整体叶轮叶片型面数控电解精加工的若干关键技术研究
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摘要
电解加工是整体叶轮的重要加工方法之一，现有的数控展成方法主要适用于直纹面或扭曲度不大的整体叶轮叶片加工，若用于自由曲面叶片整体叶轮加工，则加工误差较大。课题针对自由曲面整体叶轮叶片的加工难题，以提高叶片加工精度、加工稳定性和工作效率为研究目的，对整体叶轮叶片电解加工中的加工工艺、成形规律、阴极设计、加工路径规划、加工参数选择、加工过程故障诊断以及数字化制造等关键技术开展了研究。
首先，开展了自由曲面整体叶轮电解加工工艺研究，提出了适用于自由曲面整体叶轮叶片加工的组合电解加工工艺，该工艺将叶片加工分为叶间通道加工、叶片精加工等多道工序，采用不同的加工方法满足自由曲面叶片加工要求。在叶间通道加工中采用了分步分区加工方法，并以φ600mm压气机叶轮为试验对象进行了试验，对叶间通道的加工方法进行了验证。以φ240mm整体涡轮为试验对象开展了自由曲面叶片精加工工艺试验，设计了开式叶片成形阴极电解精加工装置，采用脉冲电源和加工参数优化实现了小间隙加工，还运用了误差补偿法对阴极加工型面进行修正，提高了叶片加工精度，实现了自由曲面整体叶轮叶片电解精加工。
其次，研究了整体叶轮数字化制造技术，开发了用于整体叶轮电解加工的数字化制造软件。在数值模拟研究中对电解加工过程进行离散，采用有限元法计算离散过程中加工间隙的电场分布及溶解量，从而模拟出零件的加工表面；开发了电解加工的数值模拟软件，运用该数值模拟软件辅助整体叶轮的工艺分析、阴极设计、加工参数优化。采用基于约束与尺寸驱动的方法实现了整体叶轮电解加工运动仿真，开发了运动仿真软件，利用该软件进行整体叶轮的加工路径规划、数控加工编程、加工误差分析。在整体叶轮的电解加工工艺研究中利用数字化制造软件进行设计与分析提高了阴极设计的成功率、加工参数选择的准确性。
最后，研究了电解加工参数选择的方法，把加工参数的选择分为初选与优化两个阶段，先利用工艺数据库进行参数选择，再用模拟软件进行优化，加工参数准确选择提高了叶片加工精度。加强了对叶片电解加工过程的自动监控，建立了叶片加工过程故障诊断系统，利用加工电流、加工压力信息，经过特征提取、模式学习、故障判断等过程实现了加工过程监控和加工故障诊断，起到保护零件和阴极目的，提高了整体叶轮电解加工的稳定性和可靠性。
研究结果表明，课题中采用的整体叶轮组合电解加工工艺是可行的，其分步分区法叶间通道加工方法使叶背与叶根的加工精度得到明显提高，成形阴极精加工后的叶片精度达到了
±0.1mm，叶片一致性和表面质量好。
The electrochemical machining (ECM) is one of main processes which are used toprocess integral impeller. The available NC Contour Evolution ECM methods aresuitable for the machining of the integral impeller with ruled surface or small angel twistblade. If they are used to process the free-from surface blade and the accuracy can notmeet the requirement. In order to process free-from surface blade of the integral impellerand increase its machining accuracy, stability and work efficiency, the research of the keytechnologies of the blade precision machining have been carry out. It includes: ECMprocess, shape law, cathode design, cutting path planning, process parameter selection,trouble diagnosis and the digital manufacture technology.
Firstly，the blade machining process is researched, a combination ECM process forfree-from surface blade is proposed, which divides the blade process to rough and finishworking procedures, and the different method is applied to meet shape and precisiondemand. In processing of the blisk tunnel, the new method, fractional step, is applied toprocess600mm integral impeller. In the study of the finely process of the free-fromsurface blade the shape cathode is adopted. In order to verify the new process, the
240mm integral turbine is selected as the test object. For this purpose, the processdevice with open structure has been developed, the pulse generator is used to achieve thesmall machining gape and the error compensation is adopted to reduce the machiningerror arise from the uniformity of the machining gap. The application of the abovemethods increases the machining accuracy of the blade.
Then, the digital manufacture technology of impeller digital has been carried out.The ECM simulation method based on numerical calculation and process discretization ispresented in the paper. It uses finite element method to calculate the eclectic field,dissolution displacement and simulate the machined surface. The simulation software isdeveloped and applied to process analysis, cathode design, machining parameteroptimization in machining of the integral impeller. The component constrains anddimension drive methods are used to realize the motion simulation. The motionsimulation software is developed and applied to tool path planning, NC programming,error analysis. In the process of the integral impeller, the application of the digitalmanufacturing software increase the success rate of cathode design, the precision ofparameter selection and work efficiency.
Finally, the selection method of process parameter is developed and it includes twostep, initial selection and optimization. The initial process parameter is selected by theaid of ECM database and then it is optimized by the simulation. The precise selection ofthe ECM parameter increases the accuracy of the blade. In order to improve themachining stability of integral impeller the trouble diagnosis system has been setup,which extracts the sensitive information from the machine current and electrolytepressure signals, then recognizes the machine pattern and judge the trouble. Thediagnosis system can avoid the damage caused by the trouble and protect the work piece.
The research results show that the combination ECM process of the integralimpeller is feasible. The fractional-step method effectively increases the machiningprecision of blade root and blade back in machining of the blisk tunnel. The machiningaccuracy of the final machining blades increases to0.1mm. The blades have goodsurface finish and higher level of consistency.
首先，开展了自由曲面整体叶轮电解加工工艺研究，提出了适用于自由曲面整体叶轮叶片加工的组合电解加工工艺，该工艺将叶片加工分为叶间通道加工、叶片精加工等多道工序，采用不同的加工方法满足自由曲面叶片加工要求。在叶间通道加工中采用了分步分区加工方法，并以φ600mm压气机叶轮为试验对象进行了试验，对叶间通道的加工方法进行了验证。以φ240mm整体涡轮为试验对象开展了自由曲面叶片精加工工艺试验，设计了开式叶片成形阴极电解精加工装置，采用脉冲电源和加工参数优化实现了小间隙加工，还运用了误差补偿法对阴极加工型面进行修正，提高了叶片加工精度，实现了自由曲面整体叶轮叶片电解精加工。
其次，研究了整体叶轮数字化制造技术，开发了用于整体叶轮电解加工的数字化制造软件。在数值模拟研究中对电解加工过程进行离散，采用有限元法计算离散过程中加工间隙的电场分布及溶解量，从而模拟出零件的加工表面；开发了电解加工的数值模拟软件，运用该数值模拟软件辅助整体叶轮的工艺分析、阴极设计、加工参数优化。采用基于约束与尺寸驱动的方法实现了整体叶轮电解加工运动仿真，开发了运动仿真软件，利用该软件进行整体叶轮的加工路径规划、数控加工编程、加工误差分析。在整体叶轮的电解加工工艺研究中利用数字化制造软件进行设计与分析提高了阴极设计的成功率、加工参数选择的准确性。
最后，研究了电解加工参数选择的方法，把加工参数的选择分为初选与优化两个阶段，先利用工艺数据库进行参数选择，再用模拟软件进行优化，加工参数准确选择提高了叶片加工精度。加强了对叶片电解加工过程的自动监控，建立了叶片加工过程故障诊断系统，利用加工电流、加工压力信息，经过特征提取、模式学习、故障判断等过程实现了加工过程监控和加工故障诊断，起到保护零件和阴极目的，提高了整体叶轮电解加工的稳定性和可靠性。
研究结果表明，课题中采用的整体叶轮组合电解加工工艺是可行的，其分步分区法叶间通道加工方法使叶背与叶根的加工精度得到明显提高，成形阴极精加工后的叶片精度达到了
±0.1mm，叶片一致性和表面质量好。
The electrochemical machining (ECM) is one of main processes which are used toprocess integral impeller. The available NC Contour Evolution ECM methods aresuitable for the machining of the integral impeller with ruled surface or small angel twistblade. If they are used to process the free-from surface blade and the accuracy can notmeet the requirement. In order to process free-from surface blade of the integral impellerand increase its machining accuracy, stability and work efficiency, the research of the keytechnologies of the blade precision machining have been carry out. It includes: ECMprocess, shape law, cathode design, cutting path planning, process parameter selection,trouble diagnosis and the digital manufacture technology.
Firstly，the blade machining process is researched, a combination ECM process forfree-from surface blade is proposed, which divides the blade process to rough and finishworking procedures, and the different method is applied to meet shape and precisiondemand. In processing of the blisk tunnel, the new method, fractional step, is applied toprocess600mm integral impeller. In the study of the finely process of the free-fromsurface blade the shape cathode is adopted. In order to verify the new process, the
240mm integral turbine is selected as the test object. For this purpose, the processdevice with open structure has been developed, the pulse generator is used to achieve thesmall machining gape and the error compensation is adopted to reduce the machiningerror arise from the uniformity of the machining gap. The application of the abovemethods increases the machining accuracy of the blade.
Then, the digital manufacture technology of impeller digital has been carried out.The ECM simulation method based on numerical calculation and process discretization ispresented in the paper. It uses finite element method to calculate the eclectic field,dissolution displacement and simulate the machined surface. The simulation software isdeveloped and applied to process analysis, cathode design, machining parameteroptimization in machining of the integral impeller. The component constrains anddimension drive methods are used to realize the motion simulation. The motionsimulation software is developed and applied to tool path planning, NC programming,error analysis. In the process of the integral impeller, the application of the digitalmanufacturing software increase the success rate of cathode design, the precision ofparameter selection and work efficiency.
Finally, the selection method of process parameter is developed and it includes twostep, initial selection and optimization. The initial process parameter is selected by theaid of ECM database and then it is optimized by the simulation. The precise selection ofthe ECM parameter increases the accuracy of the blade. In order to improve themachining stability of integral impeller the trouble diagnosis system has been setup,which extracts the sensitive information from the machine current and electrolytepressure signals, then recognizes the machine pattern and judge the trouble. Thediagnosis system can avoid the damage caused by the trouble and protect the work piece.
The research results show that the combination ECM process of the integralimpeller is feasible. The fractional-step method effectively increases the machiningprecision of blade root and blade back in machining of the blisk tunnel. The machiningaccuracy of the final machining blades increases to0.1mm. The blades have goodsurface finish and higher level of consistency.
引文
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