一、引言
軸流式壓縮機(jī)、軸流式膨脹透平在冶金、石化、空分、高壓制酸等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。其轉(zhuǎn)子核心零件葉片采用機(jī)翼型成空間扭曲造型,制造中通常采用葉型葉根加工、主軸榫槽加工后組裝成轉(zhuǎn)子部件,這樣組裝就使葉片葉根與主軸榫槽配合精度成為轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。為解決這一問題流體機(jī)械行業(yè)先后采用樅樹型、燕尾型、杈型礅粗夾持型等多種葉根形式;為提高配合精度,航空業(yè)已采用榫槽拉削、葉根數(shù)控磨削成型的方法,但加工成本十分昂貴。國外業(yè)界有采用葉片與輪轂整體銑制的先例,很好地解決了這一問題;這個(gè)問題的核心是解決自由面三元流葉輪數(shù)學(xué)建模及編程加工。|
二、概述
三元葉輪的整體數(shù)控加工,現(xiàn)階段是建立在直線元素的基礎(chǔ)上,即所加工葉輪上均布的是直紋面葉片,而對于自由曲面的葉片、葉輪(圖1)則較少有人研究,特別是軸流式機(jī)翼型三元葉片輪轂整體加工,目前國內(nèi)尚無先例。因此,這里的意義在于探索出了一種適合于空間自由曲面葉輪的數(shù)控編程方法,而且已在實(shí)踐中加以證明。
三、Camand軟件及三元葉輪簡介
1.Camand是專業(yè)的CAM軟件開發(fā)商,美國CAMAX公司研究開發(fā)的一種通用的CAM軟件包包括7個(gè)具體的軟件包:
(1)CamandPartmaker適用于2.5軸銑削加工編程,并可提供第4或第5定位功能,包括線框造型、圖形轉(zhuǎn)換、繪圖、標(biāo)注等基本造型手段,以及基本曲線加工、鉆削、型腔及外形加工功能;
(2)CamandNC除具有CamandPartmaker的所有功能外,更可支持3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程,同時(shí)還可提供基本的曲面建模與編輯功能;
(3)CamandModeler用于建立和編輯任何復(fù)雜的三維幾何零件模型;
(4)CamandMachinist包括CamandNC和CamandModeler的全部功能,軟件自動(dòng)處理刀具、刀桿和刀柄的干涉檢查;
(5)CamandMultax除CamandMachinist的所有功能外,其獨(dú)特的5軸聯(lián)動(dòng)加工編程功能,是Camand軟件的精華所在,可提供10余種5軸加工方法,用戶能在計(jì)算機(jī)上觀察機(jī)床、零件與刀具的聯(lián)動(dòng),有助于程序驗(yàn)證;
(6)CamandWireEDM2～5軸線切割編程軟件包;
(7)CamandLathe該軟件用于生成2軸至4軸數(shù)控車削的刀位軌跡。通過這些軟件包的強(qiáng)大支持,Camand具有很強(qiáng)的編程和非均勻有理B樣條(NURBS)曲面造型功能、真實(shí)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真功能、完善的后置處理以及豐富的軟件接口配置。能自動(dòng)生成復(fù)雜曲面的2軸至5軸聯(lián)動(dòng)刀位軌跡。能廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、模具、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。
2.三元葉輪是根據(jù)流體機(jī)械內(nèi)部的三元流動(dòng)狀況而設(shè)計(jì)的,能大幅度減少能耗和提高效率。半開式三元葉輪的加工是指輪轂與葉片在一個(gè)整體毛坯上進(jìn)行整體銑制加工,而不采用將帶葉根的葉片加工好后裝配到圓周方向帶相應(yīng)榫槽的輪轂上的加工方法,因其葉輪上均勻分布為三元任意扭曲葉片,且兩枚葉片之間空間很小(上圖中兩枚葉片之間最小直線距離為7.1mm,最大處為34mm),所以在加工中有很大難度。
四、三元葉輪的編程
1.葉輪數(shù)學(xué)建模
三元葉輪的Camand編程加工的前提是它的造型。首先將葉片各個(gè)型面數(shù)據(jù)寫入文本文件(一般用.dat或.txt格式),經(jīng)軟件內(nèi)文件轉(zhuǎn)換命令形成樣條曲線→舉升曲面→形成葉片曲面→與造型好的輪盤形成葉輪整體。
2.葉輪流道粗加工
(1)設(shè)備及工件裝夾的確定:工件以內(nèi)孔及底面為基準(zhǔn)打表找平找正后,放在夾具上,找與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)同心,并壓緊。利用CincinnatiH5-800XT5軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心進(jìn)行切削。
(2)加工方案的確定:在整個(gè)葉輪加工之前,面對的是一整個(gè)的圓柱形毛坯,從造型可以看出葉輪是軸對稱和圓心對稱的,要加工出葉片只需考慮一個(gè)氣流通道的加工,包括底面流道加工;葉片的背弧面與相鄰葉片的內(nèi)弧面加工及葉根圓角加工三大部分內(nèi)容。在實(shí)際加工時(shí),利用數(shù)控機(jī)床的多坐標(biāo)多自由度運(yùn)動(dòng)做重復(fù)加工上述三部分就形成所要葉輪了。
(3)切削刀具的選擇:5軸聯(lián)動(dòng)加工零件,選擇合理刀具參數(shù)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),根據(jù)工件材質(zhì),通過供應(yīng)商提供刀具樣本,確定刀具材質(zhì)(高速鋼、硬質(zhì)合金及涂層等),粗加工刀具要盡量選用大直徑、短的平底銑刀,大量、大走刀去除余量;精加工時(shí)根據(jù)型線走勢確定為球頭立銑刀或球頭錐度立銑刀。
(4)流道粗加工:針對三元葉輪主要由復(fù)雜組合曲面構(gòu)成,毛坯重量大,加工余量不均勻,粗加工工作量很大的特點(diǎn),采用分層截面法,使用直徑大小不等的刀具高效、快速切除毛坯主要余量,開槽銑出氣流通道。在編程方法上選用Camand提供的5軸聯(lián)動(dòng)加工中的Tilt模式,將加工對象——流道底面劃分成幾個(gè)部分,分別將相鄰葉片型面及底面作為干涉檢查面,針對每一部分進(jìn)行Tilt模式加工,這樣,所選的編程對象曲面面積相對變小,在選擇最大刀具的前提下,就更易于控制刀位向量及刀位軌跡,可以很簡單地完成流道開槽加工。
3.葉型精加工
在葉型精加工中,從加工效率和設(shè)計(jì)要求精度兩方面考慮,如果葉型扭曲得很厲害,可以對葉片背弧面和內(nèi)弧面采用不同模式加工。對于背弧面,可以采用前面流道開槽的Tilt模式加工,只要刀具調(diào)整刀位向量與曲面之間角度,保證刀具與內(nèi)弧面及自己(背弧面)不干涉即可。至于內(nèi)弧面,因?yàn)槭且粋�(gè)凹面,刀具比較難以進(jìn)入底面,在這種情況下,利用Interp模式來加工,只要將4個(gè)角點(diǎn)的刀位向量選擇準(zhǔn)確恰當(dāng),也可以順利完成葉型精加工。
4.后置處理
不同的數(shù)控機(jī)床往往采用不同的指令形式,其間的差異可能很大,而Camand是一個(gè)通用軟件包,用它編寫的數(shù)控程序具有通用性,可以用于任何機(jī)床。這樣就可在數(shù)控編程時(shí)將前置處理和后置處理分開。上述全部為前置處理,主要進(jìn)行刀具坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及擺角計(jì)算等。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出針對機(jī)床的Camand后置處理程序。完成將刀具軌跡及各種加工控制信息轉(zhuǎn)換成符合機(jī)床要求的指令格式,下面是CincinnatiH5-800XT加工中心A2100數(shù)控系統(tǒng)的一段加工程序:
N2G90G71G80G40G17M09N3M06T01N4S1000M03N5G00Z675.68N6X0.Y20.A0.B0.M08N7X.878Y17.12Z675.668A.439B-.168N8X9.372Y-37.018Z675.643N9X9.428Z695.007N10G01Y-36.673Z650.009F127.N11X9.517Y-36.787Z650.006A.437B-.32N12X9.528Y-36.311Z650.009A.358B-.406N13X9.475Y-36.512Z650.01A.375B-.475N14X9.278Y-39.839Z649.986A.819B-.63
五、總結(jié)
利用上述編程方法,可以實(shí)現(xiàn)自由曲面葉輪程序編制,且已經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證。同時(shí)在加工中應(yīng)遵循下面幾條原則。
(1)在刀位軌跡計(jì)算時(shí)一定遵循“拖刀”加工的要求,以免出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象。
(2)葉型精加工最好與清根加工同時(shí)進(jìn)行,保證葉型粗糙度。
(3)分段加工時(shí),為保證交界處吻合,可以將兩段曲面相互覆蓋,在條件允許情況下,采用圓弧進(jìn)刀、圓弧退刀。
(4)在沿葉長方向分層加工時(shí),一定要考慮到型線是扭曲的,不能單純提升原有底面,以免造成過切。
(5)在流道底面粗加工后,根據(jù)實(shí)際情況選擇精銑刀具,因?yàn)榇藭r(shí)型面加工余量尚不均勻。這種整體加工方式的試驗(yàn)成功,為將此類結(jié)構(gòu)的流體機(jī)械應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ),為提高葉根榫槽加工及其抗擊疲勞損壞提供了一個(gè)新途徑。
