WMEM|大型精密六軸聯動數控電火花成形機床的研發應用
WMEM|大型精密六軸聯動數控電火花成形機床的研發應用
近年來，隨著航天航空、軍工、能源領域的重型運載火箭、大型能源壓縮機等產品快速發展，眾多大型型面空間扭曲類關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。這類零件是發動機、大型壓縮機的“心臟”零件，具有型面空間扭曲較大、結構復雜、特殊材質、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優勢。
北京市電加工研究所針對航天領域重型運載火箭發動機大型帶葉冠整體式渦輪盤、帶葉冠導向環和噴嘴葉柵環，能源領域整體閉式葉輪等關鍵零件的制造難題，借助國家相關科技專項的支持，在自主知識產權五軸聯動電火花加工機床及葉輪等特殊零件電火花加工技術的基礎上，突破裝備技術、電源開發、軟件開發、加工工藝、裝配、檢測等技術“瓶頸”，研發了國內首臺大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、能源等領域提供了關鍵制造裝備，并可推廣至模具、汽車等領域中。
圖1 A2190大型精密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
（1）具備六軸數控、六軸聯動功能。
（2）具備數控系統集成三維CAD/CAM軟件，實現編程加工無縫連接功能。
（3）具備帶冠渦輪盤、整體閉式葉輪等復雜結構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）采用六軸聯動加工，可減少電極設計數量，減少裝夾次數，降低因反復裝夾產生的精度損失。
（3）采用六軸聯動編程加工，電極可實現更復雜軌跡運動。
（4）大功率的脈沖電源實現高效快速的去除，提高加工效率。
二、關鍵技術研究內容及創新點
1. 研發大型數控電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控電火花成形機床主機（ZL201410150558.8，ZL201520382510.X）采用傾斜滑板式結構，有效改善了現有機型的結構動態特性，保證了設備的加工精度。
通過CAD/CAE建模仿真分析、基于多體運動學理論的電火花機床幾何誤差分析、熱-結構耦合變形分析等技術的應用，從設計階段保證了機床的高精度和持續改進；通過在制造加工環節進行材料優選、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；在裝配環節，通過優化裝配順序、嚴格控制裝配誤差等，保證機床各部分完美配合，達到設計精度要求。機床主機結構如圖2所示。
圖2 大型精密六軸聯動數控電火花成形機床主機結構
各軸系采用自主設計的全閉環控制技術，該技術可對各種干擾和非線性因素對運動軸位移產生的影響進行有效的動態校正，使任何時刻運動軸的實際位移時時跟隨設定值變化，因而可以保證機床具有非常高的動、靜態精度。
此外，針對重型運載火箭發動機帶葉冠整體式渦輪盤及環形件、大型壓縮機整體閉式葉輪的大件加工需求，開發出直徑600mm以上的大型直驅全浸液電火花專用數控轉臺(ZL201621416804.0)，密封等級IP68。該全浸液轉臺定位精度0.0014°，滿足這類零件精度需求。
2. 研發電火花專用Windows+RTX六軸數控系統
研發出基于Windows系統的六軸聯動開放式數控系統(2016SR084163)，通過RTX實時內核補丁插件實現Windows下的實時任務調度。基于高性能的X86處理器，研發了包含COMExpress模塊和COMExpress載板的數控主板，滿足控制算法及集成CAD/CAM對數控系統性能的需求。
基于高性能FPGA，實現運動/放電一體化控制卡的開發，提升放電控制和運動控制協同算法的并行性能和實時性能。
基于Windows+RTX開發出實時系統、六軸矢量分配插補算法，實現了電火花加工六軸聯動回退、抬刀、搖動等功能，實現了CAD/CAM系統與數控系統的全集成，能夠實現編程加工無縫連接，提升了數控系統的靈活性和電火花加工機床的易用性。數控系統硬件如圖3所示， Windows六軸數控系統界面如圖4所示。
圖3 數控系統硬件 圖4 Windows六軸數控系統界面
3. 研發六軸聯動CAD/CAM系統
六軸聯動CAD/CAM系統（2018SR037238）可用于解決復雜曲面零件（如整體閉式葉輪或渦輪盤類零件）的電極設計和軌跡仿真。該系統可極大地提高電極設計效率，縮短該類零件的加工周期，可嵌入到大型專業三維CAD軟件，接口方便快捷。運用該系統能快速檢測所設計電極的合理性，自動優化電極軌跡，通過不斷的模擬仿真進而不斷完善電極設計。電極和軌跡優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，節約了大量的人工成本。圖5是數控系統集成CAD/CAM界面，圖6是CAM仿真系統。
圖5 數控系統集成CAD/CAM 圖6 CAM仿真系統
基于EROWA、3R等多個系列的標準夾具產品建立了夾具庫，將現有的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系統中，形成機床數據庫，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接口的網絡通信軟件開發，實現客戶端與服務器端的通信連接及系統控制功能。開展了基于網絡的CAD/CAM系統License授權管理軟件開發，用戶可以通過License授權進行訪問CAD/CAM系統云端服務平臺以獲得相應服務，從而保證用戶訪問服務平臺的有效性。
4. 研發高效率大功率脈沖電源
針對重型運載火箭發動機帶冠渦輪盤及環形件加工去除量較大，而電火花加工效率較低的特點，開發了大功率PWM開關電源(見圖7)，采用疊層母線主回路設計(見圖8)，顯著降低放電寄生電感；研發了SiC MOSFET的納米級低損耗加工模塊和終端增爆模塊，開發的高效率大功率脈沖電源，經國家機床質量監督檢驗中心檢驗，脈沖電源最大加工電流200A，電機驅動精度0.1μm，驅動當量0.1μm。
圖7 PWM大功率開關電源 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，構建了石墨材料加工工藝數據庫，采用新型加工回路，實現了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. 開展大型六軸聯動電火花加工工藝技術
開展了大型電火花加工機床六軸聯動的工藝試驗，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。開展了基于六軸聯動電火花加工裝備的重型運載火箭發動機鈦合金、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構復雜的薄壁件、環形件的智能化電火花高效加工工藝技術研究，建立了工藝數據庫。同時完成了大型壓縮機整體閉式葉輪的工藝設計規范和驗證，形成了企業標準。
三、成果應用及推廣情況
本項目研發的大型智能精密六軸聯動電火花成形裝備，突破了大型六軸聯動電加工機床及工藝關鍵核心技術，可解決以重型運載火箭發動機帶葉冠整體式渦輪盤、噴嘴葉柵環及復雜薄壁件、大型壓縮機整體閉式葉輪等復雜形狀零件為代表的大型關鍵零部件加工，解決了加工“瓶頸”問題。
應用項目成果，為航天領域完成了多種型號的帶葉冠整體渦輪盤的加工，解決了重型運載火箭發動機渦輪盤葉片扭曲度高、尺寸大、精度要求高、表面質量要求高等問題，并推廣至航空、船舶、汽車發動機復雜零件加工、復雜模具加工等國防軍工與民用領域，推動了其所在行業的技術進步；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品，已成功用于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爭力，降低了生產成本。
應用項目成果加工的透平壓縮機、發動機用整體閉式葉輪、導行轉子等關鍵零件，都是這些單位所承擔的國家國防重大項目涉及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國防重大項目中關鍵技術難題，為國家重要基礎設施建設、能源等領域技術進步提供了重要支撐。
與此同時，通過項目研發，推動了我國大型精密六軸聯動數控電火花成形裝備在設計、制造、加工工藝等方面的技術突破，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，將為類似電火花成形機床的開發提供技術支撐，也將進一步提升企業技術創新能力及市場競爭力。
（來源：《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》雜志2020年第1期 作者：伏金娟 丁連同 于帆 郭建梅，北京市電加工研究所；郭妍 劉建勇 孫東江，北京迪蒙數控技術有限責任公司 責編：梅峰）
