大型精密六轴联动数控电火花成形机床的研发应用

近年来，随着航天航空、军工、能源领域的重型运载火箭、大型能源压缩机等产品快速发展，众多大型型面空间扭曲类关键零件需求不断增多，如大型闭式涡轮盘、大型整体闭式叶轮、整体带冠涡轮盘等。这类零件是发动机、大型压缩机的“心脏”零件，具有型面空间扭曲较大、结构复杂、特殊材质、超硬、耐高温等特点，使用普通机床难以完成，电火花加工则有着巨大的技术优势。

　　北京市电加工研究所针对航天领域重型运载火箭发动机大型带叶冠整体式涡轮盘、带叶冠导向环和喷嘴叶栅环，能源领域整体闭式叶轮等关键零件的制造难题，借助国家相关科技专项的支持，在自主知识产权五轴联动电火花加工机床及叶轮等特殊零件电火花加工技术的基础上，突破装备技术、电源开发、软件开发、加工工艺、装配、检测等技术“瓶颈”，研发了国内首台大型精密六轴联动数控电火花成形加工机床(见图1)及工艺技术，为航天航空、军工、能源等领域提供了关键制造装备，并可推广至模具、汽车等领域中。

　　一、产品主要技术参数、性能和特点

　　1. 机床技术参数

　　机床部分技术参数见下表。

　　2．机床主要性能

　　(1)具备六轴数控、六轴联动功能。

　　(2)具备数控系统集成三维CAD/CAM软件，实现编程加工无缝连接功能。

　　(3)具备带冠涡轮盘、整体闭式叶轮等复杂结构的电火花成形加工功能。

　　(4)具备加工钛合金、高温耐热合金等难加工材料的电火花成形加工功能。

　　3. 机床主要特点

　　(1)六轴联动大型电火花机床行程大，保证大型涡轮盘的加工空间。

　　(2)采用六轴联动加工，可减少电极设计数量，减少装夹次数，降低因反复装夹产生的精度损失。

　　(3)采用六轴联动编程加工，电极可实现更复杂轨迹运动。

　　(4)大功率的脉冲电源实现高效快速的去除，提高加工效率。

　　二、关键技术研究内容及创新点

　　1. 研发大型数控电火花成形机床主机及关键部件

　　研发的大型精密六轴联动数控电火花成形机床主机(ZL201410150558.8，ZL201520382510.X)采用倾斜滑板式结构，有效改善了现有机型的结构动态特性，保证了设备的加工精度。

　　通过CAD/CAE建模仿真分析、基于多体运动学理论的电火花机床几何误差分析、热-结构耦合变形分析等技术的应用，从设计阶段保证了机床的高精度和持续改进；通过在制造加工环节进行材料优选、热处理、选取合适的加工方法及在线检测等手段，保证各零部件的加工精度；在装配环节，通过优化装配顺序、严格控制装配误差等，保证机床各部分完美配合，达到设计精度要求。机床主机结构如图2所示。

　　各轴系采用自主设计的全闭环控制技术，该技术可对各种干扰和非线性因素对运动轴位移产生的影响进行有效的动态校正，使任何时刻运动轴的实际位移时时跟随设定值变化，因而可以保证机床具有非常高的动、静态精度。

　　此外，针对重型运载火箭发动机带叶冠整体式涡轮盘及环形件、大型压缩机整体闭式叶轮的大件加工需求，开发出直径600mm以上的大型直驱全浸液电火花专用数控转台(ZL201621416804.0)，密封等级IP68。该全浸液转台定位精度0.0014°，满足这类零件精度需求。

　　2. 研发电火花专用Windows+RTX六轴数控系统

　　研发出基于Windows系统的六轴联动开放式数控系统(2016SR084163)，通过RTX实时内核补丁插件实现Windows下的实时任务调度。基于高性能的X86处理器，研发了包含COMExpress模块和COMExpress载板的数控主板，满足控制算法及集成CAD/CAM对数控系统性能的需求。

　　基于高性能FPGA，实现运动/放电一体化控制卡的开发，提升放电控制和运动控制协同算法的并行性能和实时性能。

　　基于Windows+RTX开发出实时系统、六轴矢量分配插补算法，实现了电火花加工六轴联动回退、抬刀、摇动等功能，实现了CAD/CAM系统与数控系统的全集成，能够实现编程加工无缝连接，提升了数控系统的灵活性和电火花加工机床的易用性。数控系统硬件如图3所示， Windows六轴数控系统界面如图4所示。

　　3. 研发六轴联动CAD/CAM系统

　　六轴联动CAD/CAM系统(2018SR037238)可用于解决复杂曲面零件(如整体闭式叶轮或涡轮盘类零件)的电极设计和轨迹仿真。该系统可极大地提高电极设计效率，缩短该类零件的加工周期，可嵌入到大型专业三维CAD软件，接口方便快捷。运用该系统能快速检测所设计电极的合理性，自动优化电极轨迹，通过不断的模拟仿真进而不断完善电极设计。电极和轨迹优化完成后可一键自动生成电火花加工G代码，极大地提高编程效率，节约了大量的人工成本。图5是数控系统集成CAD/CAM界面，图6是CAM仿真系统。

　　基于EROWA、3R等多个系列的标准夹具产品建立了夹具库，将现有的N系列、B系列、M系列电火花成形机床的三维模型集成到CAD/CAM系统中，形成机床数据库，能够满足虚拟加工的快速装夹及加工仿真需求。

　　基于CAD/CAM API接口的网络通信软件开发，实现客户端与服务器端的通信连接及系统控制功能。开展了基于网络的CAD/CAM系统License授权管理软件开发，用户可以通过License授权进行访问CAD/CAM系统云端服务平台以获得相应服务，从而保证用户访问服务平台的有效性。

　　4. 研发高效率大功率脉冲电源

　　针对重型运载火箭发动机带冠涡轮盘及环形件加工去除量较大，而电火花加工效率较低的特点，开发了大功率PWM开关电源(见图7)，采用叠层母线主回路设计(见图8)，显著降低放电寄生电感；研发了SiCMOSFET的纳米级低损耗加工模块和终端增爆模块，开发的高效率大功率脉冲电源，经国家机床质量监督检验中心检验，脉冲电源最大加工电流200A，电机驱动精度0.1μm，驱动当量0.1μm。

　　对POCO的EDM-AF5、EDM-C3、EDM-3三种型号的石墨电极材料进行分析和大量工艺试验，构建了石墨材料加工工艺数据库，采用新型加工回路，实现了1000mm3/min以上的钛合金高效率加工和2000mm3/min以上的模具钢高效加工。

　　5.开展大型六轴联动电火花加工工艺技术

　　开展了大型电火花加工机床六轴联动的工艺试验，制定了基于球面的变深度、变截面的S形曲线六轴联动电火花加工工艺方法，并完成了试件的加工。开展了基于六轴联动电火花加工装备的重型运载火箭发动机钛合金、高温耐热合金整体带冠涡轮盘(ZL201310000946.3、ZL201610053352.2)、大型压缩机整体闭式叶轮与结构复杂的薄壁件、环形件的智能化电火花高效加工工艺技术研究，建立了工艺数据库。同时完成了大型压缩机整体闭式叶轮的工艺设计规范和验证，形成了企业标准。

　　三、成果应用及推广情况

　　本项目研发的大型智能精密六轴联动电火花成形装备，突破了大型六轴联动电加工机床及工艺关键核心技术，可解决以重型运载火箭发动机带叶冠整体式涡轮盘、喷嘴叶栅环及复杂薄壁件、大型压缩机整体闭式叶轮等复杂形状零件为代表的大型关键零部件加工，解决了加工“瓶颈”问题。

　　应用项目成果，为航天领域完成了多种型号的带叶冠整体涡轮盘的加工，解决了重型运载火箭发动机涡轮盘叶片扭曲度高、尺寸大、精度要求高、表面质量要求高等问题，并推广至航空、船舶、汽车发动机复杂零件加工、复杂模具加工等国防军工与民用领域，推动了其所在行业的技术进步；同时，利用项目成果，形成了系列化大型牛头电火花机床新产品，已成功用于中国航发南方工业有限公司、苏州中悦百毅光电科研开发有限公司、南京欧霸机电有限公司、宁波方正汽车模具有限公司等单位，提高了用户的市场竞争力，降低了生产成本。

　　应用项目成果加工的透平压缩机、发动机用整体闭式叶轮、导行转子等关键零件，都是这些单位所承担的国家国防重大项目涉及的零件以及重大技术攻关项目应用零件，解决了这些单位所承担的国家国防重大项目中关键技术难题，为国家重要基础设施建设、能源等领域技术进步提供了重要支撑。

　　与此同时，通过项目研发，推动了我国大型精密六轴联动数控电火花成形装备在设计、制造、加工工艺等方面的技术突破，增强了我国大、精、尖装备的创新能力。同时，项目所开发的技术，将为类似电火花成形机床的开发提供技术支撑，也将进一步提升企业技术创新能力及市场竞争力。