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2017年5月19日

五坐標(biāo)聯(lián)動加工中心加工機(jī)翼型葉片工藝技術(shù)研究 - 加工中心

五坐標(biāo)聯(lián)動加工中心加工機(jī)翼型葉片工藝技術(shù)研究一、加工方式概述機(jī)翼型葉片，截面呈機(jī)翼型，空間呈三維扭曲造型，在軸流式透平壓縮機(jī)中有廣泛的應(yīng)用，其加工制造已普遍采用五坐標(biāo)聯(lián)動精工機(jī)床來完成。五坐標(biāo)加工中心對葉片及葉根的加工，通常采用如圖1所示的方式進(jìn)行。葉片毛坯裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺A軸上作360°的旋轉(zhuǎn)，主軸銑頭則在C軸方向擺動。實(shí)際加工過程中，氣動頂尖對其頂部進(jìn)行頂緊。葉片的加工可分粗加工、半精加工和精加工三步來完成。葉片的精加工的******方式是由五軸聯(lián)動，以高速螺旋式切削法來完成，這種加工方式的效率最高，加工出的葉型也最理想。葉片型面部分通常用面銑刀加工，面銑刀切削效率較高，但面銑刀在C軸方向不能有固定擺角，加工至葉根部分時，為避免干涉，靠近葉根部分的葉型通常用球頭銑刀加工，在C軸方向偏轉(zhuǎn)一固定角度，以避開刀具與葉根的干涉。在C軸方向的這個偏轉(zhuǎn)角度太小無法避免干涉，太大則有可能在另一面的葉型處產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。對于扭曲度較大的動葉片，這一點(diǎn)尤其重要。二、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備透平機(jī)械中的軸流壓縮機(jī)和TRT軸流式能量回收膨脹葉片的葉型，設(shè)計圖樣對型面的表述，通常是幾個截面的葉型數(shù)據(jù)，可能是空間點(diǎn)陣，也可能是多段圓弧線。須對數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理，主要工作內(nèi)容是光順、旋轉(zhuǎn)、平移，使設(shè)計坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)一起來，即設(shè)計基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一。采用高速螺旋式切削法加工葉片，對葉片的型面曲線光滑連續(xù)性設(shè)計要求很高。葉片型面(背弧面、內(nèi)弧面、進(jìn)出氣邊圓角)不得有尖點(diǎn)、折點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)，否則在高速切削狀態(tài)下，刀具極易在瞬間產(chǎn)生較大振動，造成設(shè)備事故。葉型不光順的另外一種情況是在造型過程中，雖然每個截面的型線是光滑連續(xù)的函數(shù)曲線，但沿軸形成三維造型時，型面不光順，中間有“波浪”狀起伏，這種情況通常要經(jīng)過對各截面基準(zhǔn)的調(diào)整來修正。對同一截面內(nèi)數(shù)據(jù)無法形成光順的樣條曲線的情況，必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。具體方法是在截面曲線上，取n個點(diǎn)，曲率大的地方取點(diǎn)密，曲率小的地方取點(diǎn)疏，分別作這些點(diǎn)的法線，如圖2和圖3所示。圖3的光滑連續(xù)曲線各點(diǎn)法線方向變化平緩，圖2為較差的原始數(shù)據(jù)形成的截面曲線，其不同節(jié)點(diǎn)的法線方向變化劇烈，截面曲線顯然是不光滑的，如果以這樣的截面曲線生成三維空間造型，葉片型面凹凸不平，加工中不能實(shí)現(xiàn)。圖1 對葉片、葉根的加工方式　　　　　　圖2 原始數(shù)據(jù)形成的截面曲線　　　　圖3 修改數(shù)據(jù)后的截面曲線三、數(shù)學(xué)建模機(jī)翼型葉片各截面數(shù)據(jù)列表表述，沿機(jī)翼周向各截面均勻布點(diǎn)給出，軸向沿直素母線對應(yīng)給出。基于上述情況，葉片造型第一步是在二維平面內(nèi)進(jìn)行，每一個截面都在平面內(nèi)形成一條封閉的曲線，每條曲線在葉片長度方向都有一個固定的位置。按照固定的位置將各個截面先旋轉(zhuǎn)，然后平移。葉片的葉型一般來說有兩種形式，一是由樣條曲線組成，進(jìn)氣邊和出氣邊分別有兩段圓弧過渡；二是由多段圓弧組成的一條封閉曲線。在造型時必須注意以下幾點(diǎn)。葉型的截面曲線必須光滑連續(xù)封閉對于葉型曲線不封閉的情況，譬如進(jìn)出氣邊的圓弧與內(nèi)背弧曲線不相切，就要改變圓弧圓心的位置，或是改變圓弧圓心的半徑，或是對內(nèi)背弧曲線的端點(diǎn)作相應(yīng)的調(diào)整要保證葉片弦長不變。為保證弦長不變，可作一條與弦長相切，且與已知進(jìn)氣邊(或出氣邊)圓弧相切的直線，然后分別作兩條過內(nèi)背弧曲線端點(diǎn)，且與內(nèi)背弧曲線相切的直線，這樣就形成三條直線，作一與這三條直線相切的圓，這個圓即與內(nèi)背弧相切，起光滑過渡作用，同時也保證了弦長不變。葉片的進(jìn)出氣邊邊緣應(yīng)分別是兩條光滑的曲線通常情況下，對于一個葉型數(shù)據(jù)完全正確的葉片，造型完成后，應(yīng)是如圖4所示，進(jìn)出氣邊的邊緣是兩條光滑的曲線。但有時進(jìn)出氣邊邊緣有時呈“波浪狀”起伏。解決這一問題的方法是選用5個以上截面處在進(jìn)出氣邊緣上的端點(diǎn)，形成二次曲線，二階連續(xù)，以此修正其他截面數(shù)據(jù)的進(jìn)出氣端點(diǎn)數(shù)據(jù)。圖4 造型完成的葉片刀具過切的計算避免刀具過切的方法有兩種，即改變刀具直徑或改變切削角度。曲率較大的葉片型面，過切情況比較容易發(fā)生，對于凸型曲面加工時，刀簇沿型面法矢切削時，過切現(xiàn)象不易發(fā)生；對于凹型曲面用刀簇仍沿型面法矢切削，會受曲率半徑的影響產(chǎn)生過切，這時避免刀具過切應(yīng)優(yōu)選改變刀具半徑的方法。在造型的同時計算刀具直徑和切削角度，可以大大提高編程效率。如圖5所示，其方法是，在已經(jīng)造型好的封閉的葉片截面曲線上，均勻地取n個點(diǎn)，然后在第一個點(diǎn)上，定義一把假想的刀具和一個假想的切削角度，以遞次循環(huán)的方式使刀具按確定的切削角度依次通過截面上的每一個點(diǎn)，同時觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有，則修改刀具直徑和切削角度。由于這時觀察到的切削情況是在二維空間中，只是針對某一個截面，并不能反映出實(shí)際的三維加工情況，因此還需作進(jìn)一步技術(shù)上的處理，即將相鄰兩個葉片截面投影在同一個平面內(nèi)，如果截面距大于刀具直徑，在投影圖上，刀具與相鄰兩個葉片截面也不產(chǎn)生過切，那么就可以認(rèn)為假想中的刀具直徑和切削角度是合適的。為了提高切削效率，在不產(chǎn)生過切的情況下，盡可能采用大直徑的刀具。坐標(biāo)系的建立任何一個零部件在精工機(jī)床上加工，都要建立一個三維坐標(biāo)系。實(shí)際加工中，合理地建立坐標(biāo)系可以簡化編程，方便對刀。通常要保證設(shè)計基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)相統(tǒng)一，在加工中心上盡可能將X坐標(biāo)系建立在葉片軸線上，即X軸與葉片軸心重合，這樣就等于確定了Y軸和Z軸的原點(diǎn)。對于轉(zhuǎn)子動葉片來說，葉片葉型與葉根有一段光滑連接的部分，叫做過渡弧。過渡弧位于葉根的部分通常是一個圓柱面或是球面，可將X軸的原點(diǎn)確定在上述圓柱或是圓球的球心上。對于轉(zhuǎn)子的靜葉來說，過渡弧位于葉根的部分可能是圓柱面或是球面，也可能是斜面。如果是圓柱面或是球面，X軸原點(diǎn)的確定方法與動葉相同；如果是斜面，X軸原點(diǎn)的確定方法可根據(jù)對刀情況確定。葉型的延伸和截取在通常情況下，機(jī)翼型葉片的設(shè)計圖中，只給出幾個截面的列表曲線數(shù)據(jù)，而實(shí)際的葉型有可能比給定的截面確定的葉型長，也有可能比它短。如果是第一種情況，就要對葉型進(jìn)行延伸，如果是第二種情況，就要對葉型截取。相對來說，對葉型的截取要好處理一些，只需用一個平面或復(fù)合曲面在特定的位置截取葉型，獲得一個新的截面，采用新截面的數(shù)據(jù)便可形成所需的葉型實(shí)體。對葉型延伸時，還需對葉型作一次光順處理，上述做法線方法的光順僅為平面曲線，葉型延長以后為空間曲線，即分別對其在兩個或三個坐標(biāo)平面內(nèi)的投影曲線進(jìn)行光順。實(shí)際上一般只需要將空間曲線投影到兩個平面上，對得到的兩條平面曲線分別光順后，再合成空間曲線(即將三維作為二維處理)。實(shí)踐證明，一般情況下，一條空間曲線在各坐標(biāo)平面內(nèi)的投影曲線是光順的，該空間曲線也是光順的。圖5 刀具過切計算　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 調(diào)整擬合曲線的參數(shù) 四、切削參數(shù)的確定擬合曲線的參數(shù) 切削參數(shù) 刀具加工葉片型面時，需要將三個直線軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動合成，以實(shí)現(xiàn)所需輪廓的運(yùn)動軌跡。在實(shí)際計算過程中可適當(dāng)調(diào)整如圖6所示的三個參數(shù)，來滿足葉片的技術(shù)條件。MND是用以確定控制葉型誤差的角度，每個截面葉型曲線都可分為無數(shù)個小段，每一小段內(nèi)都可認(rèn)為其曲率是相同的，MND的數(shù)值大小直接決定插補(bǔ)時相鄰兩點(diǎn)的疏密，MND的數(shù)值越小，相鄰兩點(diǎn)之間越密，加工出的葉型精度越高。MCD是控制相鄰兩點(diǎn)間的直線距離，ERRCDR是控制相鄰兩點(diǎn)之間的弦高差，與MND的數(shù)值一樣，不同的MCD和ERRCDR值確定不同的疏密。切削參數(shù)中，由于空間曲面一般都采用行切法加工，故都必須計算或確定行距與步長。行距S 行距S的大小直接關(guān)系到加工后曲面上殘留溝紋高度的大小，大了則表面粗糙度大，但S選得太小，雖然能提高加工精度，減小鉗修困難，但程序冗長，占機(jī)加工時間成倍增加，效率降低。因此，行距S的選擇應(yīng)力求做到恰到好處。切削角度用面銑刀加工葉型時，面銑刀的底面與葉片型面切削點(diǎn)的切線方向之間的夾角的選取非常重要，如有不當(dāng)，極易產(chǎn)生過切現(xiàn)象。確定切削角度在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用作圖法。具體方法是用繪圖法作出如圖5所示的葉片某一截面的輪廓圖，然后在截面上均勻地取n個點(diǎn)，以其中的某一個點(diǎn)為假想切削點(diǎn)，同時根據(jù)經(jīng)驗，確定一個任意的切削角度，并作出刀具截面圖，然后用循環(huán)語句使刀具依此走過n 個點(diǎn)，同時觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有，調(diào)整切削角度，并重復(fù)上述工作，直至無過切時為止。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及切削深度具體采用多大的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度，要視葉片材料、刀具直徑、加工方式等情況綜合考慮。五坐標(biāo)葉片加工中心通常采用高速切削。五、刀具軌跡模擬經(jīng)后置處理產(chǎn)生的NC程序，須經(jīng)相關(guān)軟件自動模擬加工，以檢驗其正確性。具體方法是將產(chǎn)生的NC程序的刀具軌跡顯示出來，如圖7和圖8所示，根據(jù)刀具軌跡曲線來判斷NC程序的正確性。僅僅根據(jù)刀具軌跡還無法完全檢測出NC 程序的正確性，最終還須在加工中心上進(jìn)行試切，對試切件進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。圖7 刀具軌跡　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8 刀具軌跡計算機(jī)模擬加工仿真顯示，還可以提示過切及殘留情況；同時將機(jī)床實(shí)體的參數(shù)進(jìn)行程序化處理后，還可顯示機(jī)床刀具夾具的實(shí)際加工狀態(tài)，檢查干涉情況，避免發(fā)生意外。六、葉根的加工葉根的加工是葉片加工的一個重要組成部分，在這之前，通常葉根是在葉根銑床上，用成形刀具進(jìn)行加工的。既然葉型的加工可以通過一次裝夾，完成從粗加工到半精加工再到精加工的全部過程，而且整個加工過程全部都由精工程序保證，那么葉根的加工也完全可以采用這種方式。采用高速銑對葉根的加工在國外已是成熟技術(shù)，國內(nèi)一些廠家也有采用這種加工技術(shù)的。采用葉片加工中心對葉型和葉根采用一體化加工則是一種新的償試。大型TRT葉根的結(jié)構(gòu)通常為圖9和圖10所示。圖9 大型TRT葉根結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖10 大型TRT葉根結(jié)構(gòu)葉根的加工和葉型的加工一樣，通常也分為粗加工半精加工和精加工三部分。為了提高效率，粗加工通常采用較大直徑的模具銑刀加工，僅給葉根齒型留0.2mm的余量。半精加工的主要目的除了清根以外，還需保證精加工的余量要均勻，根據(jù)掌握的現(xiàn)有資料，為精加工留0.1mm余量。精加工是最關(guān)鍵的加工工序，為提高效率和保證表面粗糙度，其切削參數(shù)的確定非常重要。為了減小表面粗糙度值，精加工通常采用單向加工，單向加工雖說增加了刀具的空行程，延長了加工時間，但單向加工所取得的加工質(zhì)量是有保證的。