【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動態(tài)】近年來，隨著航天航空、軍工、能源領(lǐng)域的重型運載火箭、大型能源壓縮機等產(chǎn)品快速發(fā)展，眾多大型型面空間扭曲類關(guān)鍵零件需求不斷增多，如大型閉式渦輪盤、大型整體閉式葉輪、整體帶冠渦輪盤等。這類零件是發(fā)動機、大型壓縮機的“心臟”零件，具有型面空間扭曲較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊材質(zhì)、超硬、耐高溫等特點，使用普通機床難以完成，電火花加工則有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢。
 

　　北京市電加工研究所針對航天領(lǐng)域重型運載火箭發(fā)動機大型帶葉冠整體式渦輪盤、帶葉冠導(dǎo)向環(huán)和噴嘴葉柵環(huán)，能源領(lǐng)域整體閉式葉輪等關(guān)鍵零件的制造難題，借助國家相關(guān)科技專項的支持，在自主知識產(chǎn)權(quán)五軸聯(lián)動電火花加工機床及葉輪等特殊零件電火花加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破裝備技術(shù)、電源開發(fā)、軟件開發(fā)、加工工藝、裝配、檢測等技術(shù)“瓶頸”，研發(fā)了國內(nèi)首臺大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形加工機床(見圖1)及工藝技術(shù)，為航天航空、軍工、能源等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵制造裝備，并可推廣至模具、汽車等領(lǐng)域中。
 

圖1  A2190大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形機床
 

　　一、產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)、性能和特點
 

　　1. 機床技術(shù)參數(shù)
 

　　機床部分技術(shù)參數(shù)見下表。
 

 

　　2．機床主要性能
 

　　(1)具備六軸數(shù)控、六軸聯(lián)動功能。
 

　　(2)具備數(shù)控系統(tǒng)集成三維CAD/CAM軟件，實現(xiàn)編程加工無縫連接功能。
 

　　(3)具備帶冠渦輪盤、整體閉式葉輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電火花成形加工功能。
 

　　(4)具備加工鈦合金、高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(lián)動大型電火花機床行程大，保證大型渦輪盤的加工空間。
 

　　(2)采用六軸聯(lián)動加工，可減少電極設(shè)計數(shù)量，減少裝夾次數(shù)，降低因反復(fù)裝夾產(chǎn)生的精度損失。
 

　　(3)采用六軸聯(lián)動編程加工，電極可實現(xiàn)更復(fù)雜軌跡運動。
 

　　(4)大功率的脈沖電源實現(xiàn)高效快速的去除，提高加工效率。
 

　　二、關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容及創(chuàng)新點
 

　　1. 研發(fā)大型數(shù)控電火花成形機床主機及關(guān)鍵部件
 

　　研發(fā)的大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形機床主機(ZL201410150558.8，ZL201520382510.X)采用傾斜滑板式結(jié)構(gòu)，有效改善了現(xiàn)有機型的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，保證了設(shè)備的加工精度。
 

　　通過CAD/CAE建模仿真分析、基于多體運動學(xué)理論的電火花機床幾何誤差分析、熱-結(jié)構(gòu)耦合變形分析等技術(shù)的應(yīng)用，從設(shè)計階段保證了機床的高精度和持續(xù)改進；通過在制造加工環(huán)節(jié)進行材料優(yōu)選、熱處理、選取合適的加工方法及在線檢測等手段，保證各零部件的加工精度；在裝配環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化裝配順序、嚴(yán)格控制裝配誤差等，保證機床各部分完美配合，達(dá)到設(shè)計精度要求。機床主機結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 

圖2  大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形機床主機結(jié)構(gòu)
 

　　各軸系采用自主設(shè)計的全閉環(huán)控制技術(shù)，該技術(shù)可對各種干擾和非線性因素對運動軸位移產(chǎn)生的影響進行有效的動態(tài)校正，使任何時刻運動軸的實際位移時時跟隨設(shè)定值變化，因而可以保證機床具有非常高的動、靜態(tài)精度。
 

　　此外，針對重型運載火箭發(fā)動機帶葉冠整體式渦輪盤及環(huán)形件、大型壓縮機整體閉式葉輪的大件加工需求，開發(fā)出直徑600mm以上的大型直驅(qū)全浸液電火花專用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(ZL201621416804.0)，密封等級IP68。該全浸液轉(zhuǎn)臺定位精度0.0014°，滿足這類零件精度需求。
 

　　2. 研發(fā)電火花專用Windows+RTX六軸數(shù)控系統(tǒng)
 

　　研發(fā)出基于Windows系統(tǒng)的六軸聯(lián)動開放式數(shù)控系統(tǒng)(2016SR084163)，通過RTX實時內(nèi)核補丁插件實現(xiàn)Windows下的實時任務(wù)調(diào)度。基于高性能的X86處理器，研發(fā)了包含COMExpress模塊和COMExpress載板的數(shù)控主板，滿足控制算法及集成CAD/CAM對數(shù)控系統(tǒng)性能的需求。
 

　　基于高性能FPGA，實現(xiàn)運動/放電一體化控制卡的開發(fā)，提升放電控制和運動控制協(xié)同算法的并行性能和實時性能。
 

　　基于Windows+RTX開發(fā)出實時系統(tǒng)、六軸矢量分配插補算法，實現(xiàn)了電火花加工六軸聯(lián)動回退、抬刀、搖動等功能，實現(xiàn)了CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的全集成，能夠?qū)崿F(xiàn)編程加工無縫連接，提升了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性和電火花加工機床的易用性。數(shù)控系統(tǒng)硬件如圖3所示， Windows六軸數(shù)控系統(tǒng)界面如圖4所示。
 

圖3  數(shù)控系統(tǒng)硬件
 

圖4  Windows六軸數(shù)控系統(tǒng)界面
 

　　3. 研發(fā)六軸聯(lián)動CAD/CAM系統(tǒng)
 

　　六軸聯(lián)動CAD/CAM系統(tǒng)(2018SR037238)可用于解決復(fù)雜曲面零件(如整體閉式葉輪或渦輪盤類零件)的電極設(shè)計和軌跡仿真。該系統(tǒng)可極大地提高電極設(shè)計效率，縮短該類零件的加工周期，可嵌入到大型專業(yè)三維CAD軟件，接口方便快捷。運用該系統(tǒng)能快速檢測所設(shè)計電極的合理性，自動優(yōu)化電極軌跡，通過不斷的模擬仿真進而不斷完善電極設(shè)計。電極和軌跡優(yōu)化完成后可一鍵自動生成電火花加工G代碼，極大地提高編程效率，節(jié)約了大量的人工成本。圖5是數(shù)控系統(tǒng)集成CAD/CAM界面，圖6是CAM仿真系統(tǒng)。
 

圖5  數(shù)控系統(tǒng)集成CAD/CAM
 

圖6  CAM仿真系統(tǒng)
 

　　基于EROWA、3R等多個系列的標(biāo)準(zhǔn)夾具產(chǎn)品建立了夾具庫，將現(xiàn)有的N系列、B系列、M系列電火花成形機床的三維模型集成到CAD/CAM系統(tǒng)中，形成機床數(shù)據(jù)庫，能夠滿足虛擬加工的快速裝夾及加工仿真需求。
 

　　基于CAD/CAM API接口的網(wǎng)絡(luò)通信軟件開發(fā)，實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的通信連接及系統(tǒng)控制功能。開展了基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAM系統(tǒng)License授權(quán)管理軟件開發(fā)，用戶可以通過License授權(quán)進行訪問CAD/CAM系統(tǒng)云端服務(wù)平臺以獲得相應(yīng)服務(wù)，從而保證用戶訪問服務(wù)平臺的有效性。
 

　　4. 研發(fā)高效率大功率脈沖電源
 

　　針對重型運載火箭發(fā)動機帶冠渦輪盤及環(huán)形件加工去除量較大，而電火花加工效率較低的特點，開發(fā)了大功率PWM開關(guān)電源(見圖7)，采用疊層母線主回路設(shè)計(見圖8)，顯著降低放電寄生電感；研發(fā)了SiCMOSFET的納米級低損耗加工模塊和終端增爆模塊，開發(fā)的高效率大功率脈沖電源，經(jīng)國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，脈沖電源大加工電流200A，電機驅(qū)動精度0.1μm，驅(qū)動當(dāng)量0.1μm。
 

圖7  PWM大功率開關(guān)電源
 

圖8  疊層母線主回路
 

　　對POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三種型號的石墨電極材料進行分析和大量工藝試驗，構(gòu)建了石墨材料加工工藝數(shù)據(jù)庫，采用新型加工回路，實現(xiàn)了1000mm3/min以上的鈦合金高效率加工和2000mm3/min以上的模具鋼高效加工。
 

　　5.開展大型六軸聯(lián)動電火花加工工藝技術(shù)
 

　　開展了大型電火花加工機床六軸聯(lián)動的工藝試驗，制定了基于球面的變深度、變截面的S形曲線六軸聯(lián)動電火花加工工藝方法，并完成了試件的加工。開展了基于六軸聯(lián)動電火花加工裝備的重型運載火箭發(fā)動機鈦合金、高溫耐熱合金整體帶冠渦輪盤(ZL201310000946.3、ZL201610053352.2)、大型壓縮機整體閉式葉輪與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁件、環(huán)形件的智能化電火花高效加工工藝技術(shù)研究，建立了工藝數(shù)據(jù)庫。同時完成了大型壓縮機整體閉式葉輪的工藝設(shè)計規(guī)范和驗證，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　三、成果應(yīng)用及推廣情況
 

　　本項目研發(fā)的大型智能精密六軸聯(lián)動電火花成形裝備，突破了大型六軸聯(lián)動電加工機床及工藝關(guān)鍵核心技術(shù)，可解決以重型運載火箭發(fā)動機帶葉冠整體式渦輪盤、噴嘴葉柵環(huán)及復(fù)雜薄壁件、大型壓縮機整體閉式葉輪等復(fù)雜形狀零件為代表的大型關(guān)鍵零部件加工，解決了加工“瓶頸”問題。
 

　　應(yīng)用項目成果，為航天領(lǐng)域完成了多種型號的帶葉冠整體渦輪盤的加工，解決了重型運載火箭發(fā)動機渦輪盤葉片扭曲度高、尺寸大、精度要求高、表面質(zhì)量要求高等問題，并推廣至航空、船舶、汽車發(fā)動機復(fù)雜零件加工、復(fù)雜模具加工等國防軍工與民用領(lǐng)域，推動了其所在行業(yè)的技術(shù)進步；同時，利用項目成果，形成了系列化大型牛頭電火花機床新產(chǎn)品，已成功用于中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司、蘇州中悅百毅光電科研開發(fā)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爭力，降低了生產(chǎn)成本。
 

　　應(yīng)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(dǎo)行轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵零件，都是這些單位所承擔(dān)的國家國防重大項目涉及的零件以及重大技術(shù)攻關(guān)項目應(yīng)用零件，解決了這些單位所承擔(dān)的國家國防重大項目中關(guān)鍵技術(shù)難題，為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、能源等領(lǐng)域技術(shù)進步提供了重要支撐。
 

　　與此同時，通過項目研發(fā)，推動了我國大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形裝備在設(shè)計、制造、加工工藝等方面的技術(shù)突破，增強了我國大、精、尖裝備的創(chuàng)新能力。同時，項目所開發(fā)的技術(shù)，將為類似電火花成形機床的開發(fā)提供技術(shù)支撐，也將進一步提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力及市場競爭力。