航發(fā)壓氣機(jī)葉片的加工仿真分析

田國(guó)富，韓明珠，趙桐

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

0 前言

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。工作時(shí)，流過(guò)壓氣機(jī)的空氣被壓縮，可獲得較高壓力的空氣，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的需求。被壓縮后的空氣也可以為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)提供來(lái)源。航發(fā)壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其葉身為空間復(fù)雜曲面，目前大多采用五軸加工中心、磨削和鍛壓等方式來(lái)加工。

國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)壓氣機(jī)葉片的虛擬加工仿真進(jìn)行了研究。李洪祥、高俊璽在VERICUT軟件環(huán)境下，以透平葉片為對(duì)象，對(duì)五軸加工仿真進(jìn)行了研究；余凌國(guó)采用分步電解加工方法，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜扭曲葉片的加工；李泉對(duì)葉片全型面微觀加強(qiáng)筋進(jìn)行研究，提出了一套合理有效的縱向砂帶磨削軌跡方法；吳仁杰結(jié)合某大型葉片的進(jìn)水邊，研究了基于機(jī)械臂的較難加工部位的銑削加工工藝；胡曉強(qiáng)研究了鈦合金薄壁葉片的加工方法，并以切削力和切削厚度為指標(biāo)對(duì)NC程序進(jìn)行了優(yōu)化。以上研究成果取得了一定的成效，但目前對(duì)如何進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化的研究較少，尚未能對(duì)實(shí)際加工有所指導(dǎo)。

1 葉片加工工藝分析

1.1 加工分析準(zhǔn)備

合理制定加工路線是重要的環(huán)節(jié)。切削加工過(guò)程中刀具刀位點(diǎn)相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡稱為加工路線，不僅包括加工工序的內(nèi)容，也反映加工順序的安排，是編寫(xiě)加工程序的重要依據(jù)。

葉片的主要組成部分為榫頭、葉根圓角、進(jìn)氣邊、排氣邊、葉盆和葉背，屬?gòu)?fù)雜曲面類(lèi)薄壁零件。在銑削較薄材料時(shí)，為減小刀具和工件的震動(dòng)，可采用細(xì)齒銑刀。此外，切削參數(shù)的選用對(duì)加工質(zhì)量也具有重要影響，應(yīng)根據(jù)加工條件適當(dāng)選取。考慮以上情況，航發(fā)壓氣機(jī)葉片的加工銑刀均為4齒(即刃數(shù)為4)，選擇順銑方式。

1.2 制定葉片的加工工藝

榫頭部分的粗加工采用型腔銑削加工方法，由于圓角的存在，為去除大量毛坯材料，應(yīng)采用較大半徑的圓鼻銑刀，并且刀具圓角半徑的選擇應(yīng)盡可能合理。在已經(jīng)去除大量余料的前提下，半精加工采用固定輪廓銑削和深度加工輪廓方法，分別為加工相互垂直的兩面的方法，由于粗加工時(shí)刀具半徑較大，在兩側(cè)面弧形凹槽部位無(wú)法進(jìn)刀，因此在半精加工中需要補(bǔ)充一道工序用來(lái)去除凹槽余料，選用球頭銑刀。精加工方法與半精加工相同，但應(yīng)減小切削深度以保證加工質(zhì)量。

加工葉身時(shí)，首先對(duì)葉片毛坯進(jìn)行粗加工，葉片根部同樣存在圓角，在此情況下，刀具選用原則與加工榫頭一致。半精加工時(shí)，由于葉片型面為空間復(fù)雜曲面，需采用可變軸輪廓銑削方法進(jìn)行加工，并設(shè)定沿著葉片型面的螺旋刀路，能夠保證加工后的葉片表面質(zhì)量。葉身的精加工可延續(xù)半精加工的方式和方法，但要根據(jù)刀具半徑及銑削寬度等參數(shù)合理增加步距數(shù)，以完成葉片表面的精銑。

根據(jù)其尺寸及加工基本原則制定加工工藝，如表1、表2所示。

表1 葉片加工主要工藝參數(shù)(榫頭、葉片型面)

表2 葉片加工主要工藝參數(shù)(葉根圓角)

1.3 刀具路徑生成

根據(jù)制定的葉片加工工藝路線，在UG軟件中創(chuàng)建各工序并設(shè)定參數(shù)，經(jīng)計(jì)算生成刀具路徑。葉片的加工主要用到固定輪廓銑削、深度加工輪廓和可變軸輪廓銑削，均屬于型腔銑類(lèi)加工方法。

(1)創(chuàng)建加工毛坯。

(2)創(chuàng)建刀具。根據(jù)設(shè)定的加工工藝，分別添加每把刀具，輸入尺寸和形狀參數(shù)，并按順序添加刀具編號(hào)、補(bǔ)償寄存器和刀具補(bǔ)償寄存器編號(hào)，以幫助機(jī)床識(shí)別加工刀具信息。

(3)創(chuàng)建工序。在“幾何體”項(xiàng)目中分別設(shè)定設(shè)計(jì)部件和毛坯，并為其指定切削區(qū)域；在“工具”項(xiàng)目中指定工序所需的刀具；在“刀軸”項(xiàng)目中指定加工時(shí)的刀軸方向；在“刀軌設(shè)置”項(xiàng)目中，分別設(shè)定切削運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)參數(shù)。

設(shè)定完成后，得到該段刀具路徑，若刀路不合理需再返回修改，直至刀路正確無(wú)誤，繼續(xù)創(chuàng)建下一道工序。通過(guò)此種方式，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾即可完成葉片榫頭所有面的加工；完成榫頭加工后，掉轉(zhuǎn)裝夾方向即可一次性完成葉片型面、葉根圓角以及底部平面的加工，最后生成葉片的半精加工和精加工刀路。葉片主要加工刀路如圖1所示。

圖1 葉片主要加工刀路

2 后置處理編寫(xiě)與NC程序生成

2.1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

后處理的目的是通過(guò)坐標(biāo)變換將刀位文件轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)指令。加工葉片的機(jī)床選用Mikron_UCP800五軸機(jī)床，其運(yùn)動(dòng)為、、、、五軸聯(lián)動(dòng)。其中，、、三軸為線性運(yùn)動(dòng)，、兩軸為搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 Mikron_UCP800五軸機(jī)床參數(shù)

數(shù)控機(jī)床的空間運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)變換可以借助于機(jī)器人的空間位姿變換D-H計(jì)算方法。在空間中，坐標(biāo)系變換的具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 空間坐標(biāo)變換形式

五軸數(shù)控機(jī)床一般為、、三軸的線性運(yùn)動(dòng)和繞其進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)為、、軸。將初始位置表示為(,,)，機(jī)床平動(dòng)軸、、的初始位置表示為(,,)，用表示軸初始角度，表示軸的初始角度，工件坐標(biāo)系中的刀軸方向表示為(,,),刀位點(diǎn)位置表示為(,,)，根據(jù)坐標(biāo)變換推導(dǎo)出：

(1)

(2)

式中:

將其代入式(1)(2)中可得五軸后處理算法表達(dá)式，化簡(jiǎn)后可得機(jī)床坐標(biāo)位移計(jì)算公式

=(-)cos-(-)sin+

(3)

=(-)cossin+(-)coscos-(-)sin+

(4)

=(-)sinsin+(-)sincos+(-)cos+

(5)

=-arccos()

(6)

(7)

2.2 Mikron_UCP800五軸機(jī)床后處理定制

在后處理構(gòu)造器中新建一個(gè)輸出單位為Metric(mm)的后處理文件，查閱機(jī)床手冊(cè)了解參數(shù)后，在后處理構(gòu)造器中進(jìn)行參數(shù)配置。

完成參數(shù)設(shè)定后，在程序中添加定制命令，分別對(duì)程序的開(kāi)始序列、操作開(kāi)始序列、換刀語(yǔ)句、刀軌設(shè)置、操作結(jié)束序列和程序結(jié)束序列進(jìn)行定制，部分定制的程序序列如圖3所示。根據(jù)推導(dǎo)的坐標(biāo)變換公式更改程序內(nèi)容并對(duì)各變量進(jìn)行賦值，為后處理添加了RTCP功能，并在程序結(jié)束序列加入加工總用時(shí)語(yǔ)句，即添加輸出加工時(shí)間功能，用于比較不同工序或加工方法的加工效率。

圖3 部分定制的程序序列

2.3 數(shù)控程序生成

定制后處理器編寫(xiě)完成后，將第1.3小節(jié)中生成的刀具路徑分別進(jìn)行后處理，可得到用于仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)控程序，程序末端會(huì)生成加工時(shí)間“Total Machine Time:88.2 min”。部分NC代碼如圖4所示。

圖4 部分NC代碼

3 虛擬機(jī)床搭建與仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 虛擬機(jī)床搭建

應(yīng)用Vericut軟件創(chuàng)建項(xiàng)目，并設(shè)定其單位為mm。在項(xiàng)目樹(shù)中設(shè)置hei530為控制系統(tǒng)，完成后打開(kāi)設(shè)計(jì)的機(jī)床三維模型配置機(jī)床組件。

根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和各軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系，依次添加各運(yùn)動(dòng)軸，并將“附屬”移動(dòng)到軸下，構(gòu)成依附關(guān)系，最后添加各組件對(duì)應(yīng)的模型文件。

配置完成后，為方便區(qū)分，更改機(jī)床各部件為不同顏色，更改后機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Vericut中搭建虛擬機(jī)床

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

完成機(jī)床搭建后，需對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置才能進(jìn)行仿真加工實(shí)驗(yàn)。

(1)設(shè)置、旋轉(zhuǎn)軸屬性，并導(dǎo)入夾具及毛坯。添加之前設(shè)計(jì)并導(dǎo)出的夾具模型.stl格式文件。夾具設(shè)計(jì)與建模完成后，將模型文件導(dǎo)出。由于模型輸出時(shí)的參考坐標(biāo)系原點(diǎn)將作為導(dǎo)入Vericut中的坐標(biāo)系原點(diǎn)，因此其位置必須明確。采用相同方法添加毛坯模型。

(2)數(shù)控程序?qū)?。在配置?shù)控程序項(xiàng)中，將“數(shù)控程序類(lèi)型”選擇為“G-code數(shù)據(jù)”，并輸入經(jīng)后處理輸出的.ptp格式數(shù)控程序文件。

(3)設(shè)定程序零點(diǎn)。在坐標(biāo)系統(tǒng)中添加csys，并將位置設(shè)定在葉片毛坯頂部中心，需保證與加工編程時(shí)設(shè)定相同。在G代碼偏置項(xiàng)中，設(shè)置工作偏置為從刀具到csys。

3.3 加工仿真實(shí)驗(yàn)

各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，開(kāi)始仿真加工實(shí)驗(yàn)，仿真過(guò)程如圖6所示。

圖6 葉片加工過(guò)程

葉片仿真加工時(shí)，每一把刀具的顏色都不同，加工面的顏色也與之對(duì)應(yīng)。葉片的榫頭和葉身加工完成后，得到的仿真加工結(jié)果如圖7所示。

圖7 葉片仿真加工結(jié)果

仿真過(guò)程中虛擬機(jī)床和刀具嚴(yán)格按照既定數(shù)控程序執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，無(wú)撞刀、干涉情況出現(xiàn)，成功對(duì)葉片零件毛坯進(jìn)行了虛擬加工，驗(yàn)證了制定的加工工藝的合理性和后處理編制的正確性。加工的葉片實(shí)物如圖8所示。

圖8 葉片實(shí)物圖

4 結(jié)論

分析了航發(fā)壓氣機(jī)葉片的加工工藝，制定了工藝路線，并在UG中創(chuàng)建刀具，規(guī)劃了葉片的加工刀具路徑，完成了葉片的加工編程，解決了復(fù)雜曲面類(lèi)零件無(wú)法手工編程的難題。計(jì)算了機(jī)床運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，利用后處理構(gòu)造器模塊定制了Mikron_UCP800五軸機(jī)床的后處理文件，對(duì)規(guī)劃的葉片加工刀路進(jìn)行了后處理，生成了可用于五軸機(jī)床的數(shù)控程序。利用繪制好的機(jī)床組件三維模型，在Vericut軟件中搭建虛擬機(jī)床，并對(duì)葉片進(jìn)行了五軸機(jī)床的仿真加工。

(1)在仿真加工環(huán)境下，可實(shí)時(shí)查看仿真加工過(guò)程中虛擬機(jī)床與零件的狀態(tài)，觀察刀具在切削過(guò)程與零件是否存在干涉、機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸與零件是否發(fā)生碰撞等。

(2)虛擬加工能夠有效保護(hù)機(jī)床和刀具，可減少零件試切的成本和時(shí)間，提高了機(jī)床效能，節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期，為此類(lèi)零件的實(shí)際加工提供了參考。

(3)在后處理文件中添加RTCP功能，通過(guò)后處理輸出的數(shù)控程序可查看零件的加工時(shí)間，方便與后期優(yōu)化后的切削參數(shù)和加工工藝進(jìn)行對(duì)比和分析。