復(fù)合進(jìn)給電解加工機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研制

劉春雷，張星光，孫倫業(yè)，周哲波

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001）

0 引言

整體葉盤作為一種新型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，其將葉片和輪盤設(shè)計(jì)為一體，替代了傳統(tǒng)的榫頭與榫槽的連接方式，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，減輕了重量，提高了可靠性。同時(shí)消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接部位的氣流損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和推重比[1,2]。但整體葉盤葉片厚度較薄，型面扭曲，且其材料多采用鈦合金及高溫合金，故采用傳統(tǒng)的數(shù)控銑削加工不夠經(jīng)濟(jì)、高效。目前國(guó)內(nèi)外整體葉盤制造方法主要包括：數(shù)控銑削、精密鑄造、線性摩擦焊、電解加工和電火花加工[3～5]。電解加工是利用陽極溶解的原理，將工件陽極按照工具陰極的形狀復(fù)制成型的加工方法，因其具有生產(chǎn)效率高、加工表面質(zhì)量好、工具無損耗及不受工件材料強(qiáng)度、硬度和力學(xué)性能限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為整體葉盤制造領(lǐng)域的重要加工方法之一[6]。

1 復(fù)合進(jìn)給電解加工方法

復(fù)合進(jìn)給電解加工方法的原理如圖1所示：在電解預(yù)加工整體葉盤葉柵通道過程中，工具陰極沿X軸直線進(jìn)給的同時(shí)還繞著C軸按照一定的規(guī)律做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相較于單一的葉柵通道徑向電解加工而言，該方法在加工過程中工具陰極可以按照葉片型面的扭曲趨勢(shì)進(jìn)行相應(yīng)的回轉(zhuǎn)，所以其加工扭曲程度較大的葉片，加工余量更均勻，加工柔性更高。因此，研制一種合理、可靠的機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)該復(fù)合進(jìn)給電解加工方法就顯得尤為重要。

圖1 復(fù)合進(jìn)給電解加工原理圖

2 機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研制

2.1 機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于上述復(fù)合進(jìn)給電解加工方法，該機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)應(yīng)具有X軸和C軸兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，X軸用以實(shí)現(xiàn)沿葉盤徑向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在X軸直線進(jìn)給的過程中，C軸按照一定的規(guī)律進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合進(jìn)給電解加工方法。所以，X軸和C軸的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)分別滿足整體葉盤復(fù)合進(jìn)給電解加工過程中的直線進(jìn)給和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的要求。在實(shí)際加工過程中，為提高葉片表面的加工質(zhì)量，常采用夾具對(duì)工件待加工部位進(jìn)行密封，用以形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，因此，其有別于傳統(tǒng)的電解加工，工具陰極的軸向及周向均有負(fù)載的，其軸向的負(fù)載主要來自夾具中電解液的壓力及夾具內(nèi)密封裝置對(duì)電極桿的軸向摩擦力，周向的負(fù)載主要來自夾具內(nèi)密封裝置對(duì)電極桿的周向摩擦力。表1為機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)。

表1 機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

2.2 機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

通過對(duì)上述機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的功能及主要設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析，可總結(jié)出其主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下：

1）X軸定位精度較高，這要求組成X軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的各零部件具有較高的制造精度，同時(shí)也對(duì)整體裝配精度和結(jié)構(gòu)工藝性以及穩(wěn)定性提出了較高的要求。

2）X軸的最低進(jìn)給速度較低，且軸端負(fù)載大，運(yùn)動(dòng)過程中易出現(xiàn)爬行，同時(shí)普通伺服電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行時(shí)發(fā)熱和振動(dòng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

3）C軸定位精度要求極高，且轉(zhuǎn)速低，周向負(fù)載大，若采用伺服電機(jī)和大速比行星減速器的傳動(dòng)形式，雖然可以達(dá)到最低轉(zhuǎn)速要求，但是大速比的行星減速器背隙較大，達(dá)不到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的精度要求。

2.3 機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2為基于主要設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)三維模型圖，圖3為底座三維模型圖，圖4為進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)物圖。其由X軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成，直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)連接行星減速器，再通過剛性聯(lián)軸器將扭矩實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳遞給滾珠絲桿螺母副，絲桿螺母最終通過安裝在直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)底部的螺母座驅(qū)動(dòng)安裝在直線導(dǎo)軌滑塊上的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過安裝在直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的直驅(qū)回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線軸承中的回轉(zhuǎn)主軸實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；上述直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)主軸的直線與回轉(zhuǎn)復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)三維模型圖

圖3 底座三維模型圖

圖4 進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

對(duì)于X軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其誤差主要來源于絲桿的制造誤差、減速器的背隙、機(jī)加工零件的加工誤差、系統(tǒng)的裝配誤差以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的低速爬行。為保證該直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)滿足最終的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)采用如下方法將上述各誤差控制在合理的范圍內(nèi)。

1）滾珠絲桿的制造誤差主要來源于絲桿的導(dǎo)程誤差及絲桿與螺母間的間隙?，F(xiàn)選用THK公司精度等級(jí)為C3級(jí)的精密研磨滾珠絲桿，其在200～315mm行程范圍內(nèi)的導(dǎo)程誤差為8μm，雖然超出了允許值，但是可以通過在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端加裝高精度的直線光柵，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全閉環(huán)控制，從而減小此項(xiàng)誤差的影響；對(duì)于絲桿與螺母的間隙，可以通過選用具有變位預(yù)壓結(jié)構(gòu)的螺母消除間隙。

2）該進(jìn)給結(jié)構(gòu)選用的行星齒輪減速器背隙為13″，其對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)回程誤差的影響不可忽略，在調(diào)試時(shí)，可根據(jù)實(shí)際測(cè)得的回程誤差在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的回程補(bǔ)償值，將回程誤差降低到合理的范圍。

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3）雖然全閉環(huán)控制系統(tǒng)從理論上可以檢測(cè)并控制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終精度，但系統(tǒng)的精度和各機(jī)械零部件的制造精度也是密切相關(guān)的。在綜合考慮精度和制造成本的前提下，將各零件的主要尺寸按7級(jí)精度設(shè)計(jì)，對(duì)于重要的尺寸和形位公差可通過一次裝夾，一刀加工的工藝方法，減小重復(fù)裝夾誤差和對(duì)刀誤差，提高精度，如圖3中底座上的導(dǎo)軌安裝面及絲桿座安裝面，可采用這種工藝方法提高尺寸及形位公差，節(jié)約成本。

4）因各零件的加工和制造誤差不可避免，故在裝配過程中對(duì)于閉合的尺寸鏈采用設(shè)置調(diào)整環(huán)的工藝措施，如絲桿螺母固定座與直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有合適的間隙，在裝配過程中，根據(jù)實(shí)測(cè)間隙的大小，加裝合適厚度的調(diào)整墊以保證絲桿螺母固定座和四個(gè)導(dǎo)軌滑塊處于同一平面，否則將引起絲桿的變形；對(duì)于滾珠絲桿采用一端固定，一端游動(dòng)的安裝方式，固定端采用兩個(gè)背對(duì)背安裝的角接觸球軸承，并設(shè)置軸承游隙調(diào)整螺母，游動(dòng)端采用一深溝球軸承，確保絲桿在軸向一端可游動(dòng)，用以消除絲桿的熱彎曲變形。

5）為了防止直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的低速爬行，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)副均為滾動(dòng)摩擦副，如滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌，其在低速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無爬行；此外，該系統(tǒng)選用了Parker公司的MB系列伺服電機(jī)，配合Compax 3系列驅(qū)動(dòng)器，具有較好的低速性能，在轉(zhuǎn)速低至1rpm時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無明顯振動(dòng)、發(fā)熱及異響。

對(duì)于C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如果采用普通的伺服電機(jī)和減速器的傳動(dòng)方式，將難以滿足設(shè)計(jì)要求。因此，該系統(tǒng)選用了Parker公司的新型直驅(qū)回轉(zhuǎn)電機(jī)，具有低速、大扭矩、高精度等特點(diǎn)，其額定扭矩為18N.m ，絕對(duì)定位精度為±30″，轉(zhuǎn)速可低至1rpm，能很好的滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，直驅(qū)電機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，極大的簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。

3 結(jié)論

該機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)是復(fù)合電解加工機(jī)床的核心部件，其性能直接關(guān)系到電解加工整體葉盤型面的最終精度。所以，選用核心零部件時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的低速、高精度等技術(shù)特點(diǎn)，采用滾動(dòng)摩擦形式的精密運(yùn)動(dòng)部件及低速性能優(yōu)異的電機(jī)；對(duì)于主要機(jī)加工零件的重要尺寸應(yīng)采用基準(zhǔn)統(tǒng)一，一次裝夾的工藝方法；對(duì)于裝配過程中的封閉尺寸鏈應(yīng)采用設(shè)置調(diào)整環(huán)的工藝措施；對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可在其末端加裝直線光柵，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終精度。經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

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