付大鵬，魏圣可

（東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132011）

基于Cimatron E8.5 平臺(tái)四軸加工汽輪機(jī)葉片的方法研究

付大鵬，魏圣可

（東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132011）

0 引言

汽輪機(jī)葉片是汽輪機(jī)中最核心的部件之一,其制造和加工問(wèn)題直接影響汽輪機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。基于汽輪機(jī)變截面葉片,我們必須借助于CAD/CAM軟件和四軸以上數(shù)控加工中心進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。由于五軸加工費(fèi)用較高,所以用四軸實(shí)現(xiàn)葉片曲面的加工有著實(shí)際的意義。汽輪機(jī)的葉片加工通常為沿著葉片型面環(huán)形銑削如圖1所示,刀路軌跡為環(huán)形的包絡(luò)線,這種加工方法刀位軌跡計(jì)算相對(duì)比較慢,軌跡生成時(shí)間和加工時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 兩曲線仿形銑削刀位軌跡

本文將主要介紹Cimatron E8.5軟件對(duì)汽輪機(jī)葉片的四軸加工實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,運(yùn)用四軸瞄準(zhǔn)曲面縱向銑削法加工葉片,大大縮短了加工時(shí)間,而且對(duì)減小薄壁葉片的變形起到很好的作用,為實(shí)際加工提出了很好的思路。

1 四軸加工的基本原理

帶回轉(zhuǎn)臺(tái)的四坐標(biāo)數(shù)控加工中心一般包括三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)系X、Y、Z和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系,該轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系可以是繞X軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)A,也可以是繞Y軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)B。由機(jī)床的遠(yuǎn)動(dòng)關(guān)系可知如果繞Z軸旋轉(zhuǎn),機(jī)床將不會(huì)改變零件加工的刀軸方向,所以繞Z軸不能實(shí)現(xiàn)四軸加工曲面。

在進(jìn)行四軸加工時(shí),由于受機(jī)床擺動(dòng)軸(比如在X軸)的影響,刀軸矢量A被限制在與YOZ平行的平面上(如圖2所示),在Cimatron軟件中四軸加工的刀軸矢量為垂直于驅(qū)動(dòng)曲面方向或是有一定的前傾角,刀軸的方向與曲面的切削運(yùn)動(dòng)成一夾角。

圖2 四坐標(biāo)系刀軸矢量圖

2 汽輪機(jī)導(dǎo)動(dòng)葉片的四軸加工

2.1 葉片的造型

汽輪機(jī)葉片汽道為變截面,由無(wú)規(guī)律空間三坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)成型,其葉形成菱形。首先我們運(yùn)用Cimatron軟件將葉片型面的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,形成多條曲線,用命令【混合曲面】拉伸將曲線生成曲面。最后得到的葉片如圖3所示。

圖3 葉片的三維造型

2.2 葉片刀位軌跡生成

圖4 刀位軌跡創(chuàng)建菜單

進(jìn)入Cimatron E 加工環(huán)境下,建立好坐標(biāo)系和刀具,然后創(chuàng)建刀位軌跡,設(shè)X軸為旋轉(zhuǎn)軸(如圖4所示)。為提高葉片的加工效率在對(duì)葉片的內(nèi)背弧進(jìn)行粗加工時(shí),運(yùn)用三軸體積銑削法,對(duì)葉片的內(nèi)背弧分別加工,粗加工可以選擇較大直徑的平銑刀,最后保留3～5mm的半精加工和精加工余量。粗加工用三軸開(kāi)槽銑削優(yōu)點(diǎn)是:可以更好的提高加工速度,刀位軌跡生成快,圖5為葉片內(nèi)弧平行開(kāi)槽銑刀路軌跡。

圖5 葉片內(nèi)弧開(kāi)槽粗加工刀軌

葉片的半精加工和精加工選擇相同的加工方法。運(yùn)用曲面【流線銑】下的【4軸瞄準(zhǔn)曲面】銑削,加工曲面的選擇通過(guò)葉片兩邊的曲線瞄準(zhǔn),具體的切削參數(shù)在【刀路軌跡】菜單下進(jìn)行設(shè)置(見(jiàn)圖7)。該銑削方法走刀方式為沿葉片曲面直線往復(fù)走刀,刀位計(jì)算時(shí)也相對(duì)較快,葉片的表面精度通過(guò)控制殘留高度或者最大2D走刀步距來(lái)實(shí)現(xiàn)。刀具選擇球頭刀或者有錐度的球刀,并合理選擇干涉表面以保證加工安全。計(jì)算生成的刀路軌跡見(jiàn)圖6。

圖6 葉片半精加工刀路軌跡

2.3 程序后處理及加工

刀路軌跡生成后通過(guò)高級(jí)仿真進(jìn)一步觀察葉片的加工干涉問(wèn)題,通過(guò)反復(fù)調(diào)試保證沒(méi)有干涉后可以進(jìn)行后置處理加工。

Cimatron E提供了4～5軸的后處理模塊,簡(jiǎn)單而且快捷。將粗加工和精加工的程序分別進(jìn)行后置處理,每個(gè)程序段最好獨(dú)立,以便進(jìn)一步修改和調(diào)整。最后生成的四軸后置處理程序代碼如圖8所示,其中A為第四軸旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)值。

圖7 四軸刀位軌跡參數(shù)設(shè)置

圖8 后處理生成的四軸G代碼

最后在四軸加工中心進(jìn)行塑料件和鋁件加工得到了理想的加工效果,此方法加工時(shí)間比兩曲線仿形銑削(環(huán)形銑削)快,提高了加工效率。圖9為機(jī)床加工的鋁件和原件對(duì)照?qǐng)D。

圖9 葉片原件與加工的鋁件對(duì)照?qǐng)D

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了Cimatron E8.5軟件在四軸曲面加工中的方法,并通過(guò)加工驗(yàn)證了其程序的有效性,為曲面葉片四軸加工提供了更好的方法支持。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)理論和CAD/CAM軟件的不斷發(fā)展為復(fù)雜零件的加工提供了更好的技術(shù)支持,將不斷提高復(fù)雜零件的加工質(zhì)量和速度。

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Four-axis machining on cimatron E8.5 platform method of turbine blade

FU Da-peng, WEI Sheng-ke

本文詳細(xì)介紹了針對(duì)Cimatron E8.5 軟件平臺(tái)的四軸加工方法，對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行瞄準(zhǔn)曲面縱向銑削，該加工方法刀路軌跡生成快，加工時(shí)間短，大大提高了加工效率。通過(guò)真實(shí)加工得到了理想的效果，對(duì)曲面葉片的加工提供了很好的實(shí)用方法。

Cimatron E8.5；四軸加工；瞄準(zhǔn)曲面銑削；后處理加工

付大鵬 (1960－),男, 教授 , 主要從事數(shù)控技術(shù)的研究工作。

TH164

A

1009-0134(2011)1(上)-0036-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).11

2010-09-02