基于Cimatron E8.5的汽輪機(jī)葉片四軸數(shù)控加工工藝研究

邢　健，程艷艷

(1.東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林　132012；2.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工機(jī)械系，吉林 吉林　132013)

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基于Cimatron E8.5的汽輪機(jī)葉片四軸數(shù)控加工工藝研究

邢健1，程艷艷2

(1.東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林132012；2.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工機(jī)械系，吉林 吉林132013)

摘要：以汽輪機(jī)某一級(jí)T型葉根葉片為例，主要介紹了葉片的加工工藝設(shè)計(jì)，詳細(xì)說明了應(yīng)用Cimatron E8.5軟件對(duì)葉片進(jìn)行四軸數(shù)控加工編程及仿真加工的過程，重點(diǎn)分析探討了沿軸線往復(fù)走刀方式和沿截面線螺旋走刀方式的特點(diǎn)，并在四軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了葉片加工試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了加工工藝設(shè)計(jì)的合理性以及Cimatron E8.5軟件自動(dòng)編程及仿真加工的可靠性，同時(shí)說明了選擇合理的走刀方式能夠顯著提高加工效率。

關(guān)鍵詞：葉片；Cimatron E8.5；四軸加工；走刀方式

0引言

葉片是汽輪機(jī)組成的核心部件之一，其加工制造水平很大程度上影響著汽輪機(jī)的工作性能與效率[1]。隨著汽輪機(jī)行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，葉片的加工方法由傳統(tǒng)的手工加工發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)控加工，其加工質(zhì)量與精度得到了很大的提高。目前，根據(jù)葉片型面的復(fù)雜程度可以分別選擇三軸、四軸、五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。三軸數(shù)控機(jī)床只能加工型面簡(jiǎn)單、扭曲較小的葉片，且毛坯需要二次裝夾，影響加工精度。五軸數(shù)控機(jī)床可以很好地加工復(fù)雜型面的葉片，但由于價(jià)格昂貴，國內(nèi)應(yīng)用尚不廣泛[2-3]。四軸數(shù)控機(jī)床很好地解決了利用三軸與五軸加工葉片所帶來的問題，所以研究如何利用四軸數(shù)控機(jī)床高效地加工出合格的葉片，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有一定的參考意義。

1三維模型的建立

三維模型的獲得通常有兩種途徑：一是通過已知數(shù)據(jù)或者圖紙信息直接建立三維CAD模型，即我們通常所說的正向設(shè)計(jì)；二是只有實(shí)物卻沒有數(shù)據(jù)信息，需通過測(cè)量或掃描系統(tǒng)獲得實(shí)物數(shù)據(jù)信息，然后利用成熟的CAD/CAM技術(shù)，快速、準(zhǔn)確地建立實(shí)體幾何模型，即逆向設(shè)計(jì)[4-5]。本文以汽輪機(jī)的某一級(jí)T型葉根動(dòng)葉片為模型，利用激光掃描技術(shù)獲取葉片截面數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后建立三維CAD模型。圖1為葉片原型與通過逆向技術(shù)獲得的三維CAD模型。

圖1　葉片原型與三維CAD模型

2加工工藝設(shè)計(jì)

2.1材料與毛坯的選擇

汽輪機(jī)葉片是在高溫高壓的工況下使用，通常采用高強(qiáng)鋼、不銹鋼、高錳鋼材料加工。汽輪機(jī)葉片毛坯的選擇與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，常用的汽輪機(jī)葉片毛坯形式主要有：方鋼，模鍛、精鍛、高速鍛、半精鍛、軋制、精密鑄造[6]。

由文獻(xiàn)[6]可知，T型外包葉根等截面直葉片，汽道長度在100mm以內(nèi)且生產(chǎn)批量較小時(shí)，選用方鋼毛坯，大批量生產(chǎn)選用高速鍛毛坯；T型外包葉根變截面動(dòng)葉片，汽道長度在100mm～200mm之間，生產(chǎn)批量較小時(shí)選用方鋼毛坯，大批量生產(chǎn)時(shí)，選用半精鍛毛坯。本文試驗(yàn)所用葉片長度為186mm，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)選用方鋼毛坯，試驗(yàn)加工采用鋁合金棒狀毛坯。

2.2加工方案的確定

2.2.1加工過程分析

試驗(yàn)葉片的毛坯一端用機(jī)床第四旋轉(zhuǎn)軸的卡盤裝夾，另一端用頂尖定位。葉片只有葉身部分屬于復(fù)雜型面，因此本試驗(yàn)只研究葉身型面的加工。

擬定兩種切削加工方案：方案一是沿著葉片的軸線方向往復(fù)式走刀加工，如圖2a所示，方案二是沿葉片截面輪廓線螺旋走刀加工，如圖2b所示。對(duì)兩種加工方案進(jìn)行數(shù)控編程并仿真加工，綜合對(duì)比分析，選擇最優(yōu)方案，并應(yīng)用于試驗(yàn)加工。

圖2　走刀方式

2.2.2編程設(shè)置流程

試驗(yàn)葉片的數(shù)控編程及仿真加工均在Cimatron E8.5環(huán)境下進(jìn)行，葉身的加工過程分為粗加工、半精加工、精加工三道工序。

編程設(shè)置流程：

(1)創(chuàng)建刀路軌跡：進(jìn)入Cimatron E8.5的加工模式，選定機(jī)床坐標(biāo)軸類型為“4”軸，設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸為“X”軸，然后按照葉片模型建立毛坯，根據(jù)毛坯幾何尺寸設(shè)定刀具的安全高度。

(2)創(chuàng)建加工程序：為了提高加工效率，葉片的整個(gè)加工過程要按照零件曲面形狀銑削材料，所以從粗加工到半精加工，最后到精加工都要將加工程序設(shè)置界面主選擇設(shè)為“流線銑”，二級(jí)選擇設(shè)為“四軸零件曲面”。

(3)設(shè)定零件：根據(jù)不同的加工方案分別將零件的外表面分為若干部分，在編程過程中根據(jù)加工順序選擇相應(yīng)的零件曲面。

(4)設(shè)定刀具：在刀具和卡頭設(shè)置窗口中，要根據(jù)加工工序設(shè)置刀具種類和刀桿長度。刀具的選擇原則：平底銑刀是以線接觸的方式加工，加工效率高，所以粗加工應(yīng)選擇平底銑刀；球頭銑刀是以點(diǎn)接觸的方式加工，切削效率低，應(yīng)用于半精加工和精加工。本試驗(yàn)兩種加工方案編程時(shí)粗加工都選擇φ14mm平底銑刀，半精加工和精加工均選用φ8mm的球頭銑刀。

(5)設(shè)置刀路參數(shù)和機(jī)床參數(shù)：根據(jù)粗加工、半精加工、精加工工序的不同設(shè)置不同的刀路參數(shù)與機(jī)床參數(shù)。在刀路參數(shù)設(shè)置中，可以對(duì)進(jìn)退刀點(diǎn)和進(jìn)退刀方式、安全平面、精度與曲面偏移量、刀路軌跡等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，需要將切削材料合理進(jìn)行分層設(shè)置。刀路軌跡設(shè)置選項(xiàng)中，選擇基于等殘留高度法的沿X軸往復(fù)型走刀方式，即方案一走刀方式，如果將“加工方向”設(shè)置為“反向”，即為方案二走刀方式。機(jī)床的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。

葉片型面的粗加工目的是快速切除毛坯上多余的材料，加工出葉片大致輪廓，注重的是加工效率，所以應(yīng)盡可能選擇大的切削深度和進(jìn)給量；半精加工的目的是為了比較準(zhǔn)確加工出的葉片型面形狀，但要為精加工留有加工余量；葉片精加工的目的是準(zhǔn)確加工出葉片型面，需要選取較小的走刀行距和切削寬度、進(jìn)給速度，以提高表面的加工質(zhì)量[7-8]。圖3為方案一半精加工時(shí)部分刀路參數(shù)和機(jī)床參數(shù)的設(shè)置。

(6)保存設(shè)置：保存各項(xiàng)設(shè)置，利用軟件自動(dòng)計(jì)算生成每種加工方案的粗加工、半精加工、精加工的刀具軌跡。圖4為方案一粗加工的刀具軌跡。

圖4　方案一粗加工的刀具軌跡

圖3　刀路參數(shù)與機(jī)床參數(shù)設(shè)置

2.2.3Cimatron E8.5環(huán)境下的仿真加工

Cimatron E8.5的高級(jí)仿真功能是通過計(jì)算機(jī)來驗(yàn)證所生成刀具軌跡的正確性。仿真加工主要是模擬零件的加工過程，由于它可以動(dòng)態(tài)描述葉片三維模型、刀具軌跡、刀具在加工過程中的變化，可以從不同角度觀察加工情況，具有實(shí)時(shí)性。通過仿真加工，可以觀察到走刀路線是否合理，刀具與工件表面是否發(fā)生過切、干涉，進(jìn)退刀的高度與方式是否合適以及加工時(shí)間的長短，省去零件材料試切環(huán)節(jié)，節(jié)約成本，減少了加工檢查時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

Cimatron E8.5仿真步驟如下：在CAM模式下，點(diǎn)擊“高級(jí)仿真”，進(jìn)入“模擬檢驗(yàn)窗口”，選中要模擬的程序，確定后進(jìn)入Cimatron E的仿真器Verifier模擬加工過程，從而檢驗(yàn)程序的正確性。圖5是兩種方案仿真加工過程示意圖。

圖5　仿真加工示意圖

經(jīng)過仿真加工驗(yàn)證了兩種方案編程設(shè)置的正確性，在相同參數(shù)設(shè)置的情況下，方案二所耗時(shí)是方案一的3倍。

2.2.4走刀方式的選擇及分析

方案一沿葉片的軸線方向往復(fù)加工，刀具軌跡近似直線，可以采用較大步長生成刀具軌跡，而且不會(huì)產(chǎn)生過切現(xiàn)象，可以有效減小加工程序，使加工效率得到提高，此種走刀方式適用于方鋼毛坯，但在變截面大扭曲葉片的加工過程中，易出現(xiàn)空走刀現(xiàn)象。此外，如果葉片邊緣薄，切削邊緣時(shí)由于剛度較小，易出現(xiàn)毛刺，圓滑度較差。

方案二是沿著葉片截面線螺旋走刀加工，該方案符合葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所加工的葉片葉型準(zhǔn)確度高，但沿葉片截面方向曲率較大，這樣就必須采用較小的步長生成刀具軌跡，否則在加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)過切現(xiàn)象，數(shù)控編程計(jì)算量較大，程序較長，加工效率低。此種走刀方式適用于模鍛、精鍛毛坯。

對(duì)比兩種方案仿真加工時(shí)間分析，在相同參數(shù)設(shè)置情況下，方案二所耗時(shí)是方案一的3倍，考慮葉片應(yīng)用到汽輪機(jī)之前，還需要經(jīng)過拋光處理，即使邊緣圓滑度較差也可以通過拋光方法來解決。

綜合上述分析，為了提高加工效率，選定方案一進(jìn)行葉片實(shí)際加工。

3葉片加工試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)使用型號(hào)為FV-800A的四軸加工中心，該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為FNAUC-0imB，主軸可無級(jí)調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速8000r/min，最大進(jìn)給速度10m/min。

試驗(yàn)材料：為了保護(hù)機(jī)床和減少刀具的磨損，使用硬度相對(duì)較小φ70mm的7075鋁合金材料進(jìn)行加工。

3.2參數(shù)設(shè)置

加工順序：結(jié)合葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際加工情況，選擇分層銑削工藝[9-10]，順序?yàn)椋喝~身凹面粗加工、葉身凸面粗加工、葉身半精加工、葉身精加工、葉根加工。

采用硬質(zhì)合金刀具加工，切削液采用乳化液。各項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1　工藝參數(shù)表

圖6　葉片加工試驗(yàn)圖

3.3加工試驗(yàn)

葉片型面以及葉根的加工均在四軸加工中心上完成，從粗加工到精加工耗時(shí)2.5h。加工過程中未發(fā)生過切、碰刀、干涉現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了刀具軌跡計(jì)算的合理性。葉片表面刀具軌跡分布比較均勻，邊緣較薄處出現(xiàn)輕微毛刺現(xiàn)象，與理論分析吻合。圖6為葉片加工試驗(yàn)過程圖，圖7為加工后的鋁合金葉片。

圖7　加工后的葉片

4結(jié)論

通過對(duì)汽輪機(jī)葉片四軸數(shù)控加工方法的研究，得出如下結(jié)論：

(1)四軸數(shù)控加工葉片解決了三軸數(shù)控機(jī)床加工時(shí)需要兩次裝夾的問題，提高了葉片的加工精度；

(2)葉片毛坯應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來選擇；加工過程中，合理地選擇走刀方式能夠顯著提高工作效率；

(3)試驗(yàn)驗(yàn)證了Cimatron E8.5軟件四軸加工自動(dòng)編程和仿真加工的可靠性。

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(編輯趙蓉)

Processing Technology of Four-axis NC Machining Turbine Blade Based on CimatronE8.5

XING Jian1, CHENG Yan-yan2

(1.Engineering Training Center, Northeast Dianli University, Jilin Jilin 132012, China; 2.Department of Chemical Machinery, Jilin Vocational College of Industry and Technology, Jilin Jilin 132013, China)

Abstract：The processing technology of a class of T-type steam turbine blade which machined on four-axis NC machine tool was introduced and the NC machining program and simulation process obtained by Cimatron E8.5 software was described in detail. Whether along the blade axial cutting or along the blade section line cutting was analyzed as the key. Blade machining experiment was conducted on four-axis nc machine tool. Experiment proved the rationality of selecting the processing technology and the reliability of applying Cimatron E8.5 software automatic programming and simulation processing, At the same time, the experiment showed the reasonable selection of cutting method could significantly improve processing efficiency.

Key words：blade; Cimatron E8.5; four-axis machining; cutting method

中圖分類號(hào)：TH164；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：邢健(1979—)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)教師，博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)及金屬板料成形，(E-mail)13843225230@163.com。

收稿日期：2015-03-03

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0127-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.034