一、引言

轴流式压缩机、轴流式膨胀透平在冶金、石化、空分、高压制酸等领域有着广泛应用。其转子核心零件叶片采用机翼型成空间扭曲造型,制造中通常采用叶型叶根加工、主轴榫槽加工后组装成转子部件,这样组装就使叶片叶根与主轴榫槽配合精度成为转子强度的薄弱环节。为解决这一问题流体机械行业先后采用枞树型、燕尾型、杈型礅粗夹持型等多种叶根形式;为提高配合精度,航空业已采用榫槽拉削、叶根数控磨削成型的方法,但加工成本十分昂贵。国外业界有采用叶片与轮毂整体铣制的先例,很好地解决了这一问题;这个问题的核心是解决自由面三元流叶轮数学建模及编程加工。|

二、概述

三元叶轮的整体数控加工,现阶段是建立在直线元素的基础上,即所加工叶轮上均布的是直纹面叶片,而对于自由曲面的叶片、叶轮(图1)则较少有人研究,特别是轴流式机翼型三元叶片轮毂整体加工,目前国内尚无先例。因此,这里的意义在于探索出了一种适合于空间自由曲面叶轮的数控编程方法,而且已在实践中加以证明。

三、Camand软件及三元叶轮简介

1.Camand是专业的CAM软件开发商,美国CAMAX公司研究开发的一种通用的CAM软件包包括7个具体的软件包:

(1)CamandPartmaker适用于2.5轴铣削加工编程,并可提供第4或第5定位功能,包括线框造型、图形转换、绘图、标注等基本造型手段,以及基本曲线加工、钻削、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轴联动数控编程,同时还可提供基本的曲面建模与编辑功能;

(3)CamandModeler用于建立和编辑任何复杂的三维几何零件模型;

(4)CamandMachinist包括CamandNC和CamandModeler的全部功能,软件自动处理刀具、刀杆和刀柄的干涉检查;

(5)CamandMultax除CamandMachinist的所有功能外,其独特的5轴联动加工编程功能,是Camand软件的精华所在,可提供10余种5轴加工方法,用户能在计算机上观察机床、零件与刀具的联动,有助于程序验证;

(6)CamandWireEDM2～5轴线切割编程软件包;

(7)CamandLathe该软件用于生成2轴至4轴数控车削的刀位轨迹。通过这些软件包的强大支持,Camand具有很强的编程和非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型功能、真实的机床运动仿真功能、完善的后置处理以及丰富的软件接口配置。能自动生成复杂曲面的2轴至5轴联动刀位轨迹。能广泛地应用于航空、航天、电子、模具、汽车等工业领域。

2.三元叶轮是根据流体机械内部的三元流动状况而设计的,能大幅度减少能耗和提高效率。半开式三元叶轮的加工是指轮毂与叶片在一个整体毛坯上进行整体铣制加工,而不采用将带叶根的叶片加工好后装配到圆周方向带相应榫槽的轮毂上的加工方法,因其叶轮上均匀分布为三元任意扭曲叶片,且两枚叶片之间空间很小(上图中两枚叶片之间最小直线距离为7.1mm,最大处为34mm),所以在加工中有很大难度。

四、三元叶轮的编程

1.叶轮数学建模

三元叶轮的Camand编程加工的前提是它的造型。首先将叶片各个型面数据写入文本文件(一般用.dat或.txt格式),经软件内文件转换命令形成样条曲线→举升曲面→形成叶片曲面→与造型好的轮盘形成叶轮整体。

2.叶轮流道粗加工

(1)设备及工件装夹的确定:工件以内孔及底面为基准打表找平找正后,放在夹具上,找与回转工作台同心,并压紧。利用CincinnatiH5-800XT5轴联动卧式加工中心进行切削。

(2)加工方案的确定:在整个叶轮加工之前,面对的是一整个的圆柱形毛坯,从造型可以看出叶轮是轴对称和圆心对称的,要加工出叶片只需考虑一个气流通道的加工,包括底面流道加工;叶片的背弧面与相邻叶片的内弧面加工及叶根圆角加工三大部分内容。在实际加工时,利用数控机床的多坐标多自由度运动做重复加工上述三部分就形成所要叶轮了。

(3)切削刀具的选择:5轴联动加工零件,选择合理刀具参数是非常重要的一个环节,根据工件材质,通过供应商提供刀具样本,确定刀具材质(高速钢、硬质合金及涂层等),粗加工刀具要尽量选用大直径、短的平底铣刀,大量、大走刀去除余量;精加工时根据型线走势确定为球头立铣刀或球头锥度立铣刀。

(4)流道粗加工:针对三元叶轮主要由复杂组合曲面构成,毛坯重量大,加工余量不均匀,粗加工工作量很大的特点,采用分层截面法,使用直径大小不等的刀具高效、快速切除毛坯主要余量,开槽铣出气流通道。在编程方法上选用Camand提供的5轴联动加工中的Tilt模式,将加工对象——流道底面划分成几个部分,分别将相邻叶片型面及底面作为干涉检查面,针对每一部分进行Tilt模式加工,这样,所选的编程对象曲面面积相对变小,在选择最大刀具的前提下,就更易于控制刀位向量及刀位轨迹,可以很简单地完成流道开槽加工。

3.叶型精加工

在叶型精加工中,从加工效率和设计要求精度两方面考虑,如果叶型扭曲得很厉害,可以对叶片背弧面和内弧面采用不同模式加工。对于背弧面,可以采用前面流道开槽的Tilt模式加工,只要刀具调整刀位向量与曲面之间角度,保证刀具与内弧面及自己(背弧面)不干涉即可。至于内弧面,因为是一个凹面,刀具比较难以进入底面,在这种情况下,利用Interp模式来加工,只要将4个角点的刀位向量选择准确恰当,也可以顺利完成叶型精加工。

4.后置处理

不同的数控机床往往采用不同的指令形式,其间的差异可能很大,而Camand是一个通用软件包,用它编写的数控程序具有通用性,可以用于任何机床。这样就可在数控编程时将前置处理和后置处理分开。上述全部为前置处理,主要进行刀具坐标数据转换及摆角计算等。在此基础上,设计出针对机床的Camand后置处理程序。完成将刀具轨迹及各种加工控制信息转换成符合机床要求的指令格式,下面是CincinnatiH5-800XT加工中心A2100数控系统的一段加工程序:

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、总结

利用上述编程方法,可以实现自由曲面叶轮程序编制,且已经过实践验证。同时在加工中应遵循下面几条原则。

(1)在刀位轨迹计算时一定遵循“拖刀”加工的要求,以免出现扎刀现象。

(2)叶型精加工最好与清根加工同时进行,保证叶型粗糙度。

(3)分段加工时,为保证交界处吻合,可以将两段曲面相互覆盖,在条件允许情况下,采用圆弧进刀、圆弧退刀。

(4)在沿叶长方向分层加工时,一定要考虑到型线是扭曲的,不能单纯提升原有底面,以免造成过切。

(5)在流道底面粗加工后,根据实际情况选择精铣刀具,因为此时型面加工余量尚不均匀。这种整体加工方式的试验成功,为将此类结构的流体机械应用于实际生产奠定了基础,为提高叶根榫槽加工及其抗击疲劳损坏提供了一个新途径。