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让电火花在高精尖制造领域绽放异彩——北京市电加工研究所《大型精密六轴联动数控电火花成形机床》
发布时间:2019-07-05 12:00

编者按:北京市电加工研究所《大型精密六轴联动数控电火花成形机床》是我院2018年优秀科研成果之一。该科研成果属于高精尖制造领域,基于04国家科技重大专项支持,针对航天重型运载火箭发动机大型带叶冠整体式涡轮盘、带叶冠导向环和喷嘴叶栅环、能源领域闭式叶轮等关键零件的制造难题,完成了国内首台大型精密六轴联动数控电火花成形加工机床装备与技术的研制开发,突破了大型带叶冠整体式涡轮盘、带叶冠导向环和喷嘴叶栅环、大型压缩机闭式整体叶轮等研制与批量生产的瓶颈问题,为航天、航空、能源等行业提供关键制造装备,并可推广至模具、汽车等领域中。本期我们对其研究成果进行摘要介绍。

众所周知,随着航空航天、汽车、能源、生物医疗等领域飞速增长的技术需求,带动我国的制造装备与技术向高精度、高效率、高加工质量、高可靠性的技术台阶逐步迈进。以航空发动机为例,作为航空飞行器的动力来源,它是一种高度复杂和精密的热力机械,而超高速、高空、长航时、超远航程是新一代国防建设的需求,全世界仅有少数国家能够自主设计生产研发,在提高发动机可靠性和维护性的同时,为了提升发动机的推重比,航空发动机一直在向轻量化、整体化结构发展,如整体叶盘、叶环等结构。电火花加工技术以其“以柔克刚”、“高效精密”等特点,在钛合金、高温合金、复杂扭曲型面结构零件的精密与整体化加工中具有不可替代的技术优势,逐步获得了航空航天、能源等领域用户的广泛认可,为提升航空航天发动机新型号研制快速响应能力做出了不可忽略的贡献。

2009年,我国正式启动了高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项。机床制造工业作为国家战略产业之一,旨在全面发展高端精密数控装备和数控系统及功能部件,改变高端精密数控机床大部分依赖进口的现状。通过技术攻关,基本实现了高档数控机床、工作母机、重大成套技术装备、关键材料与关键零部件的自主设计制造。

北京市电加工研究所以其在先进制造技术特种加工领域强有力的技术优势,自2009年开始作为牵头单位连续承担国家科技重大专项高档数控机床与基础制造装备04专项航天复杂零部件超精密微细电火花加工装备与技术2014ZX04001111)、特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床2009ZX04003-022)、四工位电火花加工喷孔专用机床研究2011ZX04001-061)、国产高档数控机床与技术在飞航导弹发动机制造领域的综合应用验证及工艺研究应用生产线2015ZX04002201)。自主研发了大型精密六轴联动数控电火花成形机床、航天复杂零部件超精密微细电火花加工机床、五轴五联动电火花成形机床等装备,部分关键性能指标达到并超越了国际先进水平,五轴五联动电火花成形机床进入《国产高档数控机床军工产品目录》,实现了替代进口。

大型精密六轴联动数控电火花成形机床是由北京市电加工研究所作为牵头单位,联合北京市科学技术研究院、哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京迪蒙数控技术有限责任公司、首都航天机械有限公司、上海航天控制技术研究所、北京机床所精密机电有限公司等8家单位经过4年的研发所完成。

大型精密六轴联动数控电火花成形机床在研发过程中,由于该机床的目标加工尺寸大(直径600mm以上)、精度高,因此电加工所的研发人员在最初的设计过程中,提出了多套设计方案,并进行反复论证、实验,最终确定了牛头式机型。多项技术都为国内首创,形成了多项创新性技术成果,如新型的电火花主机结构有效的保证了电火花加工机床的各种运动精度、大型全浸液转台有效保证了六轴联动加工零件位姿调整需求、大功率脉冲电源(放电电流大于200A)有效提高了加工效率、六轴联动数控系统能满足各种复杂加工轨迹需求、六轴CAD/CAM系统大大降低了数控程序编程难度,提升了电火花加工的智能化水平、特殊材料加工工艺技术有效保证了复杂精密零件加工可靠性。

大型精密六轴联动数控电火花成形机床已为首都航天机械有限公司解决了多种型号的带叶冠整体涡轮盘、某复杂叶轮片和某装置型腔等多种关键零部件的加工装备与技术需求;在两年的运行期内,运行稳定,不但提升了其型号任务研制的技术响应能力,同时还使其航天领域的特种加工工艺设计与制造水平获得了长足的提升,形成了不同系列电火花加工工序的设计与制造能力;另外,北京市电加工研究所与首都航天机械有限公司联合建立了特种加工技术联合实验室,共同为开展民促军、军转民贡献力量。

依托该项目成果,电加工所获得发明专利3项,实用新型专利3项,软著2项;发表论文10篇;形成企业标准11项;创造直接经济效益2786万元。目前已形成系列化大型牛头式电火花机床新产品,为透平压缩机、发动机动力装置大型整体闭式叶轮、带叶冠整体涡轮盘等零部件提供完整电加工工艺方案,推动了产品应用领域的行业技术进步,解决了国防重大项目的关键技术难题,打破了国外技术垄断,节约了国防资金,为助力国防建设提供了有力支撑。

目前大型精密六轴联动数控电火花成形机床成果已进入产业化阶段,电加工所也已在中关村科技城平谷园区建立了复杂结构难加工材料工艺服务基地。其特殊材料闭式结构扭曲型腔零件的精密电火花加工服务获得北京市新技术新产品(服务)证书。随着我国航空航天、能源等高精尖领域对大型精密制造技术需求的不断提升,该项成果的发展与应用前景将十分广阔,如何实现大型精密六轴联动数控电火花成形加工装备与技术的高质、高效与快速完整工程化工艺服务能力,助力国防实力提升,将是电加工所始终关注的重要产品与技术发展方向。