機(jī)翼型葉片的五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)銑削加工

發(fā)布日期:2014-05-08    蘭生客服中心    瀏覽:6663

  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(dòng)數(shù)控機(jī)床來完成。

  一、加工方式概述

  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(dòng)。實(shí)際加工過程中,氣動(dòng)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。葉片的精加工的最佳方式是由五軸聯(lián)動(dòng),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(shí),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(gè)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(dòng)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(jì)圖樣對型面的表述,通常是幾個(gè)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(jì)坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)一起來,即設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng),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(gè)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(shí),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(gè)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(gè)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(gè)固定的位置。按照固定的位置將各個(gè)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(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。

  1、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(gè)圓即與內(nèi)背弧相切,起光滑過渡作用,同時(shí)也保證了弦長不變。

  2、刀具過切的計(jì)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(shí),刀簇沿型面法矢切削時(shí),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(shí)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(shí)計(jì)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(gè)點(diǎn),然后在第一個(gè)點(diǎn)上,定義一把假想的刀具和一個(gè)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(gè)點(diǎn),同時(shí)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(shí)觀察到的切削情況是在二維空間中,只是針對某一個(gè)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(gè)葉片截面投影在同一個(gè)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(gè)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。

  3、坐標(biāo)系的建立

  任何一個(gè)零部件在數(shù)控機(jī)床上加工,都要建立一個(gè)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(jì)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(dòng)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(gè)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(dòng)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。

  4、葉型的延伸和截取

  在通常情況下,機(jī)翼型葉片的設(shè)計(jì)圖中,只給出幾個(gè)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(gè)平面或復(fù)合曲面在特定的位置截取葉型,獲得一個(gè)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(shí),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(gè)或三個(gè)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(gè)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(jì)算                        圖6 調(diào)整擬合曲線的參數(shù)

  四、切削參數(shù)的確定

  1、擬合曲線的參數(shù)

  刀具加工葉片型面時(shí),需要將三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)合成,以實(shí)現(xiàn)所需輪廓的運(yùn)動(dòng)軌跡。在實(shí)際計(jì)算過程中可適當(dāng)調(diào)整如圖6所示的三個(gè)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(gè)截面葉型曲線都可分為無數(shù)個(gè)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí),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(gè)點(diǎn),以其中的某一個(gè)點(diǎn)為假想切削點(diǎn),同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),確定一個(gè)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(gè)點(diǎn),同時(shí)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(shí)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

  計(jì)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(shí)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(gè)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(gè)加工過程全部都由數(shù)控程序保證,那么葉根的加工也完全可以采用這種方式。大型TRT葉根的結(jié)構(gòu)通常為圖9所示。

圖9 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(shí)間,但單向加工所取得的加工質(zhì)量是有保證的。

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