近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外電解加工技術(shù)人員十分重視電解加工的數(shù)字化制造技術(shù)研究，對(duì)電解加工中的CAD/CAE/CAM、加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了葉片的電解加工CAD/CAE/CAM專家系統(tǒng)框架;開(kāi)發(fā)了陰極設(shè)計(jì)的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電解加工的仿真.這些研究成果主要集中在電解加工的單元技術(shù)方面，為加工技術(shù)平臺(tái)的構(gòu)建提供了技術(shù)支撐;但其局限于只能針對(duì)特定零件的加工，通用性差，沒(méi)有形成系統(tǒng)化、集成化的電解加工應(yīng)用系統(tǒng).本文在對(duì)數(shù)控電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)構(gòu)建了整體構(gòu)件數(shù)控電解加工CAD/CAM技術(shù)平臺(tái)(簡(jiǎn)稱加工平臺(tái))，下面主要介紹其構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用.

　　1加工平臺(tái)構(gòu)建

　　加工平臺(tái)體系構(gòu)成如圖1所示，其平臺(tái)分為3層結(jié)構(gòu)：上層為表示層，包括加工零件逆向建模、數(shù)據(jù)處理、陰極設(shè)計(jì)、數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真、自動(dòng)編程和零件測(cè)量接口界面;中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，包括幾何建模、數(shù)據(jù)處理、有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真、加工編程和參數(shù)優(yōu)化單元技術(shù)模塊;下層為數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索等功能.

　　圖1加工平臺(tái)構(gòu)成

　　2加工平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能

　　在電解加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，曲面建模與數(shù)據(jù)處理、陰極設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)選擇、加工路徑規(guī)劃與數(shù)控加工編程是電解加工的幾大難點(diǎn)，構(gòu)建加工平臺(tái)就是通過(guò)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究解決這些難題，達(dá)到快速、高效的目的.該加工平臺(tái)是圍繞電解加工的難點(diǎn)建立起來(lái)的，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：1)零件建模與數(shù)據(jù)處理;2)電解加工模擬與陰極設(shè)計(jì);3)加工參數(shù)選擇與優(yōu)化;4)數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真與加工編程;5)零件測(cè)量與誤差分析.

　　3加工平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1參數(shù)化與特征建模技術(shù)

　　參數(shù)化建模、特征建模和變量化建模是當(dāng)今CAD建模的主流技術(shù).整體構(gòu)件通常由基本特征與特殊結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于基本特征的造型，CAD軟件都具有這些基本功能;對(duì)于整體構(gòu)件的特殊結(jié)構(gòu)的造型，則需要利用CAD軟件提供的開(kāi)放接口以及整體構(gòu)件加工表面的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)而成.下面以圖2所示的整體葉輪葉片參數(shù)化建模為例進(jìn)行說(shuō)明.

　　圖2葉片參數(shù)化建模

　　葉片參數(shù)化建模首先要建立葉片的網(wǎng)格模型，通常葉片的網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)如圖2a所示.它把葉片沿徑向分成n個(gè)跨距層，每層上有一個(gè)控制點(diǎn)，在葉片的軸向上又分為m個(gè)切片層，這樣就有n×m個(gè)控制點(diǎn).利用這些控制點(diǎn)構(gòu)造葉片的網(wǎng)格線，再由網(wǎng)格線構(gòu)造曲面，然后在網(wǎng)格面上疊加上葉片的厚度分布，就形成了葉片輪廓，建好的葉片模型如圖2b所示.葉片的參數(shù)由控制點(diǎn)的數(shù)目決定，實(shí)際應(yīng)用中可以固定部分邊界點(diǎn)，以減少葉片的參數(shù)數(shù)量.

　　3.2 電解加工物理過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)

　　電解加工的過(guò)程非常復(fù)雜，加工成形受到電場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度等影響.研究表明，電解加丁的成形形狀主要與陰極刃口形狀、加工運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān);加工精度與電場(chǎng)、流場(chǎng)分布，進(jìn)給速度等參數(shù)有關(guān).本加工平臺(tái)運(yùn)用電解加工理論模型，采用過(guò)程離散法和連續(xù)有限元計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的物理模擬，真實(shí)地模擬了整個(gè)電解加工的物理過(guò)程，利用它可輔助設(shè)計(jì)陰極、優(yōu)化加工參數(shù)、預(yù)測(cè)加工形狀.

　　電解加工物理過(guò)程模擬首先要建立加工的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)加工原理把電解加工的連續(xù)加工過(guò)程用微分方程表示，即

　　 (1)

　　其中，為電解加工中溶解速度，方向?yàn)槿芙饷娴姆ň€方向;dt為時(shí)間增量;dl為dt出時(shí)間內(nèi)的溶解位移增量.

　　為了求解方程式(1)，把整個(gè)電解加工過(guò)程按加工時(shí)間離散成若干個(gè)連續(xù)的微小加工區(qū)間.加工過(guò)程的離散方法如下：

　　設(shè)為總的電化學(xué)加工時(shí)間，對(duì)以Δt為時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行離散，則得到的一個(gè)時(shí)間序列以時(shí)間序列中每一個(gè)時(shí)刻為計(jì)算點(diǎn)計(jì)算陽(yáng)極溶解面的位置，則工件陽(yáng)極溶解面在△t內(nèi)的位移為　　 (2)

　　由式(2)可知，陽(yáng)極溶解面從到位置為

　　 (3)

　　其中α為溶解速度與X方向的夾角.

　　設(shè)時(shí)刻陰極送進(jìn)速度為，則陰極從到時(shí)刻的位置為

　　 (4)

　　其中ψ為送進(jìn)速度與X方向的夾角.

　　式(3)(4)即為仿真過(guò)程中陽(yáng)極溶解表面和陰極位置的遞推計(jì)算公式.根據(jù)它們可以計(jì)算陽(yáng)極溶解表面和陰極在加工過(guò)程中任何時(shí)刻的位置，再以此時(shí)刻的陰極和陽(yáng)極位置計(jì)算加工間隙中的電場(chǎng)和流場(chǎng)，以此類推，最后計(jì)算出陽(yáng)極溶解表面的最終加工形狀.

　　3.3 電解加工數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)

　　數(shù)控電解加工軌跡來(lái)自機(jī)床各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的合成，整體構(gòu)件的電解加工常采用展成法.該加工平臺(tái)根據(jù)數(shù)控電解加工原理，結(jié)合本課題組所用的五坐標(biāo)電解加T機(jī)床的運(yùn)動(dòng)形式，采用基于裝配約束與尺寸驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)了電解加工數(shù)控運(yùn)動(dòng)的模擬，并對(duì)加工過(guò)程的運(yùn)動(dòng)干涉、過(guò)切進(jìn)行檢驗(yàn).加工仿真運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示.

　　圖3數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　加工過(guò)程運(yùn)動(dòng)仿真首先在CAD/CAM系統(tǒng)中建立電解加工機(jī)床的模型，以及部件之間的裝配與約束關(guān)系;然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立與裝配模型對(duì)應(yīng)的虛擬裝配的數(shù)據(jù)模型，并對(duì)裝配模型樹進(jìn)行遍歷，以獲取模型中各個(gè)部件的標(biāo)識(shí)，對(duì)機(jī)床坐標(biāo)軸的各個(gè)部件進(jìn)行直線位移或坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換.一般數(shù)控CAM系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)加工路徑仿真，但并不能模擬出陰極去除材料的情況.本加工平臺(tái)開(kāi)發(fā)的數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真軟件不僅可實(shí)現(xiàn)加工材料的去除，還可以根據(jù)不同的加工機(jī)床任意指定加工坐標(biāo)軸，通過(guò)讀入程序或者編程實(shí)現(xiàn)電解加工過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真.

　　3.4 電解加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

　　電解加工參數(shù)影響電解加工精度，加工參數(shù)包括電解液類型、濃度、溫度、加工進(jìn)給速度、加工電壓、工作壓力等.加丁參數(shù)優(yōu)化首先在建立的電解加工數(shù)據(jù)庫(kù)上利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能工具進(jìn)行加工模式識(shí)別選擇初始的加工電壓、進(jìn)給速度，再采用模擬工具對(duì)初選的電解加工參數(shù)進(jìn)行模擬，修正參數(shù)，以獲取最優(yōu)的電解加工參數(shù).電解加工參數(shù)優(yōu)化過(guò)程如圖4所示.

　　圖4電解加工參數(shù)優(yōu)化過(guò)程

　　加工的初始參數(shù)利用ATR-2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇，它的作用是進(jìn)行模式識(shí)別，在電解加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找與工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中已有模式最匹配的參數(shù)，若沒(méi)有模式相匹配，則建立一個(gè)新模式.利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所識(shí)別的參數(shù)作為加工模擬的初始參數(shù)值，可以減小加工模擬及修正的次數(shù)，提高效率.

　　4應(yīng)用實(shí)例

　　4.1整體葉輪加工應(yīng)用

　　將加工平臺(tái)應(yīng)用于某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的φ600mm大直徑整體葉輪數(shù)控電解加工中.該整體葉輪葉片數(shù)目為79個(gè)，它的電解加工分為葉背、葉盆和葉根圓加工3道工序.本文利用整體構(gòu)件數(shù)控電解加工CAD/CAM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了葉片電解加工的數(shù)據(jù)處理、建模、提取工藝數(shù)據(jù)、路徑規(guī)劃與數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真，加工編程等功能.

　　1)數(shù)據(jù)處理與建模

　　利用葉片型值點(diǎn)數(shù)據(jù)在電解加工CAD/CAM系統(tǒng)上進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，逆向建模.葉片模型與數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖5a所示，采用樣條曲線對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，構(gòu)造葉片的網(wǎng)格模型，再利用網(wǎng)格構(gòu)造曲面，由曲面構(gòu)成實(shí)體葉片，建立的整體葉輪幾何模型如圖5b所示.

　　圖5整體葉輪數(shù)據(jù)處理與建模

　　2)工藝數(shù)據(jù)提取

　　利用平臺(tái)的切片功能實(shí)現(xiàn)葉片的加工工藝數(shù)據(jù)提取.首先獲取整體葉輪葉片CAD模型的特征標(biāo)識(shí)，再建立切割乎面、切割葉片、拾取葉片工藝數(shù)據(jù)，將其作為葉片加工仿真、編程計(jì)算的原始數(shù)據(jù).

　　3)數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真

　　整體葉輪葉片電解加工采用展成法，根據(jù)該葉片的幾何模型進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，生成數(shù)控運(yùn)動(dòng)的軌跡，并在仿真環(huán)境中設(shè)置各坐標(biāo)軸，進(jìn)行仿真.CAD/CAM技術(shù)平臺(tái)數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)如圖6所示.

　　圖6數(shù)控電解加工仿真平臺(tái)

　　葉片加工的數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真包括葉盆、葉背、葉根加工對(duì)刀，讀取數(shù)據(jù)、計(jì)算、仿真等步驟，數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真的部分控制界面如圖7a所示.葉片仿真在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中檢驗(yàn)數(shù)控運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性，同時(shí)檢查加工過(guò)程中陰極與零件之間的運(yùn)動(dòng)干涉.整體葉輪葉片數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖7b所示.

　　圖7葉片加工數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真

　　4)數(shù)控加工自動(dòng)編程

　　數(shù)控加工編程在加工模擬正確的基礎(chǔ)上，針對(duì)所運(yùn)用的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)類型進(jìn)行相應(yīng)的后置處理，本機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)由5個(gè)二軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)組成，采用虛擬軸彬軸控制機(jī)床五軸的同步性，系統(tǒng)自動(dòng)生成的加工程序格式如下：

　　N0030 C01 F2.000

　　N0040 X-1.049 Y-0.309 Z1.000 CW-0.211

　　CT0.000 W2.000

　　N0050 X-1.056 Y-0.303 Z1.000 CW-0.210

　　CT0.000 W2.000

　　N0060 X-1.067 Y-0.297 Z1.000 CW-0.213

　　CT0.000 W2.000

　　其中w為虛擬軸坐標(biāo)，其設(shè)置值要大于其他5個(gè)軸的值，編程的控制界面如圖7a所示.

　　實(shí)際應(yīng)用表明，在過(guò)去的整體葉輪加工試驗(yàn)中，加工工藝設(shè)計(jì)及其裝備制造時(shí)間約為5～6個(gè)月，加工試驗(yàn)時(shí)間約為2～3個(gè)月，試驗(yàn)次數(shù)多.在利用CAD/CAM平臺(tái)之后，所需的加工試驗(yàn)次數(shù)明顯減少，該葉輪的葉片只進(jìn)行了3次加工試驗(yàn)就達(dá)到了加工工序要求，試制周期減少至3個(gè)月左右，時(shí)間大大縮短.

　　4.2壓氣機(jī)靜子加工應(yīng)用

　　將本文的加工平臺(tái)應(yīng)用于某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子的氣流通道加工中.壓氣機(jī)靜子的形狀為一個(gè)閉式的整體構(gòu)件，電解加工的氣流通道為異形，如圖8a所示.下面主要介紹利用CAD/CAM技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行電解加工陰極設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化.

　　圖8壓氣機(jī)靜子與加工陰極

　　1)陰極設(shè)計(jì)

　　利用CAD/CAM技術(shù)平臺(tái)的電解加工過(guò)程模擬模塊實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)過(guò)程包括陰極、工件邊界的繪制、加工過(guò)程的模擬，誤差計(jì)算、陰極形狀修整、再模擬、形狀擬合、數(shù)據(jù)輸出等.陰極設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境如圖9所示，其中還包括加工過(guò)程模擬、仿真計(jì)算、誤差分析等功能.

　　圖9陰極設(shè)計(jì)軟件環(huán)境

　　利用模擬模塊對(duì)壓氣機(jī)靜子的型腔加工過(guò)程進(jìn)行模擬，圖10所示為陰極送進(jìn)到78mm時(shí)電場(chǎng)有限元分析的瞬間過(guò)程，模擬過(guò)程自動(dòng)完成，整個(gè)加工過(guò)程需要經(jīng)過(guò)780輪有限元計(jì)算.

　　圖10電場(chǎng)有限元求解過(guò)程

　　利用模擬系統(tǒng)對(duì)初始設(shè)計(jì)的陰極形狀進(jìn)行了多次模擬，對(duì)陰極成形面進(jìn)行了多次修正，最終獲得陰極外形數(shù)據(jù).利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行陰極設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)模擬設(shè)計(jì)的陰極幾何形狀如圖8b所示.

　　2)加工參數(shù)優(yōu)化

　　利用模擬系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的加工參數(shù)主要是加工電壓和進(jìn)給速度.改變這2個(gè)參數(shù)是加工中調(diào)節(jié)加工間隙的主要方法，它們影響加工成形的精度與效率.加工電壓和進(jìn)給速度對(duì)成形精度的影響雖然在理論上不能精確計(jì)算，但可以通過(guò)電解加工模擬系統(tǒng)得到加工電壓、進(jìn)給速度恰當(dāng)?shù)闹担迷搮?shù)值加工既能夠獲得一定的精度又能夠獲得最大的效率.表1所示為用不同加工電壓進(jìn)行加工過(guò)程數(shù)值模擬得到的加工間隙分布，從表中可以得到加工電壓對(duì)加工間隙的影響.

　　采用同樣的方法可以模擬加工速度對(duì)加工間隙分布的影響.通過(guò)多次加工模擬使加工參數(shù)得到了優(yōu)化，最終加工參數(shù)為加工電壓為14V;進(jìn)給距離在0～50mm內(nèi)進(jìn)給速度為2.4mm/min，進(jìn)給距離在50～78 mm內(nèi)進(jìn)給速度為2.2 mm/min.

　　試驗(yàn)表明，采用上述優(yōu)化的加工參數(shù)進(jìn)行加工，在整個(gè)加工面上得到的加工間隙范圍為0.373～0.571 mm.在零件幾十個(gè)型腔的電解加工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生加工短路現(xiàn)象，加工過(guò)程穩(wěn)定，得到的加工形狀精度滿足加工工序要求.

　　5 結(jié)論

　　1)整體構(gòu)件數(shù)控電解加工CAD/CAM技術(shù)平臺(tái)在整體葉輪等零件的電解加工中得到了成功應(yīng)用，平臺(tái)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn);

　　2)實(shí)際應(yīng)用證明，該平臺(tái)在整體葉輪、壓氣機(jī)靜子等零件加工中有效地解決了電解加工中的建模、數(shù)據(jù)處理、陰極設(shè)計(jì)、加工參數(shù)選擇、加工編程等問(wèn)題;

　　3)該加工平臺(tái)把現(xiàn)代CAD/CAM先進(jìn)制造技術(shù)引入到傳統(tǒng)的電解加工中，縮短了整體構(gòu)件電解加工的周期，提高了電解加工的效率與工藝試驗(yàn)的成功率，有助于數(shù)控電解加工工藝進(jìn)一步推廣應(yīng)用