三轴数控小孔电解加工机床的研制及试验研究.pdf

2015年9 月 机 床 与 液 压 Sep. 2015 第 43 卷第 17 期 M A C H I N E T O O L 3 H Y D R A U L I C S Yol. 43 N o. 17 D O I 10.3969/j. i n. 1001-3881. 2015. 17. 009 三轴数控小孔电解加工机床的研制及试验研究 孙 建 军 ，李志永，臧 传武，赵成龙 山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049 摘要 在分析对比了各种小孔加工工艺优缺点的基础上，针对航空发动机常见的小孔结构，设计研制了一台利用管状 工具电极加工小孔的三轴数控电解加工机床，机床包括机床进给系统、电解液循环系统和控制系统等几个部分，最后通过 对 718高温镍基合金进行小孔试验加工验证了该机床加工的可靠性和稳定性。 关键词电解加工；机床；小孔；管状电极；Incne1718 中图分类号T Q151 文献标志码A 文章编号1001-3881- 2015 17-035-4 Development and Experimental Study of Three Axes NC ECM MachineDevelopment and Experimental Study of Three Axes NC ECM Machine Tool for Machining Small HolesTool for Machining Small Holes S U N Jianjun， LI Zhiyong， Z A N G C h u a n w u， Z H A O Chenglong School of Mechanical Engineerng， Shandong University of Technology， Zibo Shandong 255049，China Abstract Based on the analysis and comparing of advantages and disadvantages of various machining process of small holes， a numerical control N C electrochemical machining E C M machine tool with three axes by using tubular electrode to machine small holes was designed and developed， which was directed against the structure of common small holes of the aircraft engine. The machine tool was included of parts of machine tools feeding system， circulating system of electrolyte and control system， and etc. Finally，the machining reliability and stability of machine tool is verified through the experimental machining of small holes of high-temperature nickel-based alloys Inconel718. Keywords E C M; Machine tool； Small holes； Tubular electrode； Inconel718 0前言 随着科技不断进步，带有小孔的零部件越来越 多，孔径也越来越小[1]。特别是航空工业中，发动机 安装边、燃烧室、涡轮叶片和叶珊等零件，都存在 大量的小孔结构。据粗略统计，先进的航空发动机， 各种小孔总计达数十万之多，这些小孔的加工是当 今 航 空 发 动 机 制 造 工 艺 必 须 面 临 的 关 键 问 题 之 一[ 2 - 3 ] 〇 目前常用小孔加工工艺有机械钻孔、激光打孔、 电火花打孔和电解打孔等。航空发动机广泛采用高温 镍合金或钛合金材料。由于其高强度、高硬度的固有 属性，这些材料使用机械钻孔方法难以加工；使用电 火花加工电极损耗严重，加工效率低，且存在热影响 区、热再铸层及残余应力；激光打孔虽然加工效率较 高 ，但所加工的小孔-致性差，热影响区和满层的 影响是电火花加工的两倍还多[4-]。相比较而言，电 解加工是利用金属阳极的电化学溶解来蚀除工件材料 的特种加工工艺，对工件材料的强度、酿、軔性等 机械物理属性不敏感，加工后不存在残余应力、热影 响 区 和 热 满 层 ，且加工工率高、无工具电极损耗， 可在保证加工质量的基础上，显著降低制造成本。电 解加工方法还便于实现群孔的-次性加工成型，极大 地提高加工效率。电解打孔通常采用中空的管状电 极 ，工件为阳极，电解液从管状电极孔中高速流出， 充满整个加工间隙。管状电极电解加工不需要太高的 电压，采用硝酸钠或氯化钠等中性电解液，对设备腐 蚀小，满足环保要求，且具有加工精度高，电场集中 分布在加工端附近，杂散腐蚀小的工艺优点[7-0]。 为了实现小孔类结构的高精度、高效加工，以航 空发动机涡轮叶片气膜冷却孔为加工对象，设计研制 了一台三轴数控小孔电解加工机床，包括机床进给系 统 ，电解液循环系统，基 于P C运动平台的控制系 统 ，同时解决了状电极的管径小、难夹紧、难密封等 问题，最后利用该机床进行了 718高温镍基合 金的小孔加工试验，验证了机床运行的可靠性和稳 定性 收稿日期 2014-07-28 基金项目国家自然科学基金资助项目（ 50905101；山东省自然科学基金资助项目（Z R2014E E M038； Z R2014EL032 作者简介 孙建军（ 1989，男，硕士研究生， 研究方向为特种加工。E-mail sun_jianjun_cool126. com。 36 机床与液压 表2伺服驱动器参数 第 43卷 1机床设计 1. 1 机床总体结构设计 所研制的三轴数控小孔电解加工机床的总体结构 如图1所示。机床工作台采用大理石材料（ 制造精 度P 0级） ， 轴、M轴和J轴采用立柱式加悬臂式结 构安装于大理石工作台上。电解液循环系统充分考虑 电解液的绝缘性、防腐性和密封性及电解产物的过滤 净化，其设计重点在于如何针对不同管径的管状电极 进行夹紧和密封。 1 一z 轴 进 给 系 统 2 X轴 进 给 系 统 3 m进 给 系 统 4一 大 理 石 工 作 台 5 底座 6 高 压 隔 膜 泵 7 电解液槽 8 电 解 液 循 环 装 置 图1机床总体结构设计图 1. 2机床进给系统 航空发动机涡轮叶片上的气膜冷却孔孔径一般在 0.3〜2.0 m m之间，因此对机床进给系统的精度提出 了更高要求。该机床可实现孔径0.4〜 1.5 m小孔的 加工，电解加工小孔时，进给速度可以实现微米级控 制。该机床 轴、M轴和J轴均采用伺服驱动，因各 轴结构类似，文中以J轴为例进行阐述，J轴伺服电 动机通过绝缘联轴器带精密动丝杠旋转，实现进给直 线运动。伺服电动机型号为松下Minas A5 系列，伺 服驱动器型号为松下Mbdht2510E，具体参数如表1、 2所示。 表1伺服电动机参数 额定输入电压/Y106额定频率/Hz200 额定输入电流/A2.6额定转速/r min- 3 000 额定输出功率/k Y0.4 参数 O U T P U T 200 〜240 0 〜240输入输出电压/Y 输入输出相数 额定输入输出电流/A 输入输出频率/Hz 适用电机额定输出/ Y 1/3 3 4. 1/2. 4 2.6 50/60 0 〜500.0 R R R400 为了实现闭环控制，机床采用J C X系列光栅尺 传 感 器 （ 型 号J O X E-0，其分辨率为0.001 m m。限 位开关采用欧姆龙E E-S X473。文中设计的进给系统 能够实现最低1 1.0 m m管 状电极加工小孔如图7 b 所示 ，孔径为 1.286 m m，单边间隙143 m。由此可知，该机床电 解打孔效率较高，加工稳定性及小孔成型性较好。 a0.8 m m 黾 棱 加 工 冷 却 L b1.0 m m 电 极 加 工 冷 却 孔 图7试验加工的冷却孔 3结论 设计研制了一台三轴数控小孔电解加工机床， 该机床拥有闭环位置反馈、电流实时监测系统和自 主设计的电解液循环过滤系统，可实现三轴联动、 最 低 进 给 速 度 可 达 到1 m/s。最 后 ，利 用In- conel718高温镍基合金材料进行了冷却孔加工试验， 上 接 第 131页） 3 利 用L a b V I E W建 立xPCtarget实时控制系 统上位机界面弥补了实时控制系统在监控参数方面的 不足。 参考文献 [1] H A N E Y Jeffrey D ， C A R E Y Dean W ， Z A N E Rhodes SI. 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