4軸聯(lián)動數(shù)控展成電解磨床的研制

　　整體葉輪是火箭發(fā)動機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)以及航空機(jī)載設(shè)備的重要零件之一。整體葉輪工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下，選用材料多為不銹鋼、高溫耐熱合金和鈦合金等難切削材料，再加上其為整體結(jié)構(gòu)，帶有復(fù)雜型面的葉片，使得它的制造非常困難，成為航空制造技術(shù)中的要害。
　　目前，整體葉輪的制造方法有精密鑄造、數(shù)控銑和特種加工。不管采用哪一種方法，加工余量都比較大，一般要靠手工拋光去除余量來達(dá)到葉型的形位、尺寸精度。手工拋光主要存在以下一些問題：葉型精度難以保證，廢品率高：要求工人技藝水平高：勞動生產(chǎn)率低，成本高：工人勞動條件惡劣，噪聲大，粉塵污染嚴(yán)重，而且易出現(xiàn)工傷事故。采用多軸聯(lián)動數(shù)控展成電解磨削可以很好地解決整體葉輪的精加工問題。
　　1 4軸聯(lián)動數(shù)控展成電解磨削機(jī)床
　　展成運(yùn)動分析為了實(shí)現(xiàn)整體葉輪復(fù)雜型面的電解磨削加工，導(dǎo)電磨輪相對于工件的展成運(yùn)動必須是多軸聯(lián)動。展成運(yùn)動可分解為X、Y和Z向三個(gè)直線運(yùn)動分量以及繞Z軸和Y軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)動分量，其中前4個(gè)運(yùn)動分量需要X 軸聯(lián)動，最后一個(gè)為勻速轉(zhuǎn)動(圖1)。
　　圖1 導(dǎo)電磨輪的展成運(yùn)動
　　圖2 數(shù)控展成電解磨床的運(yùn)動分布
　　展成運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)
　　根據(jù)加工整體葉輪的要求，已設(shè)計(jì)、制造出多軸聯(lián)動數(shù)控電解磨床(獲國家實(shí)用新型專利，專利號:96231072.7)。該機(jī)床運(yùn)動機(jī)構(gòu)的功能如下(圖2):
　　導(dǎo)電磨輪相對于工件的Z軸方向直線運(yùn)動分量，由機(jī)床導(dǎo)電磨輪彈性支承帶動導(dǎo)電磨輪沿Z軸的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)(0.0005mm/脈沖)：
　　導(dǎo)電磨輪相對于工件的X 軸方向直線運(yùn)動分量，由機(jī)床工作臺帶動工件沿X 軸的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)(0.001mm/脈沖)：
　　導(dǎo)電磨輪相對于工件的Y軸方向直線運(yùn)動分量，由機(jī)床工作臺帶動工件沿Y軸的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)(0.001mm/脈沖)：
　　導(dǎo)電磨輪相對于工件的轉(zhuǎn)動分量，由機(jī)床工作臺轉(zhuǎn)盤繞其心軸Cw的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)，工件的分度運(yùn)動也由機(jī)床工作臺轉(zhuǎn)盤繞其心軸Cw的轉(zhuǎn)動來完成(0.001°/脈沖)：
　　導(dǎo)電磨輪的磨削運(yùn)動為繞Y軸的勻速轉(zhuǎn)動。
　　組合式多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)
　　在滿足公差要求的前提下，葉片上由型值點(diǎn)坐標(biāo)給出的型面有相當(dāng)一部分可以用直紋面來近似。所以這類零件的加工可以采用直線刃邊的展成加工來實(shí)現(xiàn)。在磨削加工過程中，導(dǎo)電磨輪沿各聯(lián)動軸分別作均勻進(jìn)給運(yùn)動(包括直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)動)，數(shù)控系統(tǒng)為各軸的驅(qū)動電動機(jī)均勻分配輸入脈沖。數(shù)控展成電解磨削加工的導(dǎo)電磨輪相對于工件的展成運(yùn)動，就是由數(shù)控系統(tǒng)控制步進(jìn)電動機(jī)帶動機(jī)床的運(yùn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
　　圖3 經(jīng)濟(jì)型多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)
　　該數(shù)控系統(tǒng)由經(jīng)濟(jì)型二軸數(shù)控單元組合而成，稱組合式多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)(圖3)。該設(shè)計(jì)思想的核心是以單個(gè)數(shù)控單元相對獨(dú)立地控制單個(gè)聯(lián)動軸，由多個(gè)單軸的簡單運(yùn)動組合成復(fù)雜的多軸聯(lián)動。而機(jī)床的多軸聯(lián)動主要通過獨(dú)特的數(shù)控編程方案來實(shí)現(xiàn):首先通過計(jì)算將導(dǎo)電磨輪軸線的運(yùn)動軌跡以運(yùn)動分量的形式分配給各聯(lián)動軸。然后為控制每根軸的數(shù)控單元確定一個(gè)共同的基準(zhǔn)軸，在此基礎(chǔ)上對各個(gè)數(shù)控單元分別編程，以保證每個(gè)數(shù)控單元具有相同的運(yùn)行周期，每個(gè)聯(lián)動軸具有相同的運(yùn)動時(shí)間。由于各數(shù)控單元之間是相對獨(dú)立的，它們在加工過程中同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床各軸的并行控制，這與集中式微處理器數(shù)控系統(tǒng)依靠分時(shí)進(jìn)行多軸控制的工作方式不同，是真正的多軸聯(lián)動。這樣，只要在加工開始的時(shí)候，使所有數(shù)控單元同時(shí)起動，即可按預(yù)定的運(yùn)動軌跡實(shí)現(xiàn)展成加工。為了達(dá)到各數(shù)控單元同時(shí)起動的目的，為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)制作了一個(gè)總的起動按鈕，在加工開始時(shí)刻按下該按鈕，統(tǒng)一的起動信號將同時(shí)傳送給組成系統(tǒng)的各數(shù)控單元，從而保證各數(shù)控單元同時(shí)起動。
　　這種組合式多軸聯(lián)動數(shù)控具有明顯的優(yōu)點(diǎn):
　　它可以十分方便地?cái)U(kuò)展以控制任意數(shù)目的聯(lián)動軸，并且可以加入額外的數(shù)控單元專門用于控制機(jī)床的輔助功能：
　　組成系統(tǒng)的每一個(gè)數(shù)控單元仍具有相當(dāng)程度的獨(dú)立性，可以依據(jù)加工需要分別對各數(shù)控單元的加工程序作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整：
　　它可以適用于各種數(shù)控加工機(jī)床。
　　該經(jīng)濟(jì)型多軸數(shù)控系統(tǒng)及其聯(lián)動控制方法獲國家發(fā)明專利(公開號:CN1155111A，2000 年11 月10 日批準(zhǔn))”
　　2 線接觸成形加工復(fù)雜曲面數(shù)學(xué)模型
　　一塊子包絡(luò)面?j的生成
　　由于受傳統(tǒng)的曲面加工和檢測方法的限制，至今大部分曲面還是用平行面截形線上的離散點(diǎn)來定義。一塊子包絡(luò)面?j，就是在一個(gè)回轉(zhuǎn)包絡(luò)面上含有兩條復(fù)雜曲面上的平面截形線。下面以圓錐磨輪為例，來建立形成?j子包絡(luò)面的磨輪軸線軌跡數(shù)學(xué)模型。顯然，只要使圓錐磨輪在移動中始終與這兩條截形線相切，這樣加工出來的曲面就必定會有這兩條截形線。對于用其它方法描述的復(fù)雜曲面，可以先擬合成一個(gè)孔斯(Cons)曲面，再用平行平面去截，同樣可得到一組截形線。
　　現(xiàn)把磨輪要保持相切的兩條平面截形線(以葉盆為例)定義為 { Z1=f1(x1)? { Z2=f2(x2)
　　Y1=C1 Y2=C2
　　式中:C1、C2為常數(shù)，若磨輪與這兩條截形線相切的切點(diǎn)坐標(biāo)分別為( X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)，則磨輪軸線運(yùn)動軌跡應(yīng)滿足方程
　　fj(X，Y，Z，gv，b0，X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2，R1，R2)= 0
　　式中:gv=gv(X)、b0=b0(X)是確定磨輪軸線的兩個(gè)方位角：R1、R2為圓錐磨輪的小頭和大頭的半徑(常數(shù))：X、Y、Z為磨輪軸線上的定點(diǎn)坐標(biāo)。
　　根據(jù)磨輪前端的約束條件通常為一空間曲面，故再增加一個(gè)約束方程
　　f(X，Y，Z)=0
　　又根據(jù)磨輪沿曲面平坦方向放置，且使磨輪按一定方向移動，因此可預(yù)先給出gv=gv(X)的變化規(guī)律。聯(lián)解上述方程組，便得到磨輪軸線運(yùn)動軌跡。磨輪如按此軌跡運(yùn)動便生成一塊子包絡(luò)面?j。該面是通過前后兩截形線的光滑曲面。
　　整體復(fù)雜曲面加工磨輪軌跡數(shù)學(xué)模型
　　上述討論僅僅解決了磨輪與前后兩條截形線相切的磨輪軌跡數(shù)學(xué)模型。實(shí)際上，只用兩條截形線來描述，即僅用最前最后兩條截形線來構(gòu)造一塊包絡(luò)面，那么中間截形線就可能與此包絡(luò)面有較大的偏差。經(jīng)過檢查，此偏離沒有超出答應(yīng)的誤差，當(dāng)然也是可以接受的。但這種情況沒有代表性，通常需要多個(gè)包絡(luò)面的拼合來逼近一個(gè)復(fù)雜曲面。此包絡(luò)面的拼合記為? ，其方程為Y=F(X，Z)。此時(shí)拼合面可以看作各子包絡(luò)面的拼集 ?= n ?j
　　U
　　j=1
　　式中n為拼合塊數(shù)。
　　此外，還要考慮前約束方程的建立、接口處的誤差控制、磨輪桿的干涉檢查、磨輪桿與鄰近曲面的干涉以及圓錐磨輪半徑和長度的確定等問題。
　　3 結(jié)語
　　通過采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，優(yōu)選出最佳工藝方案，機(jī)床的加工精度滿足整體葉輪的技術(shù)要求，表面粗糙度Ra0.8～0.2μm，加工效率比手工拋光高19倍左右。
　　數(shù)控展成電解磨削也可以加工一些具有復(fù)雜型面的高硬度的零件，例如各種硬合金刀具、量具、模具等。隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，一些尖端科學(xué)部門和新興工作領(lǐng)域的許多裝備常在高溫、高壓以及惡劣環(huán)境中工作。因而高硬、難熔及具有非凡物理性能的材料得到廣泛應(yīng)用，材料愈來愈難以加工。這必將為數(shù)控展成電解磨削這一新技術(shù)提供廣闊的應(yīng)用前景。