搜索的最优化模型并求解曰使用三维软件完成电极的造型设计并记录其运动过程的位置坐标遥2.1使用最优化模型求解电极在运动过程中存在四个自由度袁分别为沿三个坐标轴的平动M X 尧M Y 尧M Z 和绕Z 轴的转动兹Z 遥由于装夹叶轮时其轴线平行于机床X 轴袁在撤出过程中电极坐标的x 值单调递减袁故在划分电极运动轨迹的步长时袁可将其沿X 轴分量的位移L X 划分为n 个等距节点{x 1袁x 2袁噎袁x n }袁电极撤出的第i 步即为电极坐标的x 值从节点x i 运动到x i +1的过程遥于是袁电极轨迹搜索问题就变为在已知变量为x i 的情况下袁调整变量y i 尧z i 尧兹Zi 袁求得电极运动曲线u =f 渊y 袁z 袁兹Z 冤袁使叶轮通道曲面F 渊x 袁y 袁z 冤与电极曲面G 渊x 袁y 袁z 冤无交线的问题遥因此袁可建立如下最优化模型遥决策变量用向量表示为院X i =y i 尧z i 尧兹Zi 蓘蓡约束条件为院F 渊x 袁y 袁z 冤屹G 渊x 袁y 袁z 冤目标函数为院u =f 渊X 冤式中院X =X 1袁X 2袁噎袁X n 蓘蓡为决策变量所组成的向量组遥对该目标函数求解后袁可确定电极无干涉撤出的运动轨迹遥2.2使用三维软件设计电极造型根据前文理论分析袁用UG 软件对电极进行造型设计遥造型时袁先将叶冠内环面尧轮毂外环面和相邻叶盆尧叶背曲面偏置0.1mm 作为放电间隙袁初始电极利用偏置后的曲面作为四周型面袁并添加前后两端面缝合成为实体袁最后在电极旋转中心添加刀柄用于装夹遥基于UG 运动仿真模块生成电极运动轨迹袁运动时若发生干涉则调整电极运动的驱动函数遥根据电极及其运动轨迹同步设计流程袁最终将初始电极沿轴向拆分为三部分渊图6冤遥在运动仿真时对每块电极分别设置驱动函数袁由于电极运动形式包括平动和转动袁故应记录成形电极刀柄位置坐标渊x 袁y 袁z 冤及刀柄转角兹Z 袁由刀柄位置坐标生成的一系列离散轨迹点即可表示为电极运动轨迹渊图7冤遥3基于有限元的电极刚度分析由于电火花成形加工时电极与工件不接触袁不产生宏观切削力袁火花放电时的瞬时爆炸力等微观作用力也很小袁不足以引起电极和工件的形变袁电极的形变主要是重力引起的弹性形变遥由于成形电极造型细长袁整体叶轮加工精度要求又较高袁需对电极进行刚度分析袁以保证电极形变量在加工允许的范围内遥选用紫铜作为电极材料袁相较于石墨电极袁紫开始电极数量k =1设置电极初始运动轨迹电极运动步数i =1拆分电极k =k +1电极沿轨迹逐步撤出运动步数i =i +1是否干涉调整电极运动轨迹是否干涉是否完全撤出结束YYNNN图5电极及其运动轨迹同步设计流程图图7电极运动轨迹生成结果电极1电极2电极3图6电极造型结果Y 电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期14要要铜具有良好的导电性和加工稳定性袁加工时的电极损耗较小尧精度较高遥紫铜的密度为8978kg/m 3袁弹性模量为1.2伊1011Pa袁泊松比为0.38遥基于Ansys 软件AIM 模块对电极进行有限元分析袁确定在重力场作用下的电极形变量遥设置材料属性后袁分别对三块电极划分网格并施加重力场作用袁求解后分析位移大小云图袁由图8可知袁电极2的形变量最大袁最大处为4.55滋m遥分析可知袁由重力引起的电极形变量较小袁在加工精度所允许的范围之内遥因此袁不必对电极进行形状补偿袁实际加工所用的成形电极即为图6所示的形状遥4加工实验针对图3所示带冠整体叶轮袁利用设计的成形电极进行试制加工实验袁检验电极及其运动轨迹的正确性遥加工前袁需按工件所要求的加工精度和表面粗糙度来确定相关的工艺参数遥由于此次加工为半精加工袁且电极造型复杂袁故优先选用电极磨损相对较小的电加工参数遥加工设备为AQ55L 镜面火花机袁工作液为煤油袁加工结果见图9遥经测试袁叶片型面误差为依0.1mm袁表面粗糙度Ra 臆6.3滋m袁放电凹坑较浅曰后续经抛光等工艺处理可得到光亮平整的表面袁加工结果满足设计要求遥本次试制加工实验验证了电极及其运动轨迹设计的正确性袁同时证明了该设计方法的合理性袁该方法也可作为此类问题的一种通用解决方案遥5结束语电火花成形加工是带冠整体叶轮制造的有效方法之一遥本文针对通道造型复杂尧无法使用单块电极完成加工的带冠整体叶轮袁研究了电极拆分与运动轨迹同步设计的方法袁并通过求解轨迹搜索最优化模型和使用三维软件完成设计的方法得以实现遥针对成形电极造型细长而可能存在刚度不足的问题袁基于重力场的有限元分析袁确保电极形变量在加工允许的范围之内遥通过试制加工实验结果可知袁提出的电极结构及其运动轨迹设计方法对于电火花加工带冠整体叶轮合理有效袁可作为此类问题的一种通用解决方案袁并对电火花加工其他复杂造型的整体构件具有借鉴意义遥参考文献院[1]王春松.整体叶轮五轴加工技术的研究与应用[D].南京院南京理工大学袁2012.[2]赵万生袁吴湘袁詹涵菁袁等.带冠整体式涡轮盘的CAD/CAM[J].推进技术袁2003袁24渊4冤院380-383.[3]郭紫贵袁云乃彰袁张磊.带冠整体叶轮加工现状及新方法探索[J].中国制造业信息化袁2004袁33渊6冤院102-104.[4]孙晓岚.闭式整体叶盘电火花加工表面质量研究[D].上海院上海交通大学袁2013.[5]赵建社袁周学德袁周旭娇袁等.带冠整体叶轮电火花加工电极及其运动轨迹同步设计方法[J].兵工学报袁2017袁38渊4冤院744-749.[6]廖平强.带冠整体涡轮电火花加工技术研究[D].西安院西北工业大学袁2007.[7]侯增选袁郭超袁赵宁袁等.整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工编程[J].大连理工大学学报袁2013袁53渊4冤院521-525.图8电极2重力场分析云图位移/滋m 12340图9带冠整体叶轮试制结果电火花加工叶电加工与模具曳2019年第1期15要要。

带叶冠整体式涡轮盘的多轴联动数控电火花加工

生受热变形，且电极使用寿命也会缩短；如果减厚量过小，则电极较厚，难以获得足够的运动空间，导致电极进给轨迹复杂，甚至无法获得无干涉的进给轨迹。鉴于以上特点，实际设计三维成型电极时，应在保证获得无
干涉进给轨迹的同时，尽可能采用较大的电极厚度。
减高处理通过将叶冠向涡轮中心移动，然后对电极进行布尔运算，获得减小电极高度，同样可以获得更大的运动空间，减高处理后的电极，加工叶冠表面和加工轮毂表面的电极型面不是同圆心，故该方法在设计中即已存在误差。减高处理只适用于泵叶轮类零件。
上述电极设计和轨迹搜索已集成在自行开发的带叶冠整体式涡轮盘电火花加工专用 CAD/CAM 系统中。 [5，8]
在获得无干涉的轨迹之后，该系统还可以进行加工仿真，模拟实际加工情况；并可以对搜索获得的轨迹进行变换处理，生成电火花加工机床可执行的数控代码。
带叶冠整体式涡轮盘多轴电火花加工试验
为了验证上述技术的正确性，进
行了带叶冠整体式涡轮泵叶轮多轴电火花加工试验。 1 成型电极的制造
成型电极通过单向走丝线切割加工和数控多轴铣削加工而成。其加工过程中所需要的数控代码也是采用上述自行研发的“带叶冠整体式涡轮盘专用 C A D / C A M”系统自动生成。电极加工完成后，可通过三坐标测量仪检测其型面精度。电极通过电极杆安装在电火花机床主轴之上。电极安装孔和电极
在实际电火花加工中，电极和涡轮叶片之间存在一定的放电间隙 δ [6]。在电极设计中，需要将原始电极型面缩小偏置以补偿放电间隙所带来的误差，偏置后的电极型面和原
2009 年第 2 期·航空制造技术 101

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（ＳａｇａＪａｎｉｅｓｔＳａｇａ０２０，ｉａ）ｈｎｈｉｉｏＴｏｇＵｎｖｒｉｙ，ｈｎｈｉ０４Ｃｈｎ２
ＡｂｔａｔＭｕｉｘｓｌｔｉｌｉｈ பைடு நூலகம்ｅｍａｈｎｎＥｓｃ：ｌ．ｉＮＣｅｃｒａｄｓａｇｃｉｉｇ（ＤＭ）ｉａｆｃｉｅａｐｏｃｏｒ— ｒｔａｅｃ— ｃｓｎｅｆｔｐｒａｈｆｒｐｏｅｖ
ｍｏｅａｏｇｔｅｃｎｒｕｖｆｌｋｃａｎｌｏｇｔｔｅｏｔｍｉｅｌｃｒｄｏｔｒ．Ｔａｉｇａｓｒｕｅｖｌｎｈｅｔｅｃｒｅｏｉｈｎｅｔｅｈｐｉｚｄｅｅｔｏｅｐｓｕｅｂｓｋｎｈｏｄｄ
ｐａｈ．Ａｗｌｃｒｄａｈｓａｃｉｇｍｅｈｄｗａｏｏｅｎｔｉａｅｔｎｅｅｅｔｏｅｐｔｅｒｈｎｔｏｓｐｒｐｓｄｉｈｓｐｐｒ，ｗｈｉｈｍａｅｔｌｃｒｄｃｋｈｅｅｅｔｏｅ
ｃｓｉｇｓｒｕｅｌｋ．Ｔｈｅｏｓｒｕｅｌｋｐｏｅｓｎｅｒｈａｎｅｆｒｎｅｆｅｌｃｒｄｅｓｈｏｄｄｂｉｓｎｓｅｋｙｔｈｏｄｄｂｉｒｃｓｉｇｉｔｓａｃｎｉｔｒｅｅｃ —ｒｅｅｅｔｏｅｓｓｏ
涡轮叶盘作为航空航天发动机的核心部件，直
接关系到发动机系统的成败，决定整机性能和维是
ＬＡ — ＥＰＸ航空涡扇发动机及欧洲航天局Ａｒｎ一ｉｅ５型ａ火箭的Ｖｕｃｉｌｎ液氢液氧发动机均采用了闭式整体ａ
径规划。工试验结果证明了该方法在加工效率与成本上的整体优势。加
关键词：闭式整体涡轮叶盘；多轴联动电火花加工；电极运动路径规划
中图分类号：Ｇ６１Ｔ６文献标识码：Ａ文章编号：０９７Ｘ（０２０ —０１ —０１０ —２９２１）１０１４
重要。为此，出了一种电极运动路径规划的方法，电极尽可能沿涡轮叶盘流道中心曲线运动，提使
获得电极的最佳位置姿态。基于该方法，某闭式整体涡轮泵叶轮进行了电极设计与电极运动路对
护成本的关键部件之一。传统涡轮叶盘的叶片通过榫卯结构与盘身连接，构复杂，结影响了整体的可靠
性。从２０世纪８Ｏ年代开始，式整体涡轮叶盘逐闭渐进入航空航天发动机设计领域。由于增设了叶冠
涡轮叶盘结构 … 。图１２种典型的闭式整体涡轮是叶盘类零件：轴流式涡轮叶盘和离心式叶轮。半封闭、弯扭的流道给闭式整体涡轮叶盘的加工带来了一系列难题。多轴数控铣削加工由于受刀具可达性与切削振动的影响，限制了其在闭式整体
ｉｍｐｅｌｒａｎｅａｌｌｓａｘｍｐｅ，ｅｅｔｏｅｄｓｇｎｄｅｅｔｏａｈｓａｃｎｇｗｅｅｃｎｃｅｅｌｃｒｄｅｉｎａｌｃｒｄｅｐｔｅｒｈｉｒｏｄｕｔｄ，ａｈｘｐｒ・ｎｄｔｅｅｅｉｍｅｔｒｓｌｓｓｏｔａｈｉｔｄｎｔｏｙｉｎｅｕｔｈｗｈｔｔｓｍｅｈｏｏｎｌｍｐｒｖｓｔｒｃｓｉｇｅｆｃｅｃｏｅｈｅｐｏｅｓｎｆｉｉｎｙ，ｂｔａｓｅｃｓｔｅｕｌｏｒｄｕｅｈｅｅｔｏＯｔｌｃｒｄｅＣＳ．Ｋｅｒｓ：ｓｏｅｌｓｍｕｔ— ｘｓＮＣｙｗｏｄｈｒｕｄｄｂｉｋ；ｌｉａｉＥＤＭ；ｌｃｒｄａｈｓａｃｉｇｅｅｔｏｅｐｔｅｒｈｎ
ＥｌｅｒｄｔｅｒｈｉｇｆｒＭｕｔ— ｘｓＮＣｅｔｏｅＰａｈＳａｃｎｏｌｉａｉＥＤＭｆＳｒｕｅｉｋ０ｈｏｄｄＢｌｓ
ＬｉａＫａａｍｉＺｈａａｓｎｕＸｉｏ，ｎｇＸｉｏｎｇ，ｏＷｎｈｅｇ
特辑
《电加工与模具》２１年第１０２期
闭式整体涡轮叶盘多轴联动电火花加工电极运动路径规划
刘晓，小明，万生康赵
（上海交通大学机械与动力工程学院，海２０４上０２０）
摘要：多轴联动电火花加工作为闭式整体涡轮叶盘的主流加工方法，电极运动路径规划至关其
涡轮叶盘加工中的应用。目前该类零件的主流加工