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        汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)葉葉片的數(shù)控模擬加工

        2018-04-02 07:17:18黃悅峰張啟鵬朱婉瑩
        裝備制造技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)葉葉根葉柄

        王 榜,楊 勇,黃悅峰,張啟鵬,朱婉瑩

        (1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧530000;2.四川中車玉柴發(fā)動機(jī)股份有限公司技術(shù)中心工藝組,四川 資陽641301)

        汽輪機(jī)風(fēng)葉葉片的工作條件復(fù)雜,葉片的加工質(zhì)量直接影響到機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠性,而葉片的質(zhì)量和壽命與葉片的加工方式有著密切的關(guān)系。因此,葉片的加工方法對汽輪機(jī)的工作質(zhì)量及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。針對實(shí)際生產(chǎn)風(fēng)葉葉片的數(shù)控加工問題,利用CAD/CAM軟件Mastercam對其進(jìn)行了多軸聯(lián)動數(shù)控加工程序的編制,完成了風(fēng)葉葉片多軸加工工藝路徑規(guī)劃和汽輪機(jī)風(fēng)葉葉片四坐標(biāo)數(shù)控加工動態(tài)仿真,實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)葉片的虛擬加工,通過對仿真結(jié)果的分析,對數(shù)控加工程序及工藝進(jìn)行優(yōu)化,為風(fēng)葉葉片的加工提供了一種可行性的加工方案[1]。

        1 汽輪機(jī)風(fēng)葉結(jié)構(gòu)特征

        汽輪機(jī)葉片按照功能不同可分為動葉片(如圖1)和靜葉片兩種。動葉片的結(jié)構(gòu)一般由葉型、葉冠和葉根三部分組成。

        圖1 動葉片

        (1)葉型:葉型是葉片的工作部分,又稱葉身型面,葉型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多為扭轉(zhuǎn)自由曲面。葉片與葉片之間的葉型部分構(gòu)成了氣流通道,當(dāng)蒸汽流過時,動能便轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。從圖1可看出,葉身型面可分為內(nèi)弧、背弧、進(jìn)汽邊、出汽邊、葉根、葉冠等。

        (2)葉冠:葉片外端的固定部分稱之為葉頂(葉冠)。葉頂部分通常裝有圍帶,將汽輪機(jī)的短葉片和中長部分連成葉片組,而長葉片在葉片中部用拉筋連接成組。

        (3)葉根:葉片通過葉根固定在葉輪或者轉(zhuǎn)鼓上。葉根的作用是緊固動葉片,它需要保證在任何運(yùn)行條件下葉片都應(yīng)連接牢固。

        本文研究對象是大型汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的葉片、毛坯為鍛造鋁合金LD10,零件圖如圖2所示。

        圖2 某汽輪機(jī)葉片零件圖

        2 風(fēng)葉數(shù)字模型建立

        由UG/CAD建立風(fēng)葉的數(shù)字模型可以分為兩部分:葉片曲面和基座?;怯善胀ㄆ矫鏄?gòu)成,可采用拉伸或剪切命令來完成造型。對于葉片的描述只有離散的數(shù)據(jù)點(diǎn),不具備曲線方程,為此應(yīng)用自由曲線曲面造型技術(shù)進(jìn)行葉輪的幾何造型[2]。

        2.1 風(fēng)葉葉片曲面的創(chuàng)建

        根據(jù)葉片的坐標(biāo)圖(如圖2)以及給定的坐標(biāo)值(如表1所示)畫出葉片的G-G截面。利用UG/CAD模塊下的曲線-樣條曲線命令,可得葉片的G-G封閉截面圖。

        表1 葉片輪廓坐標(biāo)

        當(dāng)所有截面樣條曲線都繪制完畢后,在UG/CAD模塊下選擇自由形式特征依次選擇構(gòu)造的樣條曲線,這樣即可形成葉片曲面的基本形狀(如圖3),通過對葉片曲面的進(jìn)一步處理,利用偏置表面命令,可以完成葉片的造型(如圖4)[3]。

        圖3 葉片曲面基本形狀

        圖4 葉片造型

        2.2 葉根R圓弧面的創(chuàng)建

        葉根R面為葉片與葉柄圓弧面的相切面,且圖紙標(biāo)注圓角為R12.5 mm,葉片與葉柄的實(shí)體模型可以看出有陡峭邊緣,在此先做出葉片曲面在葉柄面上向外偏置距離為12.5 mm的曲面,再在UG模型中選擇“面圓角命令”,畫出葉根R圓弧面。最終,整個風(fēng)葉的三維加工模型如圖5.

        圖5 風(fēng)葉模型

        3 多軸加工工藝規(guī)劃

        3.1 風(fēng)葉數(shù)控加工參數(shù)的選擇

        (1)數(shù)控機(jī)床的選擇

        由于風(fēng)葉的三軸數(shù)控加工方式是通過對粗加工后的葉片外形進(jìn)行兩次裝夾,存在兩次裝夾誤差,而且對汽道型面的拋光質(zhì)量也很難保證。綜合考慮加工精度和成本的條件下,選擇四軸臥式加工中心DMC60H來完成葉片的數(shù)控加工。

        (2)加工階段的劃分

        汽輪機(jī)風(fēng)葉的數(shù)控加工主要包括葉根、葉片、葉頂?shù)你娤骷叭~柄圓弧槽等。本課題將風(fēng)葉的整個數(shù)控加工階段分為在同一工裝上完成的兩道工序:工序一為葉柄圓弧槽的加工;工序二為葉片、葉頂、葉根、葉柄基座圓弧面的加工,同時工序二的加工又分為粗銑、半精銑和精銑。

        (3)工裝夾具的選用

        風(fēng)葉工件與夾具的定位方式采用普遍使用的一面兩銷的定位方式:一圓柱銷與一菱形銷分別定位工件上的兩孔,定位面為B面。由于零件的加工坐標(biāo)系為機(jī)床旋轉(zhuǎn)臺的中心,所以工裝在機(jī)床上的定位為:一是旋心孔的定位芯軸;二是工裝的底平面與機(jī)床工作臺面;三是拉直工件與工裝的定位平面。為了盡量減小切削時刀具的懸伸長度,應(yīng)將工件的中心盡量置于旋轉(zhuǎn)工作臺的旋心。

        3.2 風(fēng)葉葉片的加工路徑規(guī)劃

        (1)葉片的粗加工路徑規(guī)劃

        葉型曲面的多軸加工常用兩種加工方案:1)葉片只作微小轉(zhuǎn)動加工即刀具沿著葉片軸線方向來回?cái)[動加工;這樣加工近似沿斜線加工,所以切削效率較高,且機(jī)床的圓轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動不頻繁;2)葉片回轉(zhuǎn)加工即刀具沿截面型線繞圈進(jìn)行加工。加工時工件葉片隨著圓轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn),刀具沿工件葉片截面型線切削一周,縱向進(jìn)刀后再切削下一周。粗加工時采用方案2)且螺旋型進(jìn)刀(螺旋式走刀的特點(diǎn)是切削路徑是一段整體光順的路徑,不分切削行,只有一次進(jìn)刀與退刀路徑,刀具路徑能保持連續(xù)),使刀具從上往下沿葉片繞一圈一層(即行距)均勻、逐漸切削。這種加工路徑行距均勻,切削就比較穩(wěn)定。其步進(jìn)方向?yàn)槿~片型線的扭曲方向,所以不能太大。

        結(jié)合工件材質(zhì)以及加工成本考慮,粗加工時刀具選擇普通高速鋼,切削時的轉(zhuǎn)速設(shè)定為800 r/min.為了提高葉片加工的生產(chǎn)效率,刀具采用平底立銑刀,在加工時盡量采用大的切削量和大的走刀行距[4]。

        (2)葉片的半精加工與精加工路徑規(guī)劃

        由于精加工要求得到好的表面加工質(zhì)量以及較高精度的曲面形狀誤差,所以需提高各誤差加工精度值,縮小殘脊高度值。用平底刀銑削葉片時的刀中心點(diǎn)計(jì)算非常復(fù)雜,因此葉片精加工時采用R12.5 mm硬質(zhì)合金球頭銑刀(結(jié)合葉根的圓角來考慮),此時切削轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min.路徑采用上述葉型曲面多軸加工方案(1),此路徑符合葉片的受力方向,即這樣加工的刀軌跡也是與風(fēng)葉工作的氣流方向一致。選擇這種加工路徑可以增加葉片的強(qiáng)度和剛度,改善使用性能,也能從一定程度上減少機(jī)床轉(zhuǎn)臺的磨損和延長了機(jī)床的使用壽命。

        (3)葉根與葉柄圓弧面加工路徑規(guī)劃

        從整個風(fēng)葉葉片加工分析中可以發(fā)現(xiàn)加工葉根R時不能破壞葉柄基座圓弧面,并且加工葉柄基座圓弧面時也不能破壞葉根R面。由于葉片、葉根、葉柄需在同一工序,至少是同一安裝定位下加工完成。采取的是同時加工葉根R與葉柄基座圓弧面。擬其粗、精加工路徑均為三軸加工中的投影加工:葉根中心線投影至葉片曲面進(jìn)行加工。

        4 風(fēng)葉葉片的虛擬加工

        采用Mastercam軟件對風(fēng)葉葉片進(jìn)行了多軸聯(lián)動數(shù)控加工程序的編制,整個過程即是調(diào)用軟件的CAM數(shù)控編程模板,確定加工參數(shù),生成刀具軌跡[2]。

        4.1 葉片的粗銑

        在“切削的樣板”選擇葉片曲面后,設(shè)置刀具的補(bǔ)正方向、切削方向、步進(jìn)方向、起始進(jìn)刀方向。刀具軸線的控制采用樣板曲面,選擇“補(bǔ)正至曲面”選項(xiàng),且將切削的樣板補(bǔ)正至新選的加工面。干涉面選取葉根R以及葉柄基座的圓弧面。設(shè)置加工選項(xiàng)后,然后進(jìn)入刀具選項(xiàng)參數(shù)設(shè)置,進(jìn)行模擬仿真,粗加工葉片的刀具路徑模擬畫面如圖6.

        圖6 葉片外形粗加工刀具路徑模擬圖

        4.2 葉根R面與基座圓弧面的粗精加工

        由于模型加工是利用三軸曲面加工路徑投影加工來完成的,故先完成2D加工的參數(shù)設(shè)置,依次設(shè)置刀具參數(shù)、切削次數(shù)、走刀量、轉(zhuǎn)速等。然后進(jìn)行三軸曲面投影加工路徑選擇,加長了進(jìn)退刀的引線長度,即是刀具從外圍切入,切出后從葉片的外圍退出;其投影方式是基于前面的外形(2D)的NCI上。完成上述參數(shù)設(shè)置后,可以形成葉根R面與基座圓弧面加工的走刀軌跡圖,如圖7.

        圖7 葉根R面與基座圓弧面加工軌跡

        4.3 葉片的半精加工與精加工

        葉片的半精加工與精加工仍然采用流線加工方式進(jìn)行,曲面流線設(shè)置里面將補(bǔ)正方向設(shè)置成葉片長方向,如圖8.刀具采用的是球頭銑刀,將校刀長位置改為球心而不是刀尖,主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率以及切削余量均需進(jìn)行更改。半精加工與精加工要求較小的殘脊高度值,切削方式改為雙向。葉根R精加工仍然采用三軸投影加工方式,同樣需提高各誤差精度值。

        圖8 精加工葉片刀軌示意圖

        5 風(fēng)葉葉片的數(shù)控仿真

        5.1 風(fēng)葉葉片的數(shù)控加工仿真

        采用VERICUT仿真軟件構(gòu)建的數(shù)控加工仿真環(huán)境,經(jīng)過仿真后的NC程序不用試切削即可直接輸入對應(yīng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工,這樣就大大的降低了試切削風(fēng)險,節(jié)省了試切削時間,同時還提高了產(chǎn)品加工的安全性。

        根據(jù)確定的葉片加工的工藝規(guī)劃和機(jī)床參數(shù),對虛擬數(shù)控機(jī)床進(jìn)行建模,分別對機(jī)床、工件、碰撞檢測、機(jī)床行程極限、軸優(yōu)先權(quán)、機(jī)床零點(diǎn)、工件零點(diǎn)、刀具等進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成后,將機(jī)床夾具、毛坯導(dǎo)入仿真樹型目錄下后即可進(jìn)行葉片的加工仿真。按零件實(shí)際加工進(jìn)行仿真:加工葉片頂端部—粗加工葉片—粗加工葉根—半精加工葉片—半精加工葉根—精加工葉片—精加工葉根。

        5.2 風(fēng)葉葉片的仿真結(jié)果分析

        整個風(fēng)葉仿真加工完成后的模型如圖9.加工仿真完成后,可以采用分析下的“自動-比對”命令對仿真加工模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行檢測,仿真加工模型與設(shè)計(jì)模型不相符合之處將以紅色邊界面顯現(xiàn)出來,以此校核NC程序的正確性。仿真時可以選擇優(yōu)化控制,對NC程序進(jìn)行優(yōu)化。從風(fēng)葉仿真加工結(jié)果分析可知,加工過程中并未產(chǎn)生干涉或者過切現(xiàn)象,所以,仿真后的NC程序不用試切、可直接輸入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件的加工[5-8]。

        圖9 風(fēng)葉仿真加工結(jié)果

        6 結(jié)束語

        通過實(shí)例闡述如何利用CAD/CAM軟件對風(fēng)葉進(jìn)行數(shù)字化建模以及葉片加工的多軸聯(lián)動程序的編制。在VERICUT中構(gòu)建了風(fēng)葉數(shù)控加工的仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)葉葉片加工的虛擬仿真。在仿真過程中,可以對NC程序進(jìn)行適時修改,對進(jìn)給參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過仿真,能夠保證數(shù)控加工程序的正確性,將過切與干涉等不安全因素消除在加工之前,這樣不僅優(yōu)化了加工工藝,而且提高了零件的生產(chǎn)效率。經(jīng)過仿真與優(yōu)化后的數(shù)控加工程序可直接導(dǎo)入加工機(jī)床,然后直接對工件進(jìn)行切削加工,而無需對工件進(jìn)行試切削加工。

        參考文獻(xiàn):

        [1]楊 勇.汽輪發(fā)電機(jī)鋁風(fēng)葉葉片的四軸聯(lián)動數(shù)控加工編程及仿真研究[D].南寧:廣西大學(xué),2015.

        [2]闕燚彬.葉輪的曲面建模及四軸聯(lián)動編程加工葉輪的曲面建模及四軸聯(lián)動編程加工[J].裝備制造技術(shù),2015(1):41-43.

        [3]Kim D S,Jun C S,Park S.Tool path generation for clean-up machining by a curve-based approach[J].Computer-Aided Design,2005,37(9):967-973.

        [4]何縣雄.MasterCAM數(shù)控加工自動編程范例教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

        [5]余碧瓊.基于數(shù)控加工的工藝分析[J].裝備制造技術(shù),2009(6):50-58.

        [6]陳光明,張旭陽.汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)控加工技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動化,2011(9):36-46.

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