復(fù)雜流道電火花加工中的擺動進給
2016-12-16 來源：上海航天設(shè)備制造總廠 作者：劉曉 王曉娟 趙萬生 王煒 陳風(fēng)帆
摘要：葉輪類零件復(fù)雜流道電火花加工中普遍存在整體效率較低、加工狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。提出了電極擺動進給策略，通過調(diào)整電極進給各階段位姿，改善了加工區(qū)域前端工作液流場，擴大了加工過程中的蝕除產(chǎn)物排出空間。流道加工試驗證明了擺動進給可有效改善加工穩(wěn)定性，提高整體加工效率。
關(guān)鍵詞：擺動進給；復(fù)雜流道；電火花加工；加工效率；加工穩(wěn)定性
以閉式整體泵葉輪、渦輪盤為代表的葉輪類零件復(fù)雜流道加工， 是電火花加工的一種重要應(yīng)用，其核心是成形電極沿預(yù)先規(guī)劃的路徑進給，然后進行拷貝加工[1]。由于復(fù)雜流道彎曲狹窄，成形電極在進給過程的大部分階段，其加工狀況均類似深盲孔加工，沖液措施無法將工作液有效噴入，難以將蝕除產(chǎn)物迅速帶離電極前端的放電加工區(qū)域，因而易造成放電狀態(tài)不穩(wěn)定，產(chǎn)生拉弧、積碳等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工效率。對此，通常采用抬刀措施以改善蝕除產(chǎn)物的排出狀況。抬刀回退可分為兩個階段：首先，電極沿原進給路徑回退一定距離，此時，純凈的工作液從流道外部進入加工區(qū)域；然后，電極再次沿進給路徑前進， 將進入的工作液壓出加工區(qū)域，蝕除產(chǎn)物隨之被帶出。然而，額外的抬刀運動勢必影響整體加工效率。實際加工經(jīng)驗表明，在閉式葉盤類零件的電火花加工中， 抬刀措施不可避免，但抬刀的周期可根據(jù)加工狀況進行調(diào)整[2]。抬刀周期過短，會影響加工效率；抬刀周期過長，則難以有效改善加工穩(wěn)定性。
圖1 是閉式整體泵葉輪流道電火花加工示意圖。在成形電極進給運動過程中，電極與葉輪之間的距離狹窄彎曲，其間距略大于放電間隙，這意味著留給蝕除產(chǎn)物排出的區(qū)域非常有限；在確保不發(fā)生干涉的前提下， 擴大電極與葉輪之間的空間，將有助于改善蝕除產(chǎn)物的排出狀況，以達到適當(dāng)延長抬刀周期、提高加工效率的目的。對此，本文提出了電極擺動進給策略。
圖1 閉式整體泵葉輪電火花加工電極進給路徑
1. 電極擺動進給
電極擺動進給的目的在于擴大電極進給時其前端區(qū)域及側(cè)面區(qū)域的空間，為工作液的沖入提供空間。圖2 是電極擺動進給的流程。不失一般性，以圖1 所示電極進給運動的某階段為對象，闡述實施電極擺動進給的過程。
圖2 電極擺動進給運動流程圖
電極擺動進給的實施對象為描述電極運動路徑的數(shù)控代碼， 其可根據(jù)代碼行數(shù)分為若干階段。如圖3 所示，第i 階段的電極擺動進給，以該階段的電極位姿為初始狀態(tài)，以電極安裝孔圓心為旋轉(zhuǎn)中心，分別向C 軸正負(fù)方向、按一定的搜索步長調(diào)整電極姿態(tài)。每一步調(diào)整后，判斷電極與葉盤的干涉狀況，分別記錄C 軸正、負(fù)方向上發(fā)生干涉時的轉(zhuǎn)角，記為β1與β2，電極擺動進給量設(shè)置為δ1=η·β1，δ2=η·β2，其中，η 為擺動進給系數(shù)（0<η<1），其數(shù)值一般根據(jù)實際加工狀況選取，通常不超過0.5。未實施擺動進給時的第i 階段的數(shù)控代碼為：
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
設(shè)置進給搖動后的數(shù)控代碼為：
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci+δi1)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci-δi2)
G01X(xi)Y(yi)Z(zi)C(ci)
圖3 電極進給運動第i 階段的擺動進給
經(jīng)擺動進給后，電極前端及側(cè)面與葉盤的間距有所擴大，這為工作液帶離蝕除產(chǎn)物提供了較開闊的空間，有利于改善加工穩(wěn)定性和提高加工效率。
2 .電極擺動進給對極間流場的影響分析
為了更直觀地了解電極擺動進給對改善蝕除產(chǎn)物排出狀況的影響，采用計算流體力學(xué)方法分別對“無擺動進給”與“有擺動進給”兩種情況下的極間工作液流場分布進行模擬[3]。實際經(jīng)驗表明，電極抬刀回退在加工中不可避免。對于加工中的一次抬刀回退，蝕除產(chǎn)物的排出是通過抬刀的第二階段，即電極沿進給路徑再次向加工區(qū)域運動的過程中實現(xiàn)的。以抬刀的第二階段中某一時刻下，電極與工件之間的極間工作液介質(zhì)作為仿真幾何建模的對象，具體為：工件已完成第i階段加工，電極再次進給至第（i-1）階段時的位置姿態(tài)（圖4）。模型中的放電間隙設(shè)定為0.08 mm，極間工作液為液相不可壓縮流體， 密度為760 kg/m3，黏性系數(shù)為1.43×10-3 kg/(m·s)；流場穩(wěn)定后處于穩(wěn)態(tài)，流場物理量僅與空間坐標(biāo)有關(guān)，與時間無關(guān)。
圖4 電極擺動進給流場仿真建模
抬刀的第二階段，即電極向加工區(qū)域進給過程中，其端面對極間工作液形成具有一定速度的類似活塞運動，而工作液從電極側(cè)面與工件的間隙處向外部流出。為了簡化仿真模型，對邊界條件作如下設(shè)定：以電極端面為入口，入口邊界設(shè)置為速度入口，入口速度為電極向加工區(qū)域運動的速度，設(shè)置為0.2 m/s；以葉盤兩側(cè)邊緣為出口，出口邊界設(shè)置為自由流出。極間工作液視為層流，網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格。圖5 是無擺動進給與有擺動進給情況下，電極完成抬刀并再次向加工區(qū)域進給時的工作液流場速度云圖。對比可見，擺動進給時，加工區(qū)域前端形成了范圍更廣泛、速度更高的渦流，有助于停留在加工區(qū)域中的蝕除產(chǎn)物獲得更高的速度，進而離開加工區(qū)域。
圖5 有、無擺動進給下的加工區(qū)域前端流場分布
3. 電極擺動進給驗證實驗
為了驗證電極擺動進給對復(fù)雜流道電火花加工效率及穩(wěn)定性的影響，以圖1 所示的閉式整體泵葉輪為對象，分別采用“無擺動進給”和“有擺動進給”的方式加工單個流道。為盡量消除影響加工穩(wěn)定性的因素，工件材料選用電火花較易加工的模具鋼，電極材料選用POCO EDM-C3 滲銅石墨，放電規(guī)準(zhǔn)見表1[4]。在有、無擺動進給的對比實驗中，工件、電極材料與放電規(guī)準(zhǔn)完全一致。
表1 石墨電極加工模具鋼泵葉輪的放電規(guī)準(zhǔn)
圖6 是擺動進給對泵葉輪單個流道加工穩(wěn)定性及加工效率的影響。在加工穩(wěn)定性方面，電極無擺動進給加工時，只有當(dāng)抬刀周期T 縮短至1 s 時，才能保證穩(wěn)定加工，且在電極前端出現(xiàn)明顯的積碳點。當(dāng)電極增加擺動進給后，抬刀周期T=1.5 s 即可確保穩(wěn)定加工。
圖6 電極擺動進給對加工穩(wěn)定性及加工效率的影響
從圖6 還可看出，在加工效率方面，電極無擺動進給加工時， 抬刀周期T=1.5 s 時完成單個流道加工需耗時385 min；抬刀周期T=1 s 時加工單個流道需耗時467 min。當(dāng)電極增加擺動進給后，抬刀周期T=1.5 s 時完成單個流道加工僅需耗時326 min，與相同抬刀周期下的無擺動工況相比，加工效率提升了15.32 %，與穩(wěn)定加工的無擺動工況相比，加工效率提升了30.19 %。
為了進一步了解擺動進給對加工效率的影響，對電極進給運動過程中完成各運動階段所需的時間進行單獨分析。需要指出的是，在電極進給路徑規(guī)劃過程中，為了提高規(guī)劃效率，電極進給運動的早期，各階段間距較大；而后期電極運動空間較小時，各階段間距較小。這使得在整個電極進給運動中，完成各階段加工的用時并不相同。
圖7 是當(dāng)抬刀周期T=1.5 s 時，有、無擺動進給條件下，完成各相鄰運動階段所用的加工時間。可見，在電極進給運動的早期階段，擺動工況下的加工用時略高于無擺動工況。這是由于電極尚未深入流道，蝕除產(chǎn)物的排出并不困難，此時，擺動進給并未體現(xiàn)其功效，相反會占用一部分加工時間，影響加工效率。隨著加工的進行，電極逐漸深入流道，蝕除產(chǎn)物的排出狀況愈加惡劣，此時，擺動進給改善排屑狀況的作用開始顯現(xiàn)，各階段加工效率的提升幅度隨之上升；在執(zhí)行第24 階段運動時，擺動進給對單階段加工效率的提升幅度達到最高值40.3 %。由于電極進給至第25 階段時，流道被加工通暢，蝕除產(chǎn)物的排出狀況隨即改善，此時，擺動進給對單階段加工效率的提升程度有所下降，但擺動進給工況下的加工用時仍略低于無擺動工況。
圖7 擺動對電極進給各階段加工效率的影響
4 .結(jié)語
本文針對復(fù)雜流道電火花加工中整體效率較低、加工狀態(tài)不穩(wěn)定的情況，提出了電極擺動進給策略，在避免干涉的前提下，通過調(diào)整電極進給各階段的位姿，擴大電極與工件之間供蝕除產(chǎn)物排出的空間。仿真結(jié)果顯示，擺動進給可顯著改善加工區(qū)域前端的工作液流場；閉式整體泵葉輪流道加工試驗結(jié)果表明， 擺動進給可有效改善加工穩(wěn)定性，降低對抬刀周期的依賴； 隨著電極進給的深入，擺動進給對提高加工效率的作用愈加明顯。
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