王 榜,楊 勇,黃悅峰,張啟鵬,朱婉瑩
(1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧530000;2.四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司技術(shù)中心工藝組,四川 資陽(yáng)641301)
汽輪機(jī)風(fēng)葉葉片的工作條件復(fù)雜,葉片的加工質(zhì)量直接影響到機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠性,而葉片的質(zhì)量和壽命與葉片的加工方式有著密切的關(guān)系。因此,葉片的加工方法對(duì)汽輪機(jī)的工作質(zhì)量及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)風(fēng)葉葉片的數(shù)控加工問(wèn)題,利用CAD/CAM軟件Mastercam對(duì)其進(jìn)行了多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的編制,完成了風(fēng)葉葉片多軸加工工藝路徑規(guī)劃和汽輪機(jī)風(fēng)葉葉片四坐標(biāo)數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真,實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)葉片的虛擬加工,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析,對(duì)數(shù)控加工程序及工藝進(jìn)行優(yōu)化,為風(fēng)葉葉片的加工提供了一種可行性的加工方案[1]。
汽輪機(jī)葉片按照功能不同可分為動(dòng)葉片(如圖1)和靜葉片兩種。動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)一般由葉型、葉冠和葉根三部分組成。
圖1 動(dòng)葉片
(1)葉型:葉型是葉片的工作部分,又稱葉身型面,葉型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多為扭轉(zhuǎn)自由曲面。葉片與葉片之間的葉型部分構(gòu)成了氣流通道,當(dāng)蒸汽流過(guò)時(shí),動(dòng)能便轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。從圖1可看出,葉身型面可分為內(nèi)弧、背弧、進(jìn)汽邊、出汽邊、葉根、葉冠等。
(2)葉冠:葉片外端的固定部分稱之為葉頂(葉冠)。葉頂部分通常裝有圍帶,將汽輪機(jī)的短葉片和中長(zhǎng)部分連成葉片組,而長(zhǎng)葉片在葉片中部用拉筋連接成組。
(3)葉根:葉片通過(guò)葉根固定在葉輪或者轉(zhuǎn)鼓上。葉根的作用是緊固動(dòng)葉片,它需要保證在任何運(yùn)行條件下葉片都應(yīng)連接牢固。
本文研究對(duì)象是大型汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的葉片、毛坯為鍛造鋁合金LD10,零件圖如圖2所示。
圖2 某汽輪機(jī)葉片零件圖
由UG/CAD建立風(fēng)葉的數(shù)字模型可以分為兩部分:葉片曲面和基座?;怯善胀ㄆ矫鏄?gòu)成,可采用拉伸或剪切命令來(lái)完成造型。對(duì)于葉片的描述只有離散的數(shù)據(jù)點(diǎn),不具備曲線方程,為此應(yīng)用自由曲線曲面造型技術(shù)進(jìn)行葉輪的幾何造型[2]。
根據(jù)葉片的坐標(biāo)圖(如圖2)以及給定的坐標(biāo)值(如表1所示)畫出葉片的G-G截面。利用UG/CAD模塊下的曲線-樣條曲線命令,可得葉片的G-G封閉截面圖。
表1 葉片輪廓坐標(biāo)
當(dāng)所有截面樣條曲線都繪制完畢后,在UG/CAD模塊下選擇自由形式特征依次選擇構(gòu)造的樣條曲線,這樣即可形成葉片曲面的基本形狀(如圖3),通過(guò)對(duì)葉片曲面的進(jìn)一步處理,利用偏置表面命令,可以完成葉片的造型(如圖4)[3]。
圖3 葉片曲面基本形狀
圖4 葉片造型
葉根R面為葉片與葉柄圓弧面的相切面,且圖紙標(biāo)注圓角為R12.5 mm,葉片與葉柄的實(shí)體模型可以看出有陡峭邊緣,在此先做出葉片曲面在葉柄面上向外偏置距離為12.5 mm的曲面,再在UG模型中選擇“面圓角命令”,畫出葉根R圓弧面。最終,整個(gè)風(fēng)葉的三維加工模型如圖5.
圖5 風(fēng)葉模型
(1)數(shù)控機(jī)床的選擇
由于風(fēng)葉的三軸數(shù)控加工方式是通過(guò)對(duì)粗加工后的葉片外形進(jìn)行兩次裝夾,存在兩次裝夾誤差,而且對(duì)汽道型面的拋光質(zhì)量也很難保證。綜合考慮加工精度和成本的條件下,選擇四軸臥式加工中心DMC60H來(lái)完成葉片的數(shù)控加工。
(2)加工階段的劃分
汽輪機(jī)風(fēng)葉的數(shù)控加工主要包括葉根、葉片、葉頂?shù)你娤骷叭~柄圓弧槽等。本課題將風(fēng)葉的整個(gè)數(shù)控加工階段分為在同一工裝上完成的兩道工序:工序一為葉柄圓弧槽的加工;工序二為葉片、葉頂、葉根、葉柄基座圓弧面的加工,同時(shí)工序二的加工又分為粗銑、半精銑和精銑。
(3)工裝夾具的選用
風(fēng)葉工件與夾具的定位方式采用普遍使用的一面兩銷的定位方式:一圓柱銷與一菱形銷分別定位工件上的兩孔,定位面為B面。由于零件的加工坐標(biāo)系為機(jī)床旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心,所以工裝在機(jī)床上的定位為:一是旋心孔的定位芯軸;二是工裝的底平面與機(jī)床工作臺(tái)面;三是拉直工件與工裝的定位平面。為了盡量減小切削時(shí)刀具的懸伸長(zhǎng)度,應(yīng)將工件的中心盡量置于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋心。
(1)葉片的粗加工路徑規(guī)劃
葉型曲面的多軸加工常用兩種加工方案:1)葉片只作微小轉(zhuǎn)動(dòng)加工即刀具沿著葉片軸線方向來(lái)回?cái)[動(dòng)加工;這樣加工近似沿斜線加工,所以切削效率較高,且機(jī)床的圓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)不頻繁;2)葉片回轉(zhuǎn)加工即刀具沿截面型線繞圈進(jìn)行加工。加工時(shí)工件葉片隨著圓轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn),刀具沿工件葉片截面型線切削一周,縱向進(jìn)刀后再切削下一周。粗加工時(shí)采用方案2)且螺旋型進(jìn)刀(螺旋式走刀的特點(diǎn)是切削路徑是一段整體光順的路徑,不分切削行,只有一次進(jìn)刀與退刀路徑,刀具路徑能保持連續(xù)),使刀具從上往下沿葉片繞一圈一層(即行距)均勻、逐漸切削。這種加工路徑行距均勻,切削就比較穩(wěn)定。其步進(jìn)方向?yàn)槿~片型線的扭曲方向,所以不能太大。
結(jié)合工件材質(zhì)以及加工成本考慮,粗加工時(shí)刀具選擇普通高速鋼,切削時(shí)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為800 r/min.為了提高葉片加工的生產(chǎn)效率,刀具采用平底立銑刀,在加工時(shí)盡量采用大的切削量和大的走刀行距[4]。
(2)葉片的半精加工與精加工路徑規(guī)劃
由于精加工要求得到好的表面加工質(zhì)量以及較高精度的曲面形狀誤差,所以需提高各誤差加工精度值,縮小殘脊高度值。用平底刀銑削葉片時(shí)的刀中心點(diǎn)計(jì)算非常復(fù)雜,因此葉片精加工時(shí)采用R12.5 mm硬質(zhì)合金球頭銑刀(結(jié)合葉根的圓角來(lái)考慮),此時(shí)切削轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min.路徑采用上述葉型曲面多軸加工方案(1),此路徑符合葉片的受力方向,即這樣加工的刀軌跡也是與風(fēng)葉工作的氣流方向一致。選擇這種加工路徑可以增加葉片的強(qiáng)度和剛度,改善使用性能,也能從一定程度上減少機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的磨損和延長(zhǎng)了機(jī)床的使用壽命。
(3)葉根與葉柄圓弧面加工路徑規(guī)劃
從整個(gè)風(fēng)葉葉片加工分析中可以發(fā)現(xiàn)加工葉根R時(shí)不能破壞葉柄基座圓弧面,并且加工葉柄基座圓弧面時(shí)也不能破壞葉根R面。由于葉片、葉根、葉柄需在同一工序,至少是同一安裝定位下加工完成。采取的是同時(shí)加工葉根R與葉柄基座圓弧面。擬其粗、精加工路徑均為三軸加工中的投影加工:葉根中心線投影至葉片曲面進(jìn)行加工。
采用Mastercam軟件對(duì)風(fēng)葉葉片進(jìn)行了多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的編制,整個(gè)過(guò)程即是調(diào)用軟件的CAM數(shù)控編程模板,確定加工參數(shù),生成刀具軌跡[2]。
在“切削的樣板”選擇葉片曲面后,設(shè)置刀具的補(bǔ)正方向、切削方向、步進(jìn)方向、起始進(jìn)刀方向。刀具軸線的控制采用樣板曲面,選擇“補(bǔ)正至曲面”選項(xiàng),且將切削的樣板補(bǔ)正至新選的加工面。干涉面選取葉根R以及葉柄基座的圓弧面。設(shè)置加工選項(xiàng)后,然后進(jìn)入刀具選項(xiàng)參數(shù)設(shè)置,進(jìn)行模擬仿真,粗加工葉片的刀具路徑模擬畫面如圖6.
圖6 葉片外形粗加工刀具路徑模擬圖
由于模型加工是利用三軸曲面加工路徑投影加工來(lái)完成的,故先完成2D加工的參數(shù)設(shè)置,依次設(shè)置刀具參數(shù)、切削次數(shù)、走刀量、轉(zhuǎn)速等。然后進(jìn)行三軸曲面投影加工路徑選擇,加長(zhǎng)了進(jìn)退刀的引線長(zhǎng)度,即是刀具從外圍切入,切出后從葉片的外圍退出;其投影方式是基于前面的外形(2D)的NCI上。完成上述參數(shù)設(shè)置后,可以形成葉根R面與基座圓弧面加工的走刀軌跡圖,如圖7.
圖7 葉根R面與基座圓弧面加工軌跡
葉片的半精加工與精加工仍然采用流線加工方式進(jìn)行,曲面流線設(shè)置里面將補(bǔ)正方向設(shè)置成葉片長(zhǎng)方向,如圖8.刀具采用的是球頭銑刀,將校刀長(zhǎng)位置改為球心而不是刀尖,主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率以及切削余量均需進(jìn)行更改。半精加工與精加工要求較小的殘脊高度值,切削方式改為雙向。葉根R精加工仍然采用三軸投影加工方式,同樣需提高各誤差精度值。
圖8 精加工葉片刀軌示意圖
采用VERICUT仿真軟件構(gòu)建的數(shù)控加工仿真環(huán)境,經(jīng)過(guò)仿真后的NC程序不用試切削即可直接輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工,這樣就大大的降低了試切削風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省了試切削時(shí)間,同時(shí)還提高了產(chǎn)品加工的安全性。
根據(jù)確定的葉片加工的工藝規(guī)劃和機(jī)床參數(shù),對(duì)虛擬數(shù)控機(jī)床進(jìn)行建模,分別對(duì)機(jī)床、工件、碰撞檢測(cè)、機(jī)床行程極限、軸優(yōu)先權(quán)、機(jī)床零點(diǎn)、工件零點(diǎn)、刀具等進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成后,將機(jī)床夾具、毛坯導(dǎo)入仿真樹型目錄下后即可進(jìn)行葉片的加工仿真。按零件實(shí)際加工進(jìn)行仿真:加工葉片頂端部—粗加工葉片—粗加工葉根—半精加工葉片—半精加工葉根—精加工葉片—精加工葉根。
整個(gè)風(fēng)葉仿真加工完成后的模型如圖9.加工仿真完成后,可以采用分析下的“自動(dòng)-比對(duì)”命令對(duì)仿真加工模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行檢測(cè),仿真加工模型與設(shè)計(jì)模型不相符合之處將以紅色邊界面顯現(xiàn)出來(lái),以此校核NC程序的正確性。仿真時(shí)可以選擇優(yōu)化控制,對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化。從風(fēng)葉仿真加工結(jié)果分析可知,加工過(guò)程中并未產(chǎn)生干涉或者過(guò)切現(xiàn)象,所以,仿真后的NC程序不用試切、可直接輸入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件的加工[5-8]。
圖9 風(fēng)葉仿真加工結(jié)果
通過(guò)實(shí)例闡述如何利用CAD/CAM軟件對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行數(shù)字化建模以及葉片加工的多軸聯(lián)動(dòng)程序的編制。在VERICUT中構(gòu)建了風(fēng)葉數(shù)控加工的仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)葉葉片加工的虛擬仿真。在仿真過(guò)程中,可以對(duì)NC程序進(jìn)行適時(shí)修改,對(duì)進(jìn)給參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)仿真,能夠保證數(shù)控加工程序的正確性,將過(guò)切與干涉等不安全因素消除在加工之前,這樣不僅優(yōu)化了加工工藝,而且提高了零件的生產(chǎn)效率。經(jīng)過(guò)仿真與優(yōu)化后的數(shù)控加工程序可直接導(dǎo)入加工機(jī)床,然后直接對(duì)工件進(jìn)行切削加工,而無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行試切削加工。
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