4轴联动数控展成电解磨床的研制

霜羽沐

整体叶轮是火箭发动机、飞机发动机以及航空机载设备的重要零件之一。整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、高温耐热合金和钛合金等难切削材料，再加上其为整体结构，带有复杂型面的叶片，使得它的制造非常困难，成为航空制造技术中的关键。
目前，整体叶轮的制造方法有精密铸造、数控铣和特种加工。不管采用哪一种方法，加工余量都比较大，一般要靠手工抛光去除余量来达到叶型的形位、尺寸精度。手工抛光主要存在以下一些问题：叶型精度难以保证，废品率高：要求工人技艺水平高：劳动生产率低，成本高：工人劳动条件恶劣，噪声大，粉尘污染严重，而且易出现工伤事故。采用多轴联动数控展成电解磨削可以很好地解决整体叶轮的精加工问题。
1 4轴联动数控展成电解磨削机床
9 p( W" Y0 l) V; @展成运动分析为了实现整体叶轮复杂型面的电解磨削加工，导电磨轮相对于工件的展成运动必须是多轴联动。展成运动可分解为X、Y和Z向三个直线运动分量以及绕Z轴和Y轴的两个转动分量，其中前4个运动分量需要X 轴联动，最后一个为匀速转动(图1)。

图1 导电磨轮的展成运动
' o. ^3 o. V5 |7 a) `
  K6 v, \) ~; J4 ?图2 数控展成电解磨床的运动分布
' R8 h# H, o+ P8 d4 {% ~
( ~  ]6 I, Y6 g图3 经济型多轴联动数控系统
( k. K: [+ _/ x  _( {4 t' J5 [{
Z1=f1(x1)
& V! p# |: f2 N& F5 [+ S6 V{
1 ?4 B* O$ ]9 @; vZ2=f2(x2)
& @4 \0 P0 O8 V. V: KY1=C1
% i9 Z( u% R2 H/ j: V" i9 DY2=C2
  @- _7 z3 Z% N" K; M式中:C1、C2为常数，若磨轮与这两条截形线相切的切点坐标分别为( X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)，则磨轮轴线运动轨迹应满足方程
2 [- h- ]  _, \$ \, N" |7 {" a9 Hfj(X，Y，Z，gv，b0，X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2，R1，R2)= 0式中:gv=gv(X)、b0=b0(X)是确定磨轮轴线的两个方位角：R1、R2为圆锥磨轮的小头和大头的半径(常数)：X、Y、Z为磨轮轴线上的定点坐标。
根据磨轮前端的约束条件通常为一空间曲面，故再增加一个约束方程
f(X，Y，Z)=0
& F2 ]+ d$ x0 X- Y3 B1 Q, |7 c- ]" d又根据磨轮沿曲面平坦方向放置，且使磨轮按一定方向移动，因此可预先给出gv=gv(X)的变化规律。联解上述方程组，便得到磨轮轴线运动轨迹。磨轮如按此轨迹运动便生成一块子包络面Šj。该面是通过前后两截形线的光滑曲面。
4 y5 x! N" w' ~5 g  p& }' y整体复杂曲面加工磨轮轨迹数学模型
上述讨论仅仅解决了磨轮与前后两条截形线相切的磨轮轨迹数学模型。实际上，只用两条截形线来描述，即仅用最前最后两条截形线来构造一块包络面，那么中间截形线就可能与此包络面有较大的偏差。经过检查，此偏离没有超出允许的误差，当然也是可以接受的。但这种情况没有代表性，通常需要多个包络面的拼合来逼近一个复杂曲面。此包络面的拼合记为Š ，其方程为Y=F(X，Z)。此时拼合面可以看作各子包络面的拼集
6 n9 `: }# M' R% K, j& f$ @Š=
1 \! D& j. M( R/ r* @5 v* rn
4 D$ _0 m. @5 p0 dŠj
U
j=1
式中n为拼合块数。
此外，还要考虑前约束方程的建立、接口处的误差控制、磨轮杆的干涉检查、磨轮杆与邻近曲面的干涉以及圆锥磨轮半径和长度的确定等问题。
# @" M% F8 c; k" |3 M3 结语
通过采用正交试验法设计试验方案，优选出最佳工艺方案，机床的加工精度满足整体叶轮的技术要求，表面粗糙度Ra0.8～0.2µm，加工效率比手工抛光高19倍左右。
2 v, S; K. M  M& A4 F& q数控展成电解磨削也可以加工一些具有复杂型面的高硬度的零件，例如各种硬合金刀具、量具、模具等。随着我国科学技术的飞速发展，一些尖端科学部门和新兴工作领域的许多装备常在高温、高压以及恶劣环境中工作。因而高硬、难熔及具有特殊物理性能的材料得到广泛应用，材料愈来愈难以加工。这必将为数控展成电解磨削这一新技术提供广阔的应用前景。 【MechNet】
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