吳 越,諶永祥,鐘成明,曾岳飛,江 敏,李小闖
(1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院,綿陽 621010;2.東方汽輪機有限公司,德陽 618000;3.成都工具研究所,成都 610051)
葉片是汽輪機的心臟,是極為重要的零件。它直接起著將蒸汽或燃氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的作用。葉片的加工工作量很大,約占汽輪機、燃氣機總加工量的四分之一到三分之一。
葉根是將葉片固定在葉輪或轉(zhuǎn)鼓上的連接部分。它應(yīng)保證在任何運行條件下的連接牢固,同時力求制造簡單、裝配方便。
四種常見的葉根:1)樅樹型葉根:葉根承載能力大,強度適應(yīng)性好,拆裝方便,但加工復(fù)雜,精度要求高,主要用于載荷較大的葉片;2)菌形葉根:強度高,在大型機上得到廣泛應(yīng)用;3)叉形葉根:加工簡單,裝配方便,強度高,適應(yīng)性好;4)T形葉根:加工裝配方便,多用于中長葉片。
四座標數(shù)控機床,此處的四座標機床指的是X、Y、Z三個方向的運動和A軸的旋轉(zhuǎn)運動。由于A軸可旋轉(zhuǎn)且有刀具選擇的功能,因此刀具可選擇使用的余地就大了。伴隨A軸的旋轉(zhuǎn),一次裝夾就能加工多個工序。這種數(shù)控機床的缺點是刀具不能擺動,機床較小,功率較小。圖1為四坐標系。
圖1 四坐標系
葉片的組成:葉片的種類繁多,但各類葉片均主要由兩個部分組成,即裝配面部分和汽道部分,組成如圖2所示。因此葉片的加工也分為裝配面的加工和汽道部分的加工。裝配面部分又包括叫葉根部分和葉冠部分,它們使葉片安全可靠地、準確合理地固定在葉輪上,以保證汽道部分的正常工作。汽道部分又叫型線部分,它形成工作氣流的通道,完成葉片應(yīng)起的作用,因此汽道部分加工質(zhì)量的好壞直接影響到機組的效率。汽道部分的橫截面稱為葉型, 其周線稱為型線。一條型線由進汽邊圓弧和背弧、出汽邊圓弧和內(nèi)弧組成。葉片的葉身是由若干條型線擬合而成的光滑復(fù)雜曲面。目前常見的為變截面扭葉片,葉片葉身是由沿葉輪輻射線方向按一定規(guī)律給出的多個特征截面擬合而成,一般由兩種方法給出葉片不同的橫截面數(shù)據(jù):1)以公式曲線的形式給出,如給出圓弧連接點及圓弧半徑的數(shù)據(jù),由各段圓弧圍成截面線;2)以一系列離散點數(shù)據(jù)用列表型線形式給出。多數(shù)葉片的截面型線由若干段不同半徑的圓弧圍成。葉片的三維造型可以通過CIMATRON、Pro/E、UG等三維造型軟件做出。圖2為葉片的組成。
圖2 葉片的組成
表1 工步的擬定
數(shù)控機床坐標系分為機床坐標系和工件坐標系(編程坐標系)。機床坐標系是以機床原點建立起來的直角坐標系,它是機床本省固有的坐標系,是設(shè)置工件坐標系的基礎(chǔ)。
編程時使用的坐標系為工件坐標系,是為了確定零件加工時在機床中的位置而設(shè)定的,編程時應(yīng)首先設(shè)定工件坐標系。工件坐標系要與機床運動的坐標系一致。編程人員根據(jù)零件的特點選定編程原點,編程時不用考慮工件在機床上的安裝位置,只需根據(jù)零件的特點及尺寸來編程。工件原點一般選擇為方便測量或?qū)Φ兜奈恢茫瑫r也要便于編程計算。工件坐標系建立如圖3所示,夾具如圖4所示。
圖3 工件坐標系
圖4 夾具
2.4.1 創(chuàng)建刀路軌跡
創(chuàng)建一個繞X軸旋轉(zhuǎn)的四軸加工刀路軌跡,如圖5所示。
圖5 創(chuàng)建刀路軌跡
2.4.2 預(yù)銑葉根
預(yù)銑葉根是為了去除過多的加工余量,以減少在機床上精銑葉根的時間。Cimatron中采用三軸粗加工平行銑,粗加工平行銑生成一組相互平行的粗加工刀具路徑,它與體積銑傳統(tǒng)加工程序中的平行切削——3D類似。安全平面根據(jù)夾具和刀具的高度考慮,在cimatron中設(shè)置為坐標系01之上50mm,選擇所有顯示的對象為加工曲面。緩刀距離為1mm,以免直接下刀引起斷刀。為避免工件表面產(chǎn)生刀痕跡,進退刀方式選擇半徑為3mm圓弧進退刀。刀具選用Ф12的平底刀。刀路軌跡設(shè)置,為了提高效率,切削方向選用混合銑,固定垂直步近選為50%個刀具直徑,側(cè)向步長都選60%刀具直徑。最后保存并計算得出刀具路徑軌跡。圖6為刀具路徑軌跡。
圖6 刀具路徑軌跡
2.4.3 粗銑
葉片粗加工同樣采用大刀具、大步距、大行距、大切削深度,去除毛胚的大部分余量。這樣可以節(jié)省加工時間,提高勞動生產(chǎn)率。加工方式仍為粗加工平行銑,安全平面仍然為工件坐標系之上50mm,粗加工為半精加工留1mm的余量。對于局部存在變形的問題的部位采用多層銑。此工序的垂直步進仍為50%刀具直徑,側(cè)向步長為60%刀具直徑。在圖7可看出多層銑。
圖7 粗銑
2.4.4 半精銑和精銑
半精加工和精加工的設(shè)置基本相同,下面敘述精加工的設(shè)置,精加工要滿足設(shè)計圖的最終精度。葉片的加工質(zhì)量與加工設(shè)備、裝夾過程、操作者、刀具、冷卻液等許多因素有關(guān),因此為步距、行距、走刀公差的設(shè)置要比設(shè)計圖紙要求小,以抵消準備過程中的誤差積累。在此處選用cimatron中的航空銑。加工方式選用平行銑,切削方式為單向加工,切削順序為標準,為了減少精加工中刀具的磨損,銑削方式為順銑,設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸為X軸,旋轉(zhuǎn)角度為180°,干涉檢查能避免刀具與工件在加工中的碰撞。在不干涉的情況下,為減少刀具抬刀的次數(shù),從而提高效率,切削間隙、切削連刀、連刀類型都選用直接的方式;同時在快速距離、進給距離、空走刀安全距離上的選擇也會影響到加工效率,因此在保證安全的情況下選擇較小的距離。因為是4軸加工安全區(qū)域的類設(shè)置為cylinder下的平行于X軸方向的圓柱面,即繞X軸的一個圓柱面為安全區(qū)域,因為半精加工為精加工留余量為0.5mm,為提高表面質(zhì)量,此處采用垂直步距為0.25的2層銑削,加類型為刀路軌跡(層銑)。圖8為刀具的快速運動軌跡。在Cimatron中軸不會旋轉(zhuǎn),是刀具繞著軸旋轉(zhuǎn),經(jīng)過后置處理就可以改成軸旋轉(zhuǎn)。
圖8 刀具的快速走動軌跡
2.4.5 銑葉根凹槽
加工方式選擇開放輪廓銑,開放輪廓銑是考慮到一刀切削的刀具負荷較大或者是形狀要求,需要進行多刀加工時,可以指定多層加工的一種加工方式。開放輪廓銑相當于投影加工,是將開放的輪廓線投影到曲面上生成刀具路徑的一種加工方法,由加工曲面和開放輪廓線來限制。主要用于加工一些圖案、文字和流道等,可做分層加工。圖9、10為凹槽的刀軌。
圖9 凹槽的刀軌
圖10 凹槽的刀軌
目前CAM高級軟件多采用類計算機高級語言,如APT語言等來編制刀位原文件,然而機床控制系統(tǒng)并不能直接識別這種語言,故必須將這種類計算機高級語言轉(zhuǎn)換成機床可以識別的NC程序。
程序后處理之前,對于不滿意的刀路軌跡,可在刀軌編輯器中對刀軌做修改,修改后用導(dǎo)航器反復(fù)的查看與校驗刀具與工件是否有干涉的問題。通過對視角的轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)、放大和平移直接查看生成的刀具路徑,觀察其切削范圍有無越界,以及有無明顯異常的刀具軌跡。確保無干涉,可以后處理生成G代碼文件,該文件可被機床控制系統(tǒng)識讀。然后在仿真軟件WERICUT中設(shè)置與實際機床同樣結(jié)構(gòu)的加工環(huán)境,對生成的NC程序代碼進行仿真,通過干涉碰撞,加工效果等檢查,優(yōu)化刀路。最后在機床上進行塑料件的試切削,無誤后進行加工。
本文介紹了用cimatron E軟件對汽輪機T型葉根的部分工序進行加工,所使用的工藝通過實際的加工檢驗。隨著CADCAM技術(shù)的不斷發(fā)展,對提高零件的加工速度,保證零件的加工質(zhì)量,提供了技術(shù)支持。也對加工工藝的改進提供了更有力的幫助。
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