基于UG加工環(huán)境下透平葉片的工藝與編程方法研究

季 青，蔣修定，陳 俊

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引 言

透平葉片是透平機(jī)械（如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等）中用以引導(dǎo)流體按一定方向流動(dòng)，并推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的重要部件。透平葉片通常需要與轉(zhuǎn)子配合使用，裝在殼體上的葉片稱靜葉片或?qū)~，裝在轉(zhuǎn)子上的葉片稱為動(dòng)葉片。透平葉片的主體是葉身，其尺寸關(guān)系到透平的流通能力。透平葉片種類繁多。現(xiàn)代大型電站汽輪機(jī)使用幾十級(jí)由短到長(zhǎng)的靜、動(dòng)葉片，使高達(dá)30 MPa 壓力的蒸汽逐級(jí)膨脹到約0.005 MPa的出口壓力，末級(jí)葉片的長(zhǎng)度可達(dá)1.5 m[1]。零件的工作環(huán)境較為惡劣，但對(duì)加工后的表面粗糙度和輪廓精度要求較高，所以對(duì)葉片所使用的材料和加工工藝有較高的要求。透平葉片的毛坯外形可以在車床上加工出來，對(duì)于葉片則需要使用多軸加工機(jī)床進(jìn)行加工。UG 編程是指采用西門子公司研發(fā)的專業(yè)3D 軟件UG ，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的數(shù)字程序的編制。它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段，針對(duì)用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的需求，提供了經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案。

1 UG 相關(guān)加工方法介紹

1.1 型腔銑

型腔銑主要用于粗加工，以切除大部分毛坯材料，幾乎適用于加工任意形狀的幾何體，也可應(yīng)用于斜度不大的側(cè)壁的精加工，或者用于清根操作[2]。型腔銑以固定刀軸快速而高效地粗加工平面和曲面類的幾何體，它和平面銑一樣，刀具是側(cè)面的刀刃對(duì)垂直面進(jìn)行切削，底面的刀刃切削工件底面的材料，不同之處在于定義切削加工材料的方法不同。

1.2 等高輪廓銑

等高輪廓銑是一種固定的軸銑削操作，通過多個(gè)切削層來加工零件表面輪廓。在等高輪廓銑操作中，除了可以指定部件幾何體外，還可以指定切削區(qū)域作為部件幾何體的子集，方便限制切削區(qū)域。如果沒有指定切削區(qū)域，則整個(gè)零件進(jìn)行切削，在創(chuàng)建等高輪廓銑削路徑時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)追蹤零件幾何體，檢查幾何體的陡峭區(qū)域，定制追蹤形狀，識(shí)別可加工的切削區(qū)域，并在所有的切削層上生成不過切的刀具路徑。

1.3 固定軸曲面輪廓銑削

固定軸曲面輪廓銑削是一種用于精加工由輪廓曲面所形成區(qū)域的加工方式，它通過精確控制刀具軸和投影矢量，使刀具沿著非常復(fù)雜的曲面運(yùn)動(dòng)[3]。在固定軸曲面輪廓銑削中，所有零件幾何體都是作為有界實(shí)體處理的。相應(yīng)地，由于曲面輪廓實(shí)體是有限的，因此刀具只能定位到零件幾何體上現(xiàn)有的位置。刀具不能定位到零件幾何體的延伸部分，但驅(qū)動(dòng)幾何體是可延伸的。

1.4 可變輪廓銑

可變輪廓銑與固定軸曲面輪廓銑不同的是，多軸曲面輪廓銑可以精確地控制刀軸和投影矢量使刀具沿著非常復(fù)雜的曲面運(yùn)動(dòng)[4]。其中，刀軸的方向，即刀具的中心指向夾持器的矢量方向，它可以通過輸入坐標(biāo)值、指定幾何體、設(shè)置刀軸與零件表面的法向矢量的關(guān)系，或設(shè)置刀軸與驅(qū)動(dòng)面法向矢量的關(guān)系來確定。

創(chuàng)建多軸加工操作的一般過程是：(1) 定義幾何體以及指定刀具。(2)指定選項(xiàng)，如進(jìn)給率、進(jìn)刀和退刀運(yùn)動(dòng)、部件表面等。(3)指定幾何體參數(shù)，如選擇優(yōu)化加工順序、避讓障礙等。(4)生成刀路軌跡及仿真。

2 透平葉片加工工藝分析

透平葉片的特點(diǎn)是葉身較長(zhǎng)，葉片壁薄，大多數(shù)葉片零件均使用合金不銹鋼作為基體材料，該材料屬于不易銑削加工的材料。合理的對(duì)零件進(jìn)行多軸加工程序的編制、選擇合適的切削用量、因地制宜的選用刀具材料成為順利加工出該類型零件的關(guān)鍵技術(shù)之一。透平葉片毛坯為圓柱體，采用三爪卡盤裝夾，再通過螺釘和壓板直接安裝在機(jī)床工作臺(tái)上[5]。葉片的葉身部分對(duì)加工后的表面質(zhì)量要求較高，因此因可能采用一條加工程序完成整個(gè)葉身部分的加工，避免產(chǎn)生接刀情況。

3 編程加工準(zhǔn)備

順利進(jìn)行程序編制前需要對(duì)加工零件進(jìn)行一些必要的準(zhǔn)備工作，如設(shè)置加工坐標(biāo)系，設(shè)置零件毛坯和加工零件，建立加工刀具等。

4 編寫加工程序

透平葉片具體加工工藝步驟如下所示。

工序1：凸面型腔銑粗加工，作為粗加工程序可快速去除零件的毛坯余量，為零件的后續(xù)加工做準(zhǔn)備，刀具軌跡如圖1 所示。

圖1 凸面型腔銑粗加工

工序2：凸面等高輪廓銑加工，適用于陡峭曲面的半精加工或精加工，刀具軌跡如圖2 所示。

圖2 凸面等高輪廓銑加工

工序3：凹面型腔銑粗加工，刀具軌跡如圖3所示。

圖3 凹面型腔銑粗加工

工序4：凹面等高輪廓銑加工，刀具軌跡如圖4所示。

圖4 凹面等高輪廓銑加工

工序5：葉身可變輪廓銑加工，可控制多種驅(qū)動(dòng)方法和刀具軸，可根據(jù)零件的加工要求創(chuàng)建多軸聯(lián)動(dòng)粗加工、半精加工和精加工程序，可自由靈活的編寫所需的加工程序，刀具軌跡如圖5 所示。

圖5 葉身可變輪廓銑加工

工序6：葉底可變輪廓銑加工，刀具軌跡如圖6所示。

圖6 葉底可變輪廓銑加工

工序7：凹面固定軸曲面輪廓銑削加工，主要針對(duì)一些需要對(duì)刀具軸進(jìn)行一定角度的傾斜才能將被加工部分加工到位的位置，此方法更具有加工效率上的優(yōu)勢(shì)，刀具軌跡如圖7 所示。

圖7 凹面固定軸曲面輪廓銑削加工

工序8：凸面固定軸曲面輪廓銑削加工，刀具軌跡如圖8 所示。

圖8 凸面固定軸曲面輪廓銑削加工

5 程序模擬仿真與代碼生成

對(duì)已經(jīng)編寫好的程序進(jìn)行模擬仿真是檢驗(yàn)程序正確性最為直觀快捷的方法，編寫人員可通過程序仿真功能檢驗(yàn)程序的正確性。完成加工程序的編制和驗(yàn)證后，還需將程序的刀具軌跡轉(zhuǎn)化為機(jī)床可識(shí)別的NC 代碼，用于控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。透平葉平后處理建議均采用mill5axis 后置處理器。

6 編寫工單列表

程序工單詳細(xì)記錄了加工程序所對(duì)應(yīng)的使用刀具參數(shù)、零件的裝夾方式和加工坐標(biāo)系的確定等基本加工信息，是指導(dǎo)機(jī)床操作人員進(jìn)行加工生產(chǎn)的重要技術(shù)文件。透平葉平的加工工單參見表1 所示。

表1 透平葉片的加工工單

7 立式5 軸加工中心加工注意事項(xiàng)

立式加工中心是一種邏輯性比較復(fù)雜的機(jī)器，是指主軸和工作臺(tái)設(shè)置為垂直狀態(tài)的加工中心，它是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上開發(fā)的，還集成了CNC 銑床的特性和功能。

加工程序應(yīng)在仿真驗(yàn)證檢查無誤后方可工作，使用高速功能時(shí)要確認(rèn)刀具的特性，排屑槽中鐵屑過多時(shí)應(yīng)先手工清掃再打開排屑器。

機(jī)床開啟后，要注意查看主軸、作業(yè)臺(tái)各方向的運(yùn)動(dòng)及各個(gè)壓力指示表是否工作正常，機(jī)床操作人員應(yīng)在了解機(jī)床功能、操作方法和注意事項(xiàng)后，在有關(guān)人員的指導(dǎo)下方可上機(jī)操作[6]。

立式加工中心加工過程中應(yīng)時(shí)刻注意機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工狀態(tài)，遇到異?，F(xiàn)象、噪音或警報(bào)時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)查看處置，問題解決后方可繼續(xù)加工。

工件加工結(jié)束，要及時(shí)清掃作業(yè)臺(tái)、擦洗并保養(yǎng)機(jī)床。封閉機(jī)床主電源前必須先封閉控制系統(tǒng)，非緊急狀況不運(yùn)用急停開關(guān)，每天下班前應(yīng)填機(jī)床的工作記載，做好交接班。