軸流式壓縮機、軸流式膨脹透平在冶金、石化、空分、高壓制酸等領域有著廣泛應用。其轉子核心零件葉片採用機翼型成空間扭曲造型,製造中通常採用葉型葉根加工、主軸榫槽加工后組裝成轉子部件,這樣組裝就使葉片葉根與主軸榫槽配合精度成為轉子強度的薄弱環節。為解決這一問題流體機械行業先後採用樅樹型、燕尾型、杈型礅粗夾持型等多種葉根形式;為提高配合精度,航空業已採用榫槽拉削、葉根數控磨削成型的方法,但加工成本十分昂貴。國外業界有採用葉片與輪轂整體銑制的先例,很好地解決了這一問題;這個問題的核心是解決自由面三元流葉輪數學建模及編程加工。|
二、概述
三元葉輪的整體數控加工,現階段是建立在直線元素的基礎上,即所加工葉輪上均布的是直紋面葉片,而對於自由曲面的葉片、葉輪(圖1)則較少有人研究,特別是軸流式機翼型三元葉片輪轂整體加工,目前國內尚無先例。因此,這裡的意義在於探索出了一種適合於空間自由曲面葉輪的數控編程方法,而且已在實踐中加以證明。
三、Camand軟體及三元葉輪簡介
1.Camand是專業的CAM軟體開發商,美國CAMAX公司研究開發的一種通用的CAM軟體包包括7個具體的軟體包:
(1)CamandPartmaker適用於2.5軸銑削加工編程,並可提供第4或第5定位功能,包括線框造型、圖形轉換、繪圖、標註等基本造型手段,以及基本曲線加工、鑽削、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軸聯動數控編程,同時還可提供基本的曲面建模與編輯功能;
(3)CamandModeler用於建立和編輯任何複雜的三維幾何零件模型;
(4)CamandMachinist包括CamandNC和CamandModeler的全部功能,軟體自動處理刀具、刀桿和刀柄的干涉檢查;
(5)CamandMultax除CamandMachinist的所有功能外,其獨特的5軸聯動加工編程功能,是Camand軟體的精華所在,可提供10餘種5軸加工方法,用戶能在計算機上觀察機床、零件與刀具的聯動,有助於程序驗證;
(6)CamandWireEDM2～5軸線切割編程軟體包;
(7)CamandLathe該軟體用於生成2軸至4軸數控車削的刀位軌跡。通過這些軟體包的強大支持,Camand具有很強的編程和非均勻有理B樣條(NURBS)曲面造型功能、真實的機床運動模擬功能、完善的後置處理以及豐富的軟體介面配置。能自動生成複雜曲面的2軸至5軸聯動刀位軌跡。能廣泛地應用於航空、航天、電子、模具、汽車等工業領域。
2.三元葉輪是根據流體機械內部的三元流動狀況而設計的,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整體毛坯上進行整體銑制加工,而不採用將帶葉根的葉片加工好后裝配到圓周方向帶相應榫槽的輪轂上的加工方法,因其葉輪上均勻分佈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.葉輪數學建模
三元葉輪的Camand編程加工的前提是它的造型。首先將葉片各個型面數據寫入文本文件(一般用.dat或.txt格式),經軟體內文件轉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)設備及工件裝夾的確定:工件以內孔及底面為基準打表找平找正後,放在夾具上,找與迴轉工作台同心,並壓緊。利用CincinnatiH5-800XT5軸聯動卧式加工中心進行切削。
(2)加工方案的確定:在整個葉輪加工之前,面對的是一整個的圓柱形毛坯,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弧面加工及葉根圓角加工三大部分內容。在實際加工時,利用數控機床的多坐標多自由度運動做重複加工上述三部分就形成所要葉輪了。
(3)切削刀具的選擇:5軸聯動加工零件,選擇合理刀具參數是非常重要的一個環節,根據工件材質,通過供應商提供刀具樣本,確定刀具材質(高速鋼、硬質合金及塗層等),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;精加工時根據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複雜組合曲面構成,毛坯重量大,加工余量不均勻,粗加工工作量很大的特點,採用分層截面法,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軸聯動加工中的Tilt模式,將加工對象——流道底面劃分成幾個部分,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,就更易於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,從加工效率和設計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弧面採用不同模式加工。對於背弧面,可以採用前面流道開槽的Tilt模式加工,只要刀具調整刀位向量與曲面之間角度,保證刀具與內弧面及自己(背弧面)不干涉即可。至於內弧面,因為是一個凹面,刀具比較難以進入底面,在這種情況下,利用Interp模式來加工,只要將4個角點的刀位向量選擇準確恰當,也可以順利完成葉型精加工。
4.後置處理
不同的數控機床往往採用不同的指令形式,其間的差異可能很大,而Camand是一個通用軟體包,用它編寫的數控程序具有通用性,可以用於任何機床。這樣就可在數控編程時將前置處理和後置處理分開。上述全部為前置處理,主要進行刀具坐標數據轉換及擺角計算等。在此基礎上,設計出針對機床的Camand後置處理程序。完成將刀具軌跡及各種加工控制信息轉換成符合機床要求的指令格式,下面是CincinnatiH5-800XT加工中心A2100數控系統的一段加工程序:
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
利用上述編程方法,可以實現自由曲面葉輪程序編製,且已經過實踐驗證。同時在加工中應遵循下面幾條原則。
(1)在刀位軌跡計算時一定遵循「拖刀」加工的要求,以免出現扎刀現象。
(2)葉型精加工最好與清根加工同時進行,保證葉型粗糙度。
(3)分段加工時,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,採用圓弧進刀、圓弧退刀。
(4)在沿葉長方向分層加工時,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,根據實際情況選擇精銑刀具,因為此時型面加工余量尚不均勻。這種整體加工方式的試驗成功,為將此類結構的流體機械應用於實際生產奠定了基礎,為提高葉根榫槽加工及其抗擊疲勞損壞提供了一個新途徑。
