汽輪機葉片菌型葉根數控加工關鍵技術研究

曾祥錄 周 奎② 李登萬②

(①四川工程職業技術學院,四川德陽 618000;②西南交通大學,四川成都 610031)

菌型結構廣泛應用于汽輪機葉片的葉根部分,形狀呈菌型并輔以圓弧面及過渡曲面。如圖1所示為某汽輪機葉片,根部為菌型結構,材料為0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼,切削性能極差。葉根粗加工常用線切割成形,精加工用菌形葉根成形銑刀(圖2)銑削完成。傳統加工中多選取專用機床進行,但工件安裝調整困難;切削時,葉根兩側同時切削,切削量大,振動大,噪聲大;同時,不可避免造成某側逆銑,使葉根表面粗糙,精度難以控制。數控機床因其柔性好、精度高,成為了企業的新寵。但葉片菌型葉根數控加工過程中,須多軸聯動,刀具運動軌跡復雜;無法按工件坐標系進行程序編制,編程難度大,也無專用的后置處理程序。因此,結合機床的運動特點,研究數控加工過程中刀具軌跡,設計通用的數控加工程序,是菌型葉根數控加工的技術關鍵。

1 工件裝夾方案

本研究汽輪機葉片菌型葉根精加工在北一大隈MAVC-630H型臥式加工中心上進行。該機床能實現4軸聯動數控加工,CNC系統為OKUMA OSP-E100;行程為X軸1000 mm,Y軸800 mm,Z軸810 mm,B軸連續旋轉。葉片裝夾方案如圖3所示,葉片固定在回轉工作臺上,保證工作臺回轉中心與葉根圓弧圓心連線與Z軸平行。加工過程中,工作臺帶動葉片繞Y軸旋轉,機床主軸帶動刀具實現X、Y、Z直線坐標軸的移動。工件回轉中心(設定為加工坐標系的原點)并不與葉根圓弧中心重合,而是分布在相反的兩側。為了保證葉根形線的準確性,不產生過切,必須嚴格保證切削過程中刀具與工件接觸點處的刀軸矢量時刻與圓弧法向一致,即刀軸矢量時刻指向圓心,但刀軸并不能擺動,只能通過工件的旋轉和刀具的直線移動來實現接觸點法線與刀具軸線一致。

2 刀具運動軌跡算法

圖4為刀具運動軌跡算法示意圖,其中:O為葉片在工作臺上的旋轉中心;O1為葉根圓弧圓心;L1為葉根圓弧半徑;L2為葉片旋轉中心至葉根圓弧頂距離;P為葉根弧線C上某任意點;C為安裝位置葉根弧線;C'為葉片轉動后葉根弧線;C1為刀具運動軌跡。

弧線上的任意點P,法矢量PO1與OO1間的夾角為A,切削加工過程中,刀軸始終平行于Z軸,無法繞O1在XZ平面內擺動,為了實現法矢量與刀軸重合,只能通過工作臺的旋轉和刀具在XZ平面中的移動來實現。PO1為自由矢量,葉根弧線上任意P點繞O旋轉A角度后,到達P'點,其法矢量正好平行于Z軸,此點即為刀位點在加工坐標系中的準確位置。旋轉角度B及旋轉后刀位點在加工坐標系中的具體位置可通過如下公式計算:

根據數控加工中坐標系確定的基本原則,圖4中,當工作臺繞Y軸順時針旋轉為B軸正向,逆時針旋轉為B軸負向,則刀位點在加工坐標系中的位置為:

3 數控加工程序設計與實踐

數控加工程序設計過程中,只要給定葉根弧線半徑,測量出葉片旋轉中心至葉根圓弧頂距離,等間距插值圓弧所夾圓心角,由上述公式求出每一插值點在加工坐標系中的X、Z坐標值和工作臺的回轉角度B,順序連接每一個插值點在加工坐標系中的準確位置,形成圖4中C1所示的刀具運動軌跡,只要插值間距足夠小,完全能滿足加工精度要求,從而加工出汽輪機葉片菌型葉根型線。進、退刀位置可以綜合考慮葉根弧線最大弧長、刀具直徑和安全余度,由以公式(6)確定出最大圓心角后,再根據公式(1)～(5)求出。

式中:L3為圓弧弦長;D1為刀具直徑;安全余度為10 mm。

OKUMA OSP-E100系統4軸聯動數控加工程序段的基本格式為:

其變量VC允許使用表達式,條件轉移等,編程方便、靈活,在數控加工程序的設計過程中得到了廣泛的應用。汽輪機葉片菌型葉根數控加工部分程序如下:

程序中變量含義如表1所示。

表1

4 結語

根據機床的結構特點及四軸聯動數控加工菌型葉根時刀具與工件之間的幾何關系,研究了在加工坐標系中刀具運動軌跡的基本算法,利用OKUMA OSPE100系統VC變量設計的菌型葉根數控加工程序很好地應用于生產實踐,程序短小,靈活,為菌型葉根數控加工編程技術提供了參考。