汽輪機葉片數(shù)控編程及加工過程全景仿真與優(yōu)化

鄭 峰，葛春榮，周德釗，王 霄

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 金壇市飛承候機械有限公司，江蘇 常州213200)

0 引言

葉片是汽輪機的“心臟”，它能帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的熱能和動能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機械能并傳遞給發(fā)電機。作為汽輪機的核心部件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響到汽輪機的工作效率以及可靠性［1］。從結(jié)構來看，其葉身型面部分為復雜的空間曲面，各部分的曲率、扭轉(zhuǎn)變化較大，因此其數(shù)控編程及程序正確性與高效性的保證一直是一個難點。VERICUT軟件是一款專為制造業(yè)設計的CNC 數(shù)控機床加工仿真和優(yōu)化軟件，其本身并不能生成刀具路徑，但可以在軟件中建立虛擬環(huán)境，對其他軟件生成的NC 代碼進行動態(tài)模擬和優(yōu)化，從而有效的保護機床并提高加工效率。在制造業(yè)飛速發(fā)展的今天，對NC 代碼在軟件中全景仿真和優(yōu)化的研究也顯得意義重大。

當前的五軸數(shù)控編程與仿真研究的比較多的是整體葉輪［2-4］，因為UGNX7.5 軟件內(nèi)置了專門的葉輪加工模塊，可以方便的生成刀具路徑。而本文將以典型汽輪機葉片為例，以實際生產(chǎn)為導向，探索葉片加工工藝路線，并逐步進行數(shù)控編程并生成NC 代碼。將NX 軟件生成的G 代碼導入VERICUT 軟件中，在VERICUT 中建立虛擬機床，對NX 加工仿真的結(jié)果進行驗證，消除過切、欠切、機床碰撞和超行程等錯誤，最終通過VERICUT 軟件的優(yōu)化模塊對G 代碼進行切削參數(shù)的優(yōu)化。

1 NX7.5 環(huán)境下葉片加工仿真

1.1 葉片的參數(shù)化建模

通過分析葉片模型的結(jié)構特點，將葉片分為葉頂、葉型、葉根三個部分來建模，最后用布爾操作將他們組合在一起。葉頂和葉根部分可分別用一草圖拉伸和另一草圖旋轉(zhuǎn)后相交成型，草圖在創(chuàng)建過程中采用全約束，方便后續(xù)參數(shù)化的修改。葉型部分的建模是整個葉片參數(shù)化設計中的重難點。因為葉型部分的曲面較復雜，扭轉(zhuǎn)變化較大，可通過做出若干個截面的型線，然后通過直紋面功能將其最終成型。這一條條截面的型線就如同葉型部分的骨骼，型線構建的光順與否就和型面質(zhì)量的好壞有著密不可分的關系［5］。如圖1 所示，每條型線都是由內(nèi)弧、背弧、進汽邊圓弧和出汽邊圓弧這四條圓弧曲線組成。這四條曲線都是通過一系列離散的型值點來表達的，而進汽邊圓弧和出汽邊圓弧則會提供其他信息如圓弧圓心、起點和終點方便驗證型值點信息正確與否，所有型值點信息都會被保存在一個數(shù)據(jù)文件中。

通常的思路是將型值點數(shù)據(jù)處理成四個單獨的數(shù)據(jù)文件，對型值點采用3 次B 樣條進行擬合，再通過橋接或者草圖編輯以切線連續(xù)的方式連接這四條已生成的曲線使其成為閉合樣條，由已經(jīng)構造出的曲線直接生成自由曲面，3 次B 樣條曲面已經(jīng)足夠保證曲面的二階連續(xù)性［6］。葉片型面的造型需至少30 條型線，每條型線的型值點都需要用四個dat 文件來處理，構建每條線時都需要重復橋接曲線的工作，如此操作確實繁瑣。筆者通過大量試驗及思考，發(fā)現(xiàn)了一種比較簡單的型線構造思路。通過編輯型值點數(shù)據(jù)使得四條曲線的數(shù)據(jù)點全部保存在一個dat 文件中，并將點數(shù)據(jù)首尾保持一致，這樣就確保生成的樣條曲線是一個完整的閉合曲線，從而使得構線的操作化繁為簡。后期經(jīng)過加工比對，發(fā)現(xiàn)此方法生成的葉型曲線完全滿足加工精度要求。

按照此方法生成其余29 根型線，然后采用通過曲線組功能生成葉片的葉型部分。用面倒圓功能直接將葉片葉頂、葉型和葉根部分結(jié)合成為一個整體，如圖2 所示為某一典型汽輪機葉片的三維模型。

圖1 型線的基本結(jié)構

圖2 典型汽輪機葉片三維模型

1.2 葉片的CAM 仿真加工

對汽輪機葉片進行銑削加工，為保證葉片的加工效率、加工精度和加工質(zhì)量，可先采用較大的進給量對葉片進行粗加工，快速切除過渡毛坯的多余材料，當然也得保留一定的加工余量以便后續(xù)半精和精加工的順利進行。當加工出葉片的基本形狀時，需進一步對葉片毛坯進行半精加工和精加工，為保證葉片的表面粗糙度、形狀、位置及尺寸精度，需采用較小的進給量，使刀軌變得更加緊密，切除葉片毛坯的多余材料，最后形成合格的葉片產(chǎn)品?，F(xiàn)對葉片銑削加工進行工藝分析，工序路線如表1。

表1 葉片的加工工序路線

根據(jù)上表所示的葉片加工工序路線，可選擇在四軸機床上進行粗加工，半精加工和精加工安排在五軸加工中心上完成。在UGNX7.5 軟件中實現(xiàn)對葉片毛坯的編程，通過后處理將刀具路徑文件轉(zhuǎn)化成數(shù)控機床可以識別的G 代碼。首先創(chuàng)建加工坐標，將加工坐標系設定在工件的頂端位置，定義間隙和下限平面，由于葉片本身較長較寬，則間隙設為自動。指定加工部件，用自動塊的方式定義毛坯，這樣比手工定義的方法更準確。

在本例中需創(chuàng)建12 把刀具，分別用5 參數(shù)法定義刀具的直徑、下半徑、長度及刀刃數(shù)等參數(shù)來創(chuàng)建刀具，定義刀具號和刀具補償寄存器號為相對應的數(shù)值。將刀具按其直徑和下半徑大小命名為“D30R5.8”、“D32R0.4”等類似名稱，以方便調(diào)用刀具和管理。設置粗加工的余量為0.8mm，半精加工和精加工的余量分別為0.3mm 和0mm。銑定位夾緊基準面和預銑葉片外形及型面時用固定輪廓銑，設置較大的進給率以快速切除毛坯的多余部分;粗銑葉片各部分時都用型腔銑，采用跟隨部件的切削模式，恒定的每刀公共深度;精銑汽道內(nèi)背弧型面時采用可變輪廓銑，驅(qū)動方法為曲面驅(qū)動，設置投影矢量方向為垂直于驅(qū)動體，刀軸方向為相對于驅(qū)動體，其他參數(shù)采用軟件默認設置。

經(jīng)過反復調(diào)整創(chuàng)建操作菜單中的切削參數(shù)，盡量使得生成的刀具路徑整齊、均勻。在UG/POSTER 后置處理中將葉片加工的每一個加工部分生成相對應的刀具軌跡文件，也就是機床能識別的NC 代碼。葉片半精銑葉根出汽側(cè)生成的部分G 代碼如圖3 所示。

圖3 葉片半精銑葉根出汽側(cè)生成的部分G 代碼

2 VERICUT 全景仿真與優(yōu)化

2.1 數(shù)控機床仿真環(huán)境的建立

首先必須明確數(shù)控機床的型號、機床結(jié)構形式和尺寸、機床運動原理、各運動軸的行程及機床坐標系統(tǒng)等。本文以北京機電院的XKH800 五軸加工中心為例，介紹其在VERICUT 軟件中建立虛擬仿真環(huán)境，對葉片進行半精加工和精加工。

XKH 系列五軸聯(lián)動葉片加工中心是為滿足各類葉片加工的需要，應用國際先進技術，最新構思設計研發(fā)的高效、高精度五軸聯(lián)動葉片加工中心。此加工中心采用西門子公司的840D 數(shù)控系統(tǒng)，采用SIMODRIVE611D 驅(qū)動模塊，具有X、Y、Z、A、B 五個運動軸，能實現(xiàn)五軸聯(lián)動功能。A 軸端面至頂尖的最大距離為800mm，A 軸的最大回轉(zhuǎn)半徑為220mm，X 軸行程為1250mm，Y 軸和Z 軸的行程均為400mm，A 軸可以進行360°旋轉(zhuǎn)，而B 軸的行程僅為±40°，主軸轉(zhuǎn)速可高達10000r/min，刀具庫容量為16 把。

VERICUT 軟件提供一些常用的機床模型可供調(diào)用，但是一般都不能滿足要求。在這種情況下，用戶只能選擇自己進行建模，在VERICUT 軟件中當然也能進行三維實體的建模操作，但是操作不是很方便。本文在UGNX7.5 軟件中將模型建好以iges 格式導出，再通過導入的方式建立機床模型。分析機床結(jié)構，建立如圖4 所示的XKH800 機床部件結(jié)構樹，圖中U 軸為尾座頂針的橫向移動軸。

圖4 XKH800 部件結(jié)構樹

按照如圖4 所示的機床部件結(jié)構，在部件樹中按級別建立，然后導入UGNX7.5 軟件生成的各個軸的STL 模型文件，得到如圖5 所示的機床部件結(jié)構樹及簡化的XKH800 葉片五軸聯(lián)動加工中心。

2.2 仿真的實施與優(yōu)化

配置機床的數(shù)控系統(tǒng)控制文件為sin840d，將UGNX7.5 軟件生成的毛坯文件用STL 格式導入，調(diào)入UGNX7.5 軟件后處理生成的G 代碼程序，在刀具庫中依次創(chuàng)建仿真所需的12 把刀具，設置機床初始位置、機床零點、換刀位置等參數(shù)以及機床各軸的行程，使用手動數(shù)據(jù)輸入功能測試機床運動是否正確，待上述準備就緒，即可進行葉片的全景仿真，圖6 所示就是典型汽輪機葉片在VERICUT 軟件中的全景仿真。在仿真過程中，軟件下方的信息窗口會實時反饋碰撞、過切等錯誤，能直觀地看到G 代碼的錯誤以便后續(xù)修改。

圖5 簡化的XKH800 葉片五軸聯(lián)動加工中心

圖6 典型汽輪機葉片在VERICUT 軟件中全景仿真

在日常生產(chǎn)中能夠看到操作工人通過操作倍率旋鈕來調(diào)整切削速度，但是我們在UGNX7.5 軟件中編程時只能給定下刀抬刀的速度，卻不能根據(jù)每步的切削量調(diào)整切削速度。VERICUT 軟件優(yōu)化模塊可以根據(jù)刀具和每步走刀軌跡計算切削量，并與經(jīng)驗值進行比較，根據(jù)余量大小修改切削速度，從而生成更高效更安全的數(shù)控程序［7］。VERICUT 軟件提供恒定體積去除率切削方式和恒定切削厚度方式兩種優(yōu)化方法。在本例中對葉片做半精加工和精加工時，選擇兩種優(yōu)化方法并用的方式，比較兩種優(yōu)化方式的優(yōu)化結(jié)果，將較小的進給速度插入程序。葉片加工前后的加工時間對比如表2 所示。

表2 加工前后的加工時間對比

由表2 可以看出，優(yōu)化前加工一個葉片零件需要耗時57.64min，優(yōu)化后加工時間縮短為39.32min，提高了加工效率31.8%。試驗證明，經(jīng)過優(yōu)化加工參數(shù)后大大減少了切削時間，提高了機床的加工效率，取得了較明顯的優(yōu)化效果。

3 結(jié)束語

本文利用UGNX 軟件對典型汽輪機葉片進行了參數(shù)化的三維建模和數(shù)控編程，在VERICUT 軟件建立的五軸葉片加工中心仿真環(huán)境中進行了全景仿真和G 代碼優(yōu)化。在VERICUT 軟件中的全景仿真相比用CAD/CAM 軟件單純的刀路軌跡仿真更加真實，更接近實際加工情況，有效避免了碰刀、過切等現(xiàn)象;而其優(yōu)化功能使得零件在加工過程中獲得了合理的主軸轉(zhuǎn)速和進給量，縮短了加工所需的時間，大幅度提高了加工質(zhì)量和加工效率。而VERICUT作為全世界NC 驗證軟件的領導者，還具有對切削模型進行尺寸測量、改進表面質(zhì)量等功能，這也為進一步研究提供了方向。

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