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汽轮机叶片四轴数控加工工艺研究范文

时间:2022-12-31 11:30:54

汽轮机叶片四轴数控加工工艺研究

叶片是汽轮机组成的核心部件之一,其加工制造水平很大程度上影响着汽轮机的工作性能与效率。随着汽轮机行业技术的不断发展,叶片的加工方法由传统的手工加工发展到现在的数控加工,其加工质量与精度得到了很大的提高。目前,根据叶片型面的复杂程度可以分别选择三轴、四轴、五轴数控机床进行加工。三轴数控机床只能加工型面简单、扭曲较小的叶片,且毛坯需要二次装夹,影响加工精度。五轴数控机床可以很好地加工复杂型面的叶片,但由于价格昂贵,国内应用尚不广泛。四轴数控机床很好地解决了利用三轴与五轴加工叶片所带来的问题,所以研究如何利用四轴数控机床高效地加工出合格的叶片,对工业生产具有一定的参考意义。

1三维模型的建立

三维模型的获得通常有两种途径:一是通过已知数据或者图纸信息直接建立三维CAD模型,即我们通常所说的正向设计;二是只有实物却没有数据信息,需通过测量或扫描系统获得实物数据信息,然后利用成熟的CAD/CAM技术,快速、准确地建立实体几何模型,即逆向设计。本文以汽轮机的某一级T型叶根动叶片为模型,利用激光扫描技术获取叶片截面数据,对数据优化处理后建立三维CAD模型。图1为叶片原型与通过逆向技术获得的三维CAD模型。

2加工工艺设计

2.1材料与毛坯的选择汽轮机叶片是在高温高压的工况下使用,通常采用高强钢、不锈钢、高锰钢材料加工。汽轮机叶片毛坯的选择与其结构特点有关,常用的汽轮机叶片毛坯形式主要有:方钢,模锻、精锻、高速锻、半精锻、轧制、精密铸造。由文献[6]可知,T型外包叶根等截面直叶片,汽道长度在100mm以内且生产批量较小时,选用方钢毛坯,大批量生产选用高速锻毛坯;T型外包叶根变截面动叶片,汽道长度在100mm~200mm之间,生产批量较小时选用方钢毛坯,大批量生产时,选用半精锻毛坯。本文试验所用叶片长度为186mm,在工业生产中应选用方钢毛坯,试验加工采用铝合金棒状毛坯。

2.2加工方案的确定

2.2.1加工过程分析试验叶片的毛坯一端用机床第四旋转轴的卡盘装夹,另一端用顶尖定位。叶片只有叶身部分属于复杂型面,因此本试验只研究叶身型面的加工。图2走刀方式拟定两种切削加工方案:方案一是沿着叶片的轴线方向往复式走刀加工,如图2a所示,方案二是沿叶片截面轮廓线螺旋走刀加工,如图2b所示。对两种加工方案进行数控编程并仿真加工,综合对比分析,选择最优方案,并应用于试验加工。

2.2.2编程设置流程试验叶片的数控编程及仿真加工均在CimatronE8.5环境下进行,叶身的加工过程分为粗加工、半精加工、精加工三道工序。编程设置流程:(1)创建刀路轨迹:进入CimatronE8.5的加工模式,选定机床坐标轴类型为“4”轴,设定旋转轴为“X”轴,然后按照叶片模型建立毛坯,根据毛坯几何尺寸设定刀具的安全高度。(2)创建加工程序:为了提高加工效率,叶片的整个加工过程要按照零件曲面形状铣削材料,所以从粗加工到半精加工,最后到精加工都要将加工程序设置界面主选择设为“流线铣”,二级选择设为“四轴零件曲面”。(3)设定零件:根据不同的加工方案分别将零件的外表面分为若干部分,在编程过程中根据加工顺序选择相应的零件曲面。(4)设定刀具:在刀具和卡头设置窗口中,要根据加工工序设置刀具种类和刀杆长度。刀具的选择原则:平底铣刀是以线接触的方式加工,加工效率高,所以粗加工应选择平底铣刀;球头铣刀是以点接触的方式加工,切削效率低,应用于半精加工和精加工。本试验两种加工方案编程时粗加工都选择14mm平底铣刀,半精加工和精加工均选用8mm的球头铣刀。(5)设置刀路参数和机床参数:根据粗加工、半精加工、精加工工序的不同设置不同的刀路参数与机床参数。在刀路参数设置中,可以对进退刀点和进退刀方式、安全平面、精度与曲面偏移量、刀路轨迹等选项进行设置,需要将切削材料合理进行分层设置。刀路轨迹设置选项中,选择基于等残留高度法的沿X轴往复型走刀方式,即方案一走刀方式,如果将“加工方向”设置为“反向”,即为方案二走刀方式。机床的各项参数根据实际需要进行设置。叶片型面的粗加工目的是快速切除毛坯上多余的材料,加工出叶片大致轮廓,注重的是加工效率,所以应尽可能选择大的切削深度和进给量;半精加工的目的是为了比较准确加工出的叶片型面形状,但要为精加工留有加工余量;叶片精加工的目的是准确加工出叶片型面,需要选取较小的走刀行距和切削宽度、进给速度,以提高表面的加工质量。图3为方案一半精加工时部分刀路参数和机床参数的设置。(6)保存设置:保存各项设置,利用软件自动计算生成每种加工方案的粗加工、半精加工、精加工的刀具轨迹。图4为方案一粗加工的刀具轨迹。

2.2.3CimatronE8.5环境下的仿真加工CimatronE8.5的高级仿真功能是通过计算机来验证所生成刀具轨迹的正确性。仿真加工主要是模拟零件的加工过程,由于它可以动态描述叶片三维模型、刀具轨迹、刀具在加工过程中的变化,可以从不同角度观察加工情况,具有实时性。通过仿真加工,可以观察到走刀路线是否合理,刀具与工件表面是否发生过切、干涉,进退刀的高度与方式是否合适以及加工时间的长短,省去零件材料试切环节,节约成本,减少了加工检查时间,提高了生产效率。CimatronE8.5仿真步骤如下:在CAM模式下,点击“高级仿真”,进入“模拟检验窗口”,选中要模拟的程序,确定后进入CimatronE的仿真器Verifier模拟加工过程,从而检验程序的正确性。图5是两种方案仿真加工过程示意图。经过仿真加工验证了两种方案编程设置的正确性,在相同参数设置的情况下,方案二所耗时是方案一的3倍。

2.2.4走刀方式的选择及分析方案一沿叶片的轴线方向往复加工,刀具轨迹近似直线,可以采用较大步长生成刀具轨迹,而且不会产生过切现象,可以有效减小加工程序,使加工效率得到提高,此种走刀方式适用于方钢毛坯,但在变截面大扭曲叶片的加工过程中,易出现空走刀现象。此外,如果叶片边缘薄,切削边缘时由于刚度较小,易出现毛刺,圆滑度较差。方案二是沿着叶片截面线螺旋走刀加工,该方案符合叶片的结构特点,所加工的叶片叶型准确度高,但沿叶片截面方向曲率较大,这样就必须采用较小的步长生成刀具轨迹,否则在加工时会出现过切现象,数控编程计算量较大,程序较长,加工效率低。此种走刀方式适用于模锻、精锻毛坯。对比两种方案仿真加工时间分析,在相同参数设置情况下,方案二所耗时是方案一的3倍,考虑叶片应用到汽轮机之前,还需要经过抛光处理,即使边缘圆滑度较差也可以通过抛光方法来解决。综合上述分析,为了提高加工效率,选定方案一进行叶片实际加工。

3叶片加工试验

3.1试验设备与材料试验设备:试验使用型号为FV-800A的四轴加工中心,该机床数控系统为FNAUC-0imB,主轴可无级调速,最高转速8000r/min,最大进给速度10m/min。试验材料:为了保护机床和减少刀具的磨损,使用硬度相对较小70mm的7075铝合金材料进行加工。

3.2参数设置加工顺序:结合叶片的结构特点和实际加工情况,选择分层铣削工艺,顺序为:叶身凹面粗加工、叶身凸面粗加工、叶身半精加工、叶身精加工、叶根加工。采用硬质合金刀具加工,切削液采用乳化液。各项工艺参数设定如表1所示。

3.3加工试验叶片型面以及叶根的加工均在四轴加工中心上完成,从粗加工到精加工耗时2.5h。加工过程中未发生过切、碰刀、干涉现象,从而验证了刀具轨迹计算的合理性。叶片表面刀具轨迹分布比较均匀,边缘较薄处出现轻微毛刺现象,与理论分析吻合。图6为叶片加工试验过程图,图7为加工后的铝合金叶片。

4结论

通过对汽轮机叶片四轴数控加工方法的研究,得出如下结论:(1)四轴数控加工叶片解决了三轴数控机床加工时需要两次装夹的问题,提高了叶片的加工精度;(2)叶片毛坯应根据其结构特点来选择;加工过程中,合理地选择走刀方式能够显著提高工作效率;(3)试验验证了CimatronE8.5软件四轴加工自动编程和仿真加工的可靠性。

作者:邢健 程艳艳 单位:东北电力大学 工程训练中心 吉林工业职业技术学院 化工机械系

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