三元葉輪用石墨電極自動編程系統研究

孫維澤 趙騰蛟 劉鶴

摘要： 采用石墨電極加工的高精度電火花葉輪的比重在逐漸增加，其中石墨電極的加工精度和加工效率制約著電火花葉輪的精度。為此，本文針對一典型三元電火花葉輪設計了石墨電極，借助于powermill軟件完成了石墨電極的加工，開發了三元葉輪用石墨電極自動編程系統。結果表明，應用三元葉輪用石墨電極自動編程系統能夠極大的縮短電極編程時間，提高電火花加工效率并保證電極及葉輪的加工精度。

Abstract： The proportion of high precision EDM impeller by graphite electrode is increasing， the precision and efficiency of graphite electrode restrict the precision of the EDM impeller. For this reason， graphite electrode is designed for a typical EDM impeller. With the help of powermill software， graphite electrode is processed， and develop the automatic programming system of graphite electrode for the EDM impeller. The results show that the application of the automatic programming system can greatly shorten the programming time， improve the EDM efficiency and ensure the precision of EDM impeller.

關鍵詞： 石墨電極;自動編程;電火花葉輪

Key words： graphite electrode;automatic programming system;EDM impeller

中圖分類號：P619.25+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0084-02

0? 引言

隨著三元葉輪的應用越來越廣泛，其強度及可靠性的要求也在不斷提高，高精度、高性能的電火花加工葉輪的比重在逐漸增加。為了完成電火花葉輪的加工，石墨電極的質量精度成為了電火花葉輪加工的瓶頸，因此需要對三元葉輪用石墨電極的高速銑削加工工藝進行研究。

不同的葉輪所使用的石墨電極各不相同，但是基本結構相似，加工編程時都是選用加工方案及加工參數，因此在編寫電極加工程序時，會進行大量的重復工作[1]，為了節省電極編程時間，本文考慮開發石墨電極自動編程系統，提高電極的編程效率。

本文為了解決三元葉輪用石墨電極加工編程效率低的問題，借助于powermillL軟件進行了石墨電極加工編程工藝參數的研究，開發了石墨電極自動編程系統，并應用于生產中，完成了石墨電極及三元葉輪的加工。

1? 三元葉輪用石墨電極結構

三元葉輪廣泛的應用于航天，石油，煤炭化工等領域，下面針對一典型葉輪產品，進行電極拆分，進行復雜結構石墨電極的高效率高精度的高速銑削加工，并應用電極完成葉輪的電火花加工。該葉輪材質為Inconel718合金，葉輪直徑為400mm，共19個葉片，出口寬度為36mm，葉片厚度為4mm。該葉輪由于材料的限制，不能預先銑削加工，完全由電火花加工。

根據葉輪特點，本項目在流道中間進行拆分，將電極拆分為入口出口兩部分，出口拆分為上中下三個部分，入口拆分為上下兩部分，最終設計成了粗加工2種，精加工入口4種、出口6種電極。電極拆分情況如圖2所示。

2? 石墨電極加工編程

2.1 典型電極編程流程

電極編程流程主要由以下幾個部分：①編程準備：包括導入模型，建立坐標系，建立刀具等。②電極編程：選擇合適的加工參數進行電極加工編程。③檢測及后處理：進行碰撞檢測及過切檢測，確認加工安全并導出程序。圖3為電極加工編程詳細流程圖。

2.2 加工準備

①導入模型及建立坐標系。電極模型必須保持完整，并與實際工裝保持一致，以防止加工中發生不必要的碰撞;如果該電極構建了非標準毛坯，則將毛坯在相同坐標系下導出。②定義刀具。定義刀具前首先確定最小刀具半徑，通過菜單中的模型顯示選項，改變最小刀具半徑，然后選擇最小半徑陰影方式顯示模型，觀察該刀具是否有加工不到的部位。

2.3 電極加工

加工策略選擇：powermillL中提供了多種加工策略，如三維偏置、等高精加工和平行精加工等策略[3]。本文將根據加工需求進行選擇。①粗加工：粗加工是為了快速去除余量，在粗加工時應選用大的進給量和盡可能大的切削深度，以便提高加工速度。綜合考慮加工時間與刀具壽命，本文最終選擇偏置區域清除模型策略進行粗加工。②精加工：精加工是為了得到光順的電極表面，去除材料少，切削速度大、進給量小，以保證最終尺寸精度和表面質量。本文中的精加工主要使用平行精加工，三維偏置精加工、曲面精加工三種方式。

2.4 碰撞過切檢查及后處理

刀路生成后，需要進行碰撞過切檢查，確認刀路安全后才可以輸出，后處理過程如下：①將刀具路徑生成NC程序，這一過程可以批量進行。②選擇輸出坐標系，注意保證該坐標系與加工坐標系相同。③調整刀具編號，如果在定義刀具時完成了定義，則不必考慮這一過程。

生成程序后，即可以導入到vericut中進行進一步的仿真。仿真安全后即可導入機床用于加工生產。

3? 加工仿真

3.1 建立機床組件模型? 由于機床模型復雜，所以先在三維軟件中構建機床三維模型，然后以組件為單位逐個輸出STL格式模型文件，如圖4為本項目建立的機床模型。

3.2 設定機床相關參數? 機床運動結構定義完成后，需要對機床進行初始化設置，如機床干涉檢查、機床初始化位置、機床行程等，通過實際操作能夠測量出這些參數。

3.3 導入數控程序? 將powermilll生成的數控程序直接導入到vericut，即可進行仿真。

4? 自動編程系統研究

Powermill為我們提供了兩個接口：C#和宏命令，本文將應用這兩個接口進行自動編程系統的開發。

本系統主要分為以下幾個部分：①登錄窗口：輸入用戶名和密碼進行登錄。②輸入窗口：輸入所要加工的電極名稱，自動開始加工編程。③自動編程模塊：采取宏命令，自動輸入設定好的加工參數，完成電極編程，并輸出到指定文件夾。④仿真模塊：自動打開vericut軟件，并完成毛坯，刀具，程序的自動錄入，開始加工仿真。

4.1 窗口模塊開發? C#語言是面向對象的編程語言，既具有可視化的特點，又有高運行效率。本文借助于c#語言來進行窗口的開發。①登錄窗口：需要使用者輸入用戶名和密碼方可進行登錄。②輸入窗口：登陸后進入輸入窗口，輸入電極編號，自動打開powermill，并調用該電極模型，準備進行加工。③仿真窗口：連接vericut，并將毛坯和程序自動讀入，進行加工仿真。

4.2 宏命令開發? 通過powermill的宏命令接口，用戶可以通過輸入指令，在powermilll中實現開粗，精加工等一系列的操作，避免了重復勞動，提高了編程效率。

本項目的宏程序分為三部分：粗加工，半精及精加工，圓角加工。其中的工藝參數通過宏命令自動填寫。在電極需要加工時，直接調用宏程序，依次實現自動加工等，生成刀具路徑，自動輸出程序等。

5? 石墨電極加工結果

本文采用的的高速銑設備為瑞士阿奇夏米爾公司的HSM 600ULP五軸石墨高速銑機床。

采用上述開發的三元葉輪用石墨電極自動編程系統，生成了石墨電極加工程序，加工電極結果如圖6。上述電極應用三坐標檢測系統進行檢測，電極尺寸誤差在0.03mm以內，滿足使用要求，之后應用于三元葉輪的電火花加工中，成功加工出三元葉輪。本次加工中共使用電極23個，編寫電極加工程序240個，手工編寫單個電極加工程序需要1小時。而使用電極加工自動編程系統，單個電極編程時間僅為5分鐘，因此，極大地提升了電火花生產葉輪的效率，產品表面質量也滿足使用要求。

6? 結論

本文開發了三元葉輪用石墨電極自動編程系統，提高了三元葉輪石墨電極編程效率，得出以下結論：①針對三元葉輪進行了石墨電極結構設計，并利用powermill軟件進行編程，總結出適合的加工參數;②利用c#和宏命令編寫了三元葉輪用石墨電極自動編程系統，實現了石墨電極加工程序的自動編程，提高了編程效率。

參考文獻：

[1]劉鑫.PowerMill的二次開發[J].模具制造技術，2007：58-59.

[2]謝玉書.基于PowerMILL的高速銑削加工技術[J].模具制造技術，2006（9）：59-61.

[3]張東偉.基于PowerMILL的高速切削數控編程策略與應用研究[J].制造業信息化，2011（12）：52-54.