气膜冷却孔电火花加工用电性电源的设计

气膜冷却孔电火花加工用电性电源的设计

为了提高航空发动机的重量比，降低油耗，先进航空发动机的重量比为15860.1680。由于涡轮叶片材料的熔点低于燃气温度,需要利用冷却技术保证叶片安全工作。气膜冷却技术利用从气膜冷却孔(气膜孔)喷出的冷却气体将叶片与燃气隔离,起到冷却和散热作用,这是目前应用于涡轮叶片冷却的主要方式目前气膜孔加工主要采用激光加工、电火花加工、电化学加工、水射流加工等特种加工方法对于气膜孔电火花加工工艺及装备,主轴机构是实现自动化加工工艺的核心模块,要求电极具有一定转速(80~120r/min)、较高的旋转精度(小于30μm)、高压冲液(冲液压力大于2MPa)、电极损耗补偿的功能,以快速排出加工产物、提高放电效率和加工精度采用夹头夹在电极前端的双夹子蠕动式进给方式,可以有效避免电极进给运动时的刚度低和变形大的问题为提高中国气膜孔电火花加工水平,在已开发并应用于柴油机喷油嘴微细喷孔电火花加工的蠕动式主轴基础上1旋转电极供电技术复合功能主轴首先要能够实现电极的旋转和蠕动进给运动,其次要实现高压工作液密封、电极供电的功能,主轴机构的总体设计如图1所示。其工作原理和过程为:气膜孔加工前,通过Z轴定位主轴机构相对于工件的相对位置;在气膜孔加工中,通过S轴伺服控制电极保持放电间隙,同时电极转动和中空冲液以提高排屑和加工效率;每个气膜孔加工完成后,停止电极旋转和中空冲液,通过工作台和Z轴重新定位电极到下一个气膜孔,然后通过电极蠕动进给实现电极损耗补偿。根据工作原理和过程可知:电极运动包括伺服加工的轴向运动与旋转运动、补偿电极损耗的蠕动进给运动。电极轴向运动、旋转运动分别通过伺服轴S和旋转轴R实现。考虑到电机引线方便性,整体方案为旋转运动置于轴向运动上。电极蠕动利用常开夹子和常闭夹子双夹子结构的交替径向开合运动与S轴驱动的轴向相对运动实现导向器的配合精度和配合长度对于保证电极旋转精度起决定性作用。而且,电极旋转精度还受到常闭夹子旋转时的径跳误差、常闭夹子与导向器的同轴度误差的影响。采用孔径比电极外径大25μm、长度为30mm的导向器限制电极径跳,并通过显微镜观测的装配方法,达到较高的装配精度,以减小常闭夹子本身旋转误差,以及其与导向器同轴度误差的影响。高压工作液密封结构和电极供电结构在满足密封、供电的基本要求前提下,还应与电极旋转和进给运动相适应,避免运动干涉问题。密封机构要解决电极旋转中的动密封和蠕动进给中动密封两方面问题。本文利用旋转动密封结构件将工作液引入旋转轴内,然后在工作液中利用蠕动密封结构件实现加工时密封压紧电极、电极蠕动进给时密封松开电极,如图1所示。对于旋转电极供电,常规方式为利用电刷直接接触摩擦常闭夹子或旋转轴方案。电刷直接顶在常闭夹子上,不仅会造成常闭夹子磨损,而且易产生常闭夹子和电极变形。电刷直接顶在旋转轴上,常规通过内部构件传导电流方式,电阻较大而影响高频脉冲电的传输效率。因此,本文采用电刷顶在旋转轴R上的导电环,导电环通过两个半圆式绝缘套筒与旋转轴R固定连接,再利用导线将导电环和与旋转轴绝缘的常闭夹子可靠连接,如图1所示。上述设计方案从原理上已可实现主轴机构功能,但为进一步解决双夹子夹紧力大小和开闭行程精确控制、旋转常闭夹子开合的驱动、工作液传输和可靠密封等问题,本文对主轴部件中双夹子、驱动结构及密封结构的核心模块进行了分析和细化设计。2主要症状的复合功能2.1定位孔控制设计双夹子设计的关键在于夹紧力与开合精度的精确可控。传统的双夹子结构为径向预紧与驱动的方式(见图3),利用弹簧预紧动压块,动压块被驱动相对于静压块径向移动以实现开合转换。这种径向预紧与驱动结构通过预紧力或驱动力来控制夹紧力,开合精度由静压块中的定位孔调节,具有传动结构简单的优点。因为常开夹子仅在蠕动进给时夹紧电极来克服电极重力,以实现常闭夹子与常开夹子之间的相对运动,所以常开夹子可以采用这种径向驱动结构。但具有旋转运动要求的常闭夹子采用这种结构时,由于此结构不对称且预紧弹簧与旋转中心有一定距离,预紧力会受到离心力影响,造成夹紧力减弱,特别是转速较高时可能导致常闭夹子松开电极而失效。针对径向预紧结构夹紧力容易受到旋转影响的问题,设计了图4的轴向对称结构的常闭夹子。采用易于保证加工精度的双瓣两爪夹头作为执行件。为实现常闭夹子的夹紧和开闭控制功能,保证电极可靠的伺服进给加工,需要常闭夹子实现较大的径向夹紧力。两爪夹头与绝缘套筒间采用外锥面定位夹紧方式,利用外锥面的锥角φ小的特点(见图4b),可以在较小的轴向弹簧预紧力F2.2常闭发酵原理在电极蠕动进退时,需要实现常闭夹子的打开和闭合运动。为避免由于常闭夹子开合驱动机构旋转造成的难于引线问题,设计方案将常闭夹子驱动机构与旋转运动机构分离。常闭夹子驱动的具体结构如图5所示。由于常闭夹子位于旋转轴内,所需的压块驱动需要将旋转轴外部驱动力传递到内部。于是,设计了上圆盘和下圆盘的圆形传动构件,旋转轴在任意周向位置上都可以通过电磁铁推动内部推杆,实现内部两爪式常闭夹子打开。因此旋转轴不需要具有分度功能,可采用简单的直流电机驱动。电磁铁轴对称布置以保证驱动合力沿轴向方向,可以避免推杆倾斜。预压弹簧推动推杆处于上限位置,这时推杆与压块之间仍保持一定间隙,常闭夹子即可保持闭合状态。2.3工作液压力自补偿密封的结构密封结构一方面要防止高压工作液泄露,另一方面还要满足电极运动要求。旋转动密封采用传统的密封柱塞结构(见图6),利用中空密封柱塞在预压弹簧作用下压紧旋转轴表面实现平面密封。并且工作液压力会增大密封柱对旋转轴的压力,进而增强密封效果。但由于密封柱为低摩擦系数的聚四氟乙烯材料,因而与旋转轴之间转动阻力小。为了解决细长电极加工时密封压紧电极、蠕动时密封松开电极的蠕动密封问题,设计了一种根据工作液压力自补偿密封压力的密封结构,具体结构与原理如图7所示。橡胶活塞压紧旋转轴内腔并与电极过盈配合以密封上部工作液,于是加工时工作液便会推动活塞向下运动驱动导向压块。而导向压块通过内锥面挤压橡胶密封塞外端,使密封塞径向变形抱紧电极,实现对电极的进一步密封。因此即使高压工作液造成活塞与电极间发生泄露,密封塞仍然可以为电极提供密封。并且工作液压力越大,密封塞对电极压力越大,密封能力越强,从而实现根据工作液压力的自补偿密封。当工作液压力去除时,复位弹簧驱动导向压块移动,使得弹性密封塞恢复变形与电极间隙配合。此时电极轴向移动时仅受到活塞摩擦力,便于电极蠕动进退。3主轴部件的设计和装配用于实验加工Φ0.6mm气膜孔所设计的复合功能主轴的设计夹持电极直径为Φ0.5mm,主轴部件的装配实物如图8所示。通过测试该设计功能和性能指标,并进行深小孔加工实验,以验证复合功能主轴的可行性。3.1电极性能表征性能测试包括高压工作液密封、脉冲电源供电、蠕动进给运动、旋转运动四个方面。1)密封性能。通过测试最大密封工作液压力及电极中空冲液的扬程,评价主轴机构密封性能及加工产物排除能力。利用压力可调的高压水泵对主轴机构供液,当供液压力p由0MPa增高至4.2MPa,旋转动密封及蠕动密封均没有泄露;在4.2MPa压力下连续供液14h,主轴机构无泄露。主轴机构对加工产物排除能力通过测量电极出口工作液扬程h表征,测试结果如图9所示。h随着p增大呈增加趋势,p为3MPa时,h为2m(工作液流速为6.26m/s),可以满足加工产物排出要求。2)蠕动性能。蠕动进给性能包括常闭夹子与常开夹子对电极的夹持力、电极蠕动速度及行程。夹子夹持力采用拉力计测量夹子闭合时电极与夹子移动摩擦力来表征。旋转轴对电极夹持力F蠕动速度与行程和S轴的性能相关,S轴最大运动速度10mm/s,最大进给行程为150mm。当电极蠕动距离为8mm时,常开夹子、常闭夹子动作和S轴移动总时间小于2s,平均蠕动进给速度大于4mm/s。3)旋转性能。电极旋转性能包括旋转轴转速与电极底端旋转径跳。由于工作液对旋转轴轴向压力的存在,支撑用轴承的预紧力及滚珠摩擦力增大,因此在同样转矩条件下旋转轴转速随着供液压力增大而减小。供液压力为0MPa时,旋转轴转速可调范围为50~220r/min。供液压力为4.2MPa时,旋转轴转速可调范围为50~160r/min。电极底端旋转径跳采用显微镜测量,显微镜测量精度为1μm。当电极伸出导向器长度1mm时,旋转径跳小于8μm;电极伸出长度小于11mm时,旋转径跳小于25μm,由于目前叶片厚度小于4mm,电极伸出长度11mm时能够满足目前电极旋转精度及孔深加工要求;当旋转轴转速从50r/min增大到220r/min,旋转径跳无明显变化。4)供电性能。利用万用表测量电刷和电极连接电阻、电极与非供电结构绝缘性能。旋转轴静止时,电刷与电极连接电阻为1.1Ω;旋转轴转速为220r/min时,连接电阻变化范围为1~1.3Ω,供电稳定。电极与非供电结构间连接电阻大于200MΩ,满足绝缘要求。3.2高温合金工件制备实验为验证复合功能主轴的可行性,利用设计的主轴机构加工深小孔。实验系统见图11,机械机构由X、Y轴工作台、Z轴、伺服轴S、高压水泵及复合功能主轴组成,其中X、Y轴的定位精度为2μm,Z、S轴定位精度为1μm,高压水泵的供液压力范围为0~4.2MPa。脉冲电源具有脉冲放电及反馈检测放电平均电压功能,脉宽、脉间分别有8个档位,占空比可调范围为1(脉宽10μs,脉间10μs)至1.675(脉宽650μs,脉间400μs)。实验系统由工控机和PMAC运动控制卡组成的电控柜控制。在2.93mm厚的45#钢工件上通过复合功能主轴蠕动补偿加工一组6×2阵列通孔,实验条件如表1所示。阵列孔、典型通孔出入口孔径及通孔脱模显微镜测量结果如图12所示。结果显示,入口直径为Φ591~607μm,出口直径为Φ555~566μm。加工时间为27~31s,最大加工速度为6.51mm/min。在7mm厚的某型号叶片材料GH4169高温合金工件上通过复合功能主轴蠕动补偿加工一组6×2阵列通孔,阵列孔、典型通孔出入口孔径显微镜测量结果如图13所示。结果显示,入口直径为Φ588~603μm,出口直径为Φ615~634μm,深径比达到11.3。加工时间为120~130s,最大加工速度为3.5mm/min。加工中蠕动进给稳定,工作液没有泄露。实验验证了所设计主轴机构复合功能的可行性,加工效率可以通过提高脉冲电源峰值电流、优化工艺参数进一步改善。4旋转电极复合非织造布的特点为满足气膜孔电火花加工对先进主轴机构的设计需求,设计了一种具有电极高精度旋转、蠕动进给补偿、高压内冲液等复合功能的主轴机构,通过性能测试和深小孔加工实验验证了其可行性,得到如下主要结论:1)常闭夹子设计为两爪夹头结构,并通过外锥面定位方式实现轴向预紧与驱动。对称结构的两爪夹头易于保证加工精度,且可避免旋转离心力对夹紧力影响。外锥面定位方式能够保证常闭夹子开闭后,夹紧电极的轴线与旋转轴线的同轴精度。2)连接圆盘的轴向推杆结构驱动常闭夹子开闭方式能在旋转轴任意位置将常闭夹子打开,解决了电极旋转与蠕动进给分离控制问题。3)自补偿式密封结构随工作液压力变化的而自动调节密封压力,