近幾年來，國內外電解加工技術人員十分重視電解加工的數(shù)字化制造技術研究，對電解加工中的CAD/CAE/CAM、加工工藝數(shù)據(jù)庫等技術進行了研究，提出了葉片的電解加工CAD/CAE/CAM專家系統(tǒng)框架;開發(fā)了陰極設計的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，實現(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方面，為加工技術平臺的構建提供了技術支撐;但其局限于只能針對特定零件的加工，通用性差，沒有形成系統(tǒng)化、集成化的電解加工應用系統(tǒng).本文在對數(shù)控電解加工關鍵技術研究的基礎上，采用軟件開發(fā)技術構建了整體構件數(shù)控電解加工CAD/CAM技術平臺(簡稱加工平臺)，下面主要介紹其構成、關鍵技術及其應用.

　　1加工平臺構建

　　加工平臺體系構成如圖1所示，其平臺分為3層結構：上層為表示層，包括加工零件逆向建模、數(shù)據(jù)處理、陰極設計、數(shù)控加工運動過程仿真、自動編程和零件測量接口界面;中間層為業(yè)務邏輯層，包括幾何建模、數(shù)據(jù)處理、有限元分析、運動仿真、加工編程和參數(shù)優(yōu)化單元技術模塊;下層為數(shù)據(jù)層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與檢索等功能.

　　圖1加工平臺構成

　　2加工平臺實現(xiàn)的功能

　　在電解加工工藝設計過程中，曲面建模與數(shù)據(jù)處理、陰極設計、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，構建加工平臺就是通過對其關鍵技術的研究解決這些難題，達到快速、高效的目的.該加工平臺是圍繞電解加工的難點建立起來的，主要實現(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計;3)加工參數(shù)選擇與優(yōu)化;4)數(shù)控運動仿真與加工編程;5)零件測量與誤差分析.

　　3加工平臺關鍵技術

　　3.1參數(shù)化與特征建模技術

　　參數(shù)化建模、特征建模和變量化建模是當今CAD建模的主流技術.整體構件通常由基本特征與特殊結構組成，對于基本特征的造型，CAD軟件都具有這些基本功能;對于整體構件的特殊結構的造型，則需要利用CAD軟件提供的開放接口以及整體構件加工表面的數(shù)學模型經(jīng)過二次開發(fā)而成.下面以圖2所示的整體葉輪葉片參數(shù)化建模為例進行說明.

　　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)格模型結構如圖2a所示.它把葉片沿徑向分成n個跨距層，每層上有一個控制點，在葉片的軸向上又分為m個切片層，這樣就有n×m個控制點.利用這些控制點構造葉片的網(wǎng)格線，再由網(wǎng)格線構造曲面，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)由控制點的數(shù)目決定，實際應用中可以固定部分邊界點，以減少葉片的參數(shù)數(shù)量.

　　3.2 電解加工物理過程數(shù)值模擬技術

　　電解加工的過程非常復雜，加工成形受到電場、流場、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、加工運動軌跡有關;加工精度與電場、流場分布，進給速度等參數(shù)有關.本加工平臺運用電解加工理論模型，采用過程離散法和連續(xù)有限元計算法實現(xiàn)了加工過程的物理模擬，真實地模擬了整個電解加工的物理過程，利用它可輔助設計陰極、優(yōu)化加工參數(shù)、預測加工形狀.

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

　　 (1)

　　其中，為電解加工中溶解速度，方向為溶解面的法線方向;dt為時間增量;dl為dt出時間內的溶解位移增量.

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

　　設為總的電化學加工時間，對以Δt為時間步長進行離散，則得到的一個時間序列以時間序列中每一個時刻為計算點計算陽極溶解面的位置，則工件陽極溶解面在△t內的位移為　　 (2)

　　由式(2)可知，陽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.

　　設時刻陰極送進速度為，則陰極從到時刻的位置為

　　 (4)

　　其中ψ為送進速度與X方向的夾角.

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

　　3.3 電解加工數(shù)控運動仿真技術

　　數(shù)控電解加工軌跡來自機床各坐標運動的合成，整體構件的電解加工常采用展成法.該加工平臺根據(jù)數(shù)控電解加工原理，結合本課題組所用的五坐標電解加T機床的運動形式，采用基于裝配約束與尺寸驅動的方法實現(xiàn)了電解加工數(shù)控運動的模擬，并對加工過程的運動干涉、過切進行檢驗.加工仿真運動的實現(xiàn)流程如圖3所示.

　　圖3數(shù)控運動仿真實現(xiàn)過程

　　加工過程運動仿真首先在CAD/CAM系統(tǒng)中建立電解加工機床的模型，以及部件之間的裝配與約束關系;然后在數(shù)據(jù)庫中建立與裝配模型對應的虛擬裝配的數(shù)據(jù)模型，并對裝配模型樹進行遍歷，以獲取模型中各個部件的標識，對機床坐標軸的各個部件進行直線位移或坐標旋轉變換.一般數(shù)控CAM系統(tǒng)雖然能夠實現(xiàn)加工路徑仿真，但并不能模擬出陰極去除材料的情況.本加工平臺開發(fā)的數(shù)控運動仿真軟件不僅可實現(xiàn)加工材料的去除，還可以根據(jù)不同的加工機床任意指定加工坐標軸，通過讀入程序或者編程實現(xiàn)電解加工過程的運動仿真.

　　3.4 電解加工參數(shù)優(yōu)化技術

　　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)庫上利用神經(jīng)網(wǎng)絡智能工具進行加工模式識別選擇初始的加工電壓、進給速度，再采用模擬工具對初選的電解加工參數(shù)進行模擬，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)化過程如圖4所示.

　　圖4電解加工參數(shù)優(yōu)化過程

　　加工的初始參數(shù)利用ATR-2神經(jīng)網(wǎng)絡選擇，它的作用是進行模式識別，在電解加工工藝數(shù)據(jù)庫中尋找與工藝數(shù)據(jù)庫中已有模式最匹配的參數(shù)，若沒有模式相匹配，則建立一個新模式.利用神經(jīng)網(wǎng)絡所識別的參數(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應用實例

　　4.1整體葉輪加工應用

　　將加工平臺應用于某型號航空發(fā)動機的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，它的電解加工分為葉背、葉盆和葉根圓加工3道工序.本文利用整體構件數(shù)控電解加工CAD/CAM平臺實現(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)控運動仿真，加工編程等功能.

　　1)數(shù)據(jù)處理與建模

　　利用葉片型值點數(shù)據(jù)在電解加工CAD/CAM系統(tǒng)上進行了數(shù)據(jù)處理，逆向建模.葉片模型與數(shù)據(jù)處理過程如圖5a所示，采用樣條曲線對數(shù)據(jù)點進行擬合，構造葉片的網(wǎng)格模型，再利用網(wǎng)格構造曲面，由曲面構成實體葉片，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

　　利用平臺的切片功能實現(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模型的特征標識，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、編程計算的原始數(shù)據(jù).

　　3)數(shù)控運動仿真

　　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行相關的計算，生成數(shù)控運動的軌跡，并在仿真環(huán)境中設置各坐標軸，進行仿真.CAD/CAM技術平臺數(shù)控運動仿真平臺如圖6所示.

　　圖6數(shù)控電解加工仿真平臺

　　葉片加工的數(shù)控運動仿真包括葉盆、葉背、葉根加工對刀，讀取數(shù)據(jù)、計算、仿真等步驟，數(shù)控運動仿真的部分控制界面如圖7a所示.葉片仿真在運動過程中檢驗數(shù)控運動軌跡的正確性，同時檢查加工過程中陰極與零件之間的運動干涉.整體葉輪葉片數(shù)控運動仿真結果如圖7b所示.

　　圖7葉片加工數(shù)控運動仿真

　　4)數(shù)控加工自動編程

　　數(shù)控加工編程在加工模擬正確的基礎上，針對所運用的機床數(shù)控系統(tǒng)類型進行相應的后置處理，本機床的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)由5個二軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)組成，采用虛擬軸彬軸控制機床五軸的同步性，系統(tǒng)自動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，其設置值要大于其他5個軸的值，編程的控制界面如圖7a所示.

　　實際應用表明，在過去的整體葉輪加工試驗中，加工工藝設計及其裝備制造時間約為5～6個月，加工試驗時間約為2～3個月，試驗次數(shù)多.在利用CAD/CAM平臺之后，所需的加工試驗次數(shù)明顯減少，該葉輪的葉片只進行了3次加工試驗就達到了加工工序要求，試制周期減少至3個月左右，時間大大縮短.

　　4.2壓氣機靜子加工應用

　　將本文的加工平臺應用于某型號航空發(fā)動機壓氣機靜子的氣流通道加工中.壓氣機靜子的形狀為一個閉式的整體構件，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技術平臺進行電解加工陰極設計和參數(shù)優(yōu)化.

　　圖8壓氣機靜子與加工陰極

　　1)陰極設計

　　利用CAD/CAM技術平臺的電解加工過程模擬模塊實現(xiàn).設計過程包括陰極、工件邊界的繪制、加工過程的模擬，誤差計算、陰極形狀修整、再模擬、形狀擬合、數(shù)據(jù)輸出等.陰極設計的軟件環(huán)境如圖9所示，其中還包括加工過程模擬、仿真計算、誤差分析等功能.

　　圖9陰極設計軟件環(huán)境

　　利用模擬模塊對壓氣機靜子的型腔加工過程進行模擬，圖10所示為陰極送進到78mm時電場有限元分析的瞬間過程，模擬過程自動完成，整個加工過程需要經(jīng)過780輪有限元計算.

　　圖10電場有限元求解過程

　　利用模擬系統(tǒng)對初始設計的陰極形狀進行了多次模擬，對陰極成形面進行了多次修正，最終獲得陰極外形數(shù)據(jù).利用該數(shù)據(jù)進行陰極設計，經(jīng)過模擬設計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)進行優(yōu)化的加工參數(shù)主要是加工電壓和進給速度.改變這2個參數(shù)是加工中調節(jié)加工間隙的主要方法，它們影響加工成形的精度與效率.加工電壓和進給速度對成形精度的影響雖然在理論上不能精確計算，但可以通過電解加工模擬系統(tǒng)得到加工電壓、進給速度恰當?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行加工過程數(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加工間隙的影響.

　　采用同樣的方法可以模擬加工速度對加工間隙分布的影響.通過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;進給距離在0～50mm內進給速度為2.4mm/min，進給距離在50～78 mm內進給速度為2.2 mm/min.

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

　　5 結論

　　1)整體構件數(shù)控電解加工CAD/CAM技術平臺在整體葉輪等零件的電解加工中得到了成功應用，平臺的各項關鍵技術在實踐中得到了檢驗;

　　2)實際應用證明，該平臺在整體葉輪、壓氣機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、陰極設計、加工參數(shù)選擇、加工編程等問題;

　　3)該加工平臺把現(xiàn)代CAD/CAM先進制造技術引入到傳統(tǒng)的電解加工中，縮短了整體構件電解加工的周期，提高了電解加工的效率與工藝試驗的成功率，有助于數(shù)控電解加工工藝進一步推廣應用