三轴进给的叶片电解加工.pdf

第32卷第7期2004年7月华南理工大学学报(自然科学版)Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)Vol.32No.7July2004文章编号:1000-565X(2004)07-0070-04三轴进给的叶片电解加工史先传 朱 荻 李志永(南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京210016)摘 要:为了消除多工序、多次定位对叶片电解加工精度的不利影响,自行研制开发了三轴进给的叶片电解加工系统及其控制系统软件.该加工系统不仅可以实现叶身全方位一次电解成型,而且可按照优化的角度进行电解加工.同时从理论上推导了叶片装夹角和阴极进给角与电解加工精度的关系,提出了二次判优准则.在Unigraph软件平台上,对某型航空发动机叶片进行实体造型,并以叶片的实体造型为研究对象,结合二次判优准则及自行开发的判优软件,对叶片装夹角和阴极进给角进行优化,优化结果符合实际加工情况.关键词:叶片;电解加工;机床设计;航空发动机中图分类号:TG662 文献标识码:A 收稿日期:2004-01-07 作者简介:史先传(1972-),男,博士生,主要从事特种加工的研究.E2mail: 电解加工作为叶片加工的一种主要工艺,其基本原理是电化学阳极溶解.在加工过程中,工件接电源正极,工具接负极,工具电极向工件低速进给,使阴极和阳极之间保持较小的间隙,具有一定压力的电解液从间隙中流过,这时阳极工件的金属逐渐被电化学溶解,电解产物被高速流动的电解液带走,从而将工件加工成型1.如图1所示.图1 电解加工原理图Fig.1Schematic diagram of electrochemical machining但在电解加工过程中,若加工间隙过大,则加工精度会降低,故在不发生短路的情况下,选择较小的加工间隙值以求达到提高加工精度的目的.根据电解加工原理,端面平衡间隙b和法向平衡间隙n分别为b=URvc(1)n=URvc1cos=b1cos(2)式中:为电流效率;为被电解物质的体积电化学当量;为电解液的电导率;UR为电解液的欧姆电压;vc为工具进给速度;为工件型面法向与工具进给方向的夹角.可见端面平衡间隙 b只与加工参数(、UR和vc)有关,当电解加工参数确定时,端面平衡间隙b也随之确定.而法向平衡间隙n不但与加工参数有关,而且与工件型面及工具进给方向有关,它反映法向平衡间隙的不均匀性.cos法2是根据工件型面及法向平衡间隙大小设计出阴极型面,故法向平衡间隙较大的地方,在电解加工中该处的加工间隙也较大,导致加工精度也较低.n不随角线性变化,而随角的增大而急剧增大.当角较大时,由于1/cos值较大,使得加工间隙也较大,并且加工过程中加工参数的微小变化也会引起 n较大的变化,不利于电解加工控制,故一般限定0 45.此外,在加工过程中,为使叶片上各点的 n尽可能接近,叶片上各点的角需尽可能接近,即需角的均方根较小.由此可见,角是电解加工过程中的一个重要参数.1 三轴进给叶片电解加工为了能够在一次电解加工过程中同时加工出叶片的所有型面(叶盆、叶背以及缘板),采用三轴进给方式电解加工叶片.该方式消除了多工序加工时因变形、过切和杂散腐蚀引起的多工序间的相互影响,以及多次定位造成的积累误差3.三轴进给方式使用了三个进给运动来维持恒定的加工间隙,这三个进给运动分别是两个阴极进给和一个叶片进给.两个阴极从叶片两侧分别以速度v1、v2相向进给,维持叶身型面与阴极端面之间的间隙,分别加工出叶盆和叶背;叶片以某一装夹角度放置,并以速度v3向阴极进给,维持缘板端面与阴极侧面之间的间隙,加工出叶片缘板.玻璃钢制成的夹具将两个工具阴极和叶片阳极包围起来,在叶片横截面上形成闭合流道,电解液由叶尖沿着叶身流向叶根,不同于传统的侧向流动供液方式 电解液由叶片进气边流向叶片出气边,这样显著地改善了流场.但在叶根部,由于电解液流向急剧变化,易产生空穴,故在电解液出口处施加背压,抑制空穴的产生,从而使整个流程上电导率均匀,有利于提高电解加工精度.如图2所示.图2 三轴进给叶片电解加工示意图Fig.2Schematic diagram of blade electrochemical machinewith three2axis feeding根据图2所示的加工方案,设计出如图3所示的机床样机.两个阴极分别固定在A、B轴上,叶片可以任意装夹角度安装在C轴的叶片夹具上.机床的A、B轴在同一轴线上,C轴垂直于A、B轴的轴线.三个轴放置在一块零级精度的大理石平台上,大理石平台的厚度为300mm,这种水平布局可使整个加工平台具有较好的刚性.阴极进给运动与叶片进给运动合成,形成了阴极相对于叶片缘板的斜向进给.由于各轴的进给速度受程序控制,当进给速度改变时,阴极相对于叶片的进给方向也随之改变.机械进给机构由交流伺服电机、谐波减速器、滚珠丝杠和丝母副等组成,如图4所示.电解加工时,图3 三轴进给叶片电解加工平台Fig.3Electrochemical machine with three2axis feeding formachining blades电解液压力一般在1MPa左右;此外,精加工时,加工速度可低至0.1mm/min.为了克服电解液反压作用,以及避免电机转速过低,进给机构中使用了减速比为150的谐波减速器.因此,电机转速为34 500r/min时,电极进给速度为0.1150mm/min(丝杠导程为5mm),从减速器输出的扭矩可达50Nm(电机的额定转矩只有0.67Nm).为了减小摩擦阻力、降低运动中爬行现象,选用滚珠丝杠和直线导轨作为运动副,替代传统的螺纹丝杠和滑动导轨.图4 机械进给机构Fig.4Feeding mechanism1 交流伺服电机;2 谐波减速器;3 联轴节;4 滚珠丝杠;5 滑枕图5是电解加工平台的控制系统,它完成轨迹控制、间隙控制及短路保护等功能.硬件部分由基于PCI总线的四轴运动控制卡(型号PCI-7344,可实现四轴联动轨迹控制)、交流伺服电机和传感器等组成;控制系统软件用图形化编程语言Labview编写.2 角和对加工精度影响的分析以叶片作为参照物,建立坐标系xyz,其中z轴与叶片的轴线共线.叶片装夹在C轴上,可以有多个装夹位置,取图6位置为=0的装夹位置,则叶身曲面在坐标系xyz中为g(x,y,z)=0.17 第7期史先传 等:三轴进给的叶片电解加工图5 加工平台的控制系统框图Fig.5Control system diagram of the machining platform图6 叶片型面与阴极进给方向示意图Fig.6Schematic diagram of blade surface and cathode feeddirection将图6中叶片连同坐标系一同绕z轴逆时针转,得新坐标系xyz,如图7所示.得到旋转后的叶身曲面在新坐标系xyx 下的表达式为g(x,y,z)=0(1)根据坐标变换,新旧坐标系存在如下关系:x=x1-sin2cos+ysin;y=ycos-xsin;z=z.将上三式代入式(1),得旋转后的叶片型面在原坐标系中的表达式为gx1-sin2cos+ysin,ycos-xsin,z=0.经整理得f(x,y,z,)=0(2)叶片上点P的法向量图7 坐标变换Fig.7Conversion of coordinatesN=5f(x,y,z,)5x,f(x,y,z,)5y,f(x,y,z,)5z(3)由相对运动关系可知,阴极相对于叶片是斜向进给的,阴极的进给角度为,即阴极相对于叶片的进给方向与缘板之间的夹角,如图6所示.可见,阴极进给方向向量A=(cos,0,sin)(4)由几何关系可求得点P的角=acrcosAN|A|N|(5)由式(3),(4)和(5)可知,叶片上点P的是和的函数,和的大小直接决定值的大小.因此合理地组合和,可使值及的均方差都较小,从而使加工间隙较小且一致性较好,有利于保证加工精度.3 二次判优准则及其优化结果3.1 二次判优准则根据前述讨论,角较小且均匀则有利于叶片的电解加工,因此阴极进给角度和叶片毛坯装夹位置角度的最优组合应按如下的二次判优准则依次判定:(1)所有叶片型面采样点的法线方向与阴极进给方向的夹角均小于45;(2)在判优(1)筛选的基础上,进一步确定叶盆和叶背的最优进给角.当叶盆上角的均方根为最小时,所对应叶盆进给角为叶盆最优进给角;当叶背上的均方根为最小时,所对应叶背进给角为叶背最优进给角.为了减小两电极进给速度差异对加工过程的影响,限制|-|5.3.2 二次判优的检测结果根据某型号发动机叶片的设计图纸,生成UGII27华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第32卷平台下的三维叶片实体造型,并以此实体造型为研究对象,按照判优准则(1),利用自行开发的检测程序分别对叶盆、叶背的装夹位置和阴极进给角度组合进行检验.检验结果为:对叶盆而言,当叶片毛坯装夹位置角变化范围为85 114,阴极斜向进给角度 的变化范围为0 31 时,叶盆型面上采样点的法线方向与阴极进给角的夹角 均小于45;对叶背而言,当叶片毛坯装夹位置角的变化范围为91 103,阴极进给角度 的变化范围为0 26 时,叶背型面上采样点的法线方向与阴极进给角的夹角均小于45;因叶盆和叶背型面需同时加工,故叶片装夹位置角变化范围应为91 103.在判优准则(1)筛选基础上,根据准则(2)可进一步优化装夹位置与阴极进给角度组合,获得4个角度组合满足判优准则(2),即,=98,30,26、99,29,26、100,29,25和101,28,23是最终优化结果.在实际加工中,当阴极进给角度接近30 时,可将叶片缘板加工成平面,因此这4组优化结果与实际加工情况相吻合.采用三轴叶片电解加工机床加工该型叶片时,可以使用优化结果中的任意一个来完成对该型叶片的加工.例如使用第2个优化结果,叶片以99 装夹角度固定在C轴上,将加工叶盆、叶背的阴极头分别固定在A、B轴的导杆上.在加工过程中,C轴以速度v进给,A、B轴速度分别以速度ctan29 v和ctan26 v进给,由相对运动关系可知,阴极相对于叶片的进给角度正是最优进给角度.因三个运动轴具有相同的机械进给机构,故只需使按照ctan29 ctan26 1的比例关系控制A、B、C轴的伺服电机转速,就可实现沿最优进给角度电解加工叶片.4 结语(1)结合叶片实体造型,采用二次判优准则对叶片装夹角和阴极进给角进行优化组合,获得的阴极进给角度均在30 附近.这一结果与实际加工情况相符.(2)采用三轴进给方式,可针对不同叶片情况灵活改变阴极进给角,实现沿最优进给角电解加工叶片,有助于提高叶片电解加工的精度.参考文献:1Zhu D,Xu H Y.Improvement of electrochemical machiningaccuracy by using dual pole tool J.Journal of MaterialsProcessing Technology,2002,129(1):15-18.2 王建业,徐家文.电解加工原理及应用M.北京:国防工业出版社,2001.3 王建业,林苏文.叶片电解加工技术的新发展J.航空工艺技术,1998(5):18-21.Wang J Y,Lin S W.New development of blade ECM tech2nology J.Aeronautical Manufacturing Technology,1998.(5):18-21.Three2Axis ECM System for Machining BladesShi Xian2chuanZhu DiLi Zhi2yong(College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing Univ.of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,Jiangsu,China)Abstract:In order to eliminate the deterioration of the blade ECM(Electrochemical Machining)accuracy resultingfrom multiple operations and multiple bearings,firstly,a three2axis blade ECM system and its corresponding controlsystem software were developed.By This machining system,all the surfaces of a blade body can be processed in a sin2gle operation,and the blade can be machined along optimal angles.Next,the effect of blade fixture angle and cathodefeed angle on machining accuracy was theoretically discussed,and the“double2optimization rule”was proposed.At thesoftware platform of Unigraph,a type of aero2engine blade was moulded,and then the blade fixture angle and cathodefeed angle were finally optimized by using the proposed“double optimization2rule”and arbitration software,with themould of the blade as the object.The optimization results accord well with the actual machining process.Key words:blade;electrochemical machining;machine tool design;aero2engine37 第7期史先传 等:三轴进给的叶片电解加工