异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法。
背景技术：
1、现有加工扩散型气膜冷却孔通常由圆柱孔和扩散口组成，分别使用高速电火花小孔加工和电火花成形加工来实现。然而这种加工方案不可避免地会涉及工件的二夹紧和频繁的电极矫正，导致圆柱部分和扩散口之间存在对中误差，极大的降低加工效率和成品率。此外，在同一种叶片中，可能存在数种不同的扩散口，对于不同扩散口使用不同的成形电极，极大的加重电极制备的压力，并且进一步增大不同扩散口之间的位置误差。
2、为解决此问题，学术界和工业界目前对于扩散型气膜冷却孔提出组合电极加工法，但该技术依然不能避免气膜孔和扩散口之间的对中误差；逐层高速电火花铣削加工法，但是该方法在加工效率、表面完整性、自动化程度等方面还有待提高。除电加工方案外，激光加工也被应用于扩散口的加工，但是其对于大深径比孔加工能力较差，加工成本高。
技术实现思路
1、本发明针对现有加工方法存在的诸多不足，提出一种异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，加工时电极沿着扩散口的轮廓侧面进行铣削，采用侧壁放电代替端面放电，极大的扩大放电面积，从而提高加工效率的同时，将中心剩余的大块材料整体挖出，进一步地减少将其放电去除的时间和能源消耗。
2、本发明是通过以下技术方案实现的：
3、本发明涉及一种异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，先以整个刀轨的起点处插铣至预设深度，然后在侧铣阶段采用侧壁放电的方式沿扩散口的侧面轮廓生成刀具轨迹的同时，针对电极损耗进行相应电极补偿，再对六轴联动电火花加工机床进行几何精度控制，使得电极沿预定的进给轨迹移动，从而实现扩散口的精确加工。
4、所述的电极损耗是指：由于严重的侧壁放电和内部中空流道的存在，电极沉入工件中参与侧壁放电的部分在一定的铣削距离后将发生断裂。断裂之后的加工深度急剧下降，放电位置也从侧铣阶段的侧面放电为主逐渐变化为底部放电为主，极间信号也发生剧烈波动。
5、所述的电极补偿是指：通过采集加工过程中的原始信号后，经平滑处理，提取得到表征当前加工状态的特征信号后，经稳定性量化得到量化结果，再根据量化结果和各加工阶段的稳定性特征，实现对电极断裂的实时监测；当检测到电极断裂，将暂停当前的加工，电极沿轴向补偿进给到要求深度，补偿完成后继续沿刀具轨迹进行侧铣，补偿动作不断进行，直到侧铣完成。
6、所述的加工过程中的原始信号包括：可直接采集的信号或处理后得到特征信号，例如：极间电流、电压、进给深度、进给速度或峭度信号、归一化峭度信号、峰度信号等。
7、所述的平滑处理，优选为单侧滑动平均平滑方法。
8、所述的稳定性量化是指：选取预设窗口内的各个特征信号，经平滑处理后，计算此窗口内的归一化峭度，作为该时间段内加工稳定性的量化值，具体为：其中：x为窗口的特征信号采样点，xi为第i个采样点，n为采样点个数，为窗口内特征信号采样点的均值，k(x)为窗口内特征信号的峭度值，rms(x)为窗口内采样点的均方根，kn(x)为归一化峭度。
9、所述的再根据量化结果和各加工阶段的稳定性特征，实现对电极断裂的实时监测是指：利用归一化峭度量化各加工节点的稳定性，当加工的稳定性出现剧烈波动时，说明电极发生断裂，从而实现对电极断裂的实时监控。
10、所述的几何精度控制方法是指：使用小孔加工实验测量侧壁间隙以及单次放电实验测量底部间隙，在生成铣削轨迹时加以考虑。对于加工宽度和深度误差较大的问题，在加工完成后，使用相同的电极沿源路径进行修整加工；从而解决由于电极的非均匀侧壁损耗和底部损耗，使得加工出的直槽宽度和深度相较于理想情况具有较大差距的问题。
11、所述的小孔加工实验是指：使用同种电极、同种工件以及相同电参数加工单个孔，测量其侧壁缝隙，得到该条件下的侧壁放电间隙，从而实现对铣削轨迹的补偿。
12、所述的单次放电实验是指：使用同种电极、同种工件以及相同电参数进行单次放电，测量其底部放电缝隙，得到该条件下的底部放电间隙，从而实现对铣削轨迹的补偿。
13、技术效果
14、本发明采用中空圆柱形电极沿着扩散口的轮廓侧面进行铣削，并利用归一化峭度等加工信号来判断当前加工的稳定性，从而实现电极的断裂检测，进行电极补偿。与现有技术相比，本发明能够实现在同一台机床上完成气膜孔和扩散口的加工，避免电极的重复装夹和工件的二次定位，消除其中的对中误差。并且利用独特的刀具轨迹规划，减小工件去除体积，极大地提高加工效率，能够在大幅提高加工效率的同时获得相当的加工质量。
技术特征：
1.一种异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征在于，先以整个刀轨的起点处插铣至预设深度，然后在侧铣阶段采用侧壁放电的方式沿扩散口的侧面轮廓生成刀具轨迹的同时，针对电极损耗进行相应电极补偿，再对六轴联动电火花加工机床进行几何精度控制，使得电极沿预定的进给轨迹移动，从而实现扩散口的精确加工。
2.根据权利要求1所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的电极补偿是指：通过采集加工过程中的原始信号后，经平滑处理，提取得到表征当前加工状态的特征信号后，经稳定性量化得到量化结果，再根据量化结果和各加工阶段的稳定性特征，实现对电极断裂的实时监测；当检测到电极断裂，将暂停当前的加工，电极沿轴向补偿进给到要求深度，补偿完成后继续沿刀具轨迹进行侧铣，补偿动作不断进行，直到侧铣完成。
3.根据权利要求2所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的加工过程中的原始信号包括：可直接采集的信号或处理后得到特征信号；
4.根据权利要求2所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的稳定性量化是指：选取预设窗口内的各个特征信号，经平滑处理后，计算此窗口内的归一化峭度，作为该时间段内加工稳定性的量化值，具体为：其中：x为窗口的特征信号采样点，xi为第i个采样点，n为采样点个数，为窗口内特征信号采样点的均值，k(x)为窗口内特征信号的峭度值，rms(x)为窗口内采样点的均方根，kn(x)为归一化峭度。
5.根据权利要求1所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的几何精度控制是指：使用小孔加工实验测量侧壁间隙以及单次放电实验测量底部间隙，在生成铣削轨迹时加以考虑；
6.根据权利要求5所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的小孔加工实验是指：使用同种电极、同种工件以及相同电参数加工单个孔，测量其侧壁缝隙，得到该条件下的侧壁放电间隙，从而实现对铣削轨迹的补偿。
7.根据权利要求5所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的单次放电实验是指：使用同种电极、同种工件以及相同电参数进行单次放电，测量其底部放电缝隙，得到该条件下的底部放电间隙，从而实现对铣削轨迹的补偿。
8.根据权利要求5所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，该方法在五轴联动高速电火花铣削加工平台上实现，该平台包括：旋转工作台、设置于其上的待加工工件、相对待加工工件设置的中空管状电极以及电极断裂在线判别系统，其中：中空管状电极和加工工件之间设置高频电压，从而产生放电现象，实现工件材料去除，即加工工件上的气膜冷却孔；电极断裂在线判别系统通过电压差分探头、电流探头及放大器和数据采集与处理单元，采集待加工工件和中空管状电极上的采集放电信息，实现电极断裂的实时在线监测，当电极发生断裂时立即暂停加工并进行电极损耗补偿。
9.根据权利要求8所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的电极断裂在线判别系统，包括：电压差分探头、电流探头及放大器和数据采集与处理单元，其中：电压差分探头和电流探头及放大器采集加工工件和中空管状电极之间的放电信息，然后将数据传输至数据采集与处理单元，通过对原始数据的处理，提取归一化峭度，当连续个采样周期内归一化峭度计算结果均大于1，则认为当前加工状态为不稳定状态；否则认为处于稳定状态，结合自侧铣加工开始以来加工状态的变化情况，即可判断电极是否发生断裂。
10.根据权利要求8所述的异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，其特征是，所述的电极损耗补偿是指：当检测到电极断裂时暂停当前的侧铣加工，电极沿轴向补偿进给到要求深度，待补偿完成后，继续沿刀具轨迹进行侧铣，同时迭代进行电极损耗补偿直至侧铣完成。
技术总结
一种异形气膜孔五轴联动高速电火花铣削加工方法，先以整个刀轨的起点处插铣至预设深度，然后在侧铣阶段采用侧壁放电的方式沿扩散口的侧面轮廓生成刀具轨迹的同时，针对电极损耗进行相应电极补偿，再对六轴联动电火花加工机床进行几何精度控制，使得电极沿预定的进给轨迹移动，从而实现扩散口的精确加工。本发明加工时电极沿着扩散口的轮廓侧面进行铣削，采用侧壁放电代替端面放电，极大的扩大放电面积，从而提高加工效率的同时，将中心剩余的大块材料整体挖出，进一步地减少将其放电去除的时间和能源消耗。
技术研发人员：张亚欧,王健,奚学程,高强,马洁宇,陆以凡,赵万生
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23