汽轮机叶片菌型叶根数控加工关键技术研究

2022-09-12

菌型结构广泛应用于汽轮机叶片的叶根部分, 形状呈菌型并辅以圆弧面及过渡曲面, 图1所示这某汽轮机叶片, 根部为菌型结构, 材料为0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢, 切削性能极差;叶根粗加工常用线切割成形, 精加工用菌形叶根成形铣刀 (如图2所示) 铣削完成。传统加工中多选取专用机床进行, 但工件安装调整困难;切削时, 叶根两侧同时切削, 切削大, 振动大, 噪音大;同时, 不可避免造成某侧逆铣, 使叶根表面粗糙, 精度难以控制。数控机床因其柔性好、精度高, 成为了企业的新宠。但叶片菌型叶根数控加工过程中, 须多轴联动, 刀具运动轨迹复杂;无法按工件坐标系进行程序编制, 编程难度大, 也无专用的后置处理程序。因此, 结合机床的运动特点, 研究数控加工过程中刀具轨迹, 设计通用的数控加工程序, 是菌型叶根数控加工的技术关键。

1 工件装夹方案

本研究汽轮机叶片菌型叶根精加工在北一大隈MAVC-630H型卧式加工中心上进行, 该机床能实现4轴联动数控加工, CNC系统为OKUMA OSP-E100。行程为X:1000mm, Y:800mm, Z:810mm, B:连续旋转;叶片装夹方案如图3所示, 叶片固定在回转工作台上, 保证工作台回转中心与叶根圆弧圆心连线与Z轴平行, 加工过程中, 工作台带动叶片绕Y轴旋转, 机床主轴带动刀具实现X、Y、Z直线坐标轴的移动。工件回转中心 (设定为加工坐标系的原点) 并不与叶根圆弧中心重合, 而是分布在相反的两侧。为了保证叶根形线的准确性, 不产生过切, 必须严格保证切削过程中刀具与工件接触点处的刀轴矢量时刻与圆弧法向一致, 即刀轴矢量时刻指向圆心, 但刀轴并不能摆动, 只能通过工件的旋转和刀具的直线移动来实现接触点法线与刀具轴线一致。

2 刀具运动轨迹算法

图4为刀具运动轨迹算法示意图, 其中:

O为叶片在工作台上的旋转中心;

O1为叶根圆弧圆心;

L1为叶根圆弧半径;

L2为叶片旋转中心至叶根圆弧顶距离;

P为叶根弧线C上某任意点;

C为安装位置叶根弧线;

C`为叶片转动后叶根弧线;

C1为刀具运动轨迹。

弧线上的任意点P, 法矢量PO1与OO1间的夹角为A, 切削加工过程中, 刀轴始终平行于Z轴, 无法绕O1在XZ平面内摆动, 为了实现法矢量与刀轴重合, 只能通过工作台的旋转和刀具在XZ平面中的移动来实现。PO1为自由矢量, 叶根弧线上任意P点绕O旋转A角度后, 到达P′点, 其法矢量正好平行于Z轴, 此点即为刀位点在加工坐标系中的准确位置。旋转角度B及旋转后刀位点在加工坐标系中的具体位置可通过如下公式计算:

根据数控加工中坐标系确定的基本原则, 图中, 当工件台绕Y轴顺时针旋转为B轴正向, 逆时针旋转为B轴负向, 则刀位点在加工坐标系中的位置为:

3 数控加工程序设计与实践

数控加工程序设计过程中, 只要给定叶根弧线半径, 测量出叶片旋转中心至叶根圆弧顶距离, 等间距插值圆弧所夹圆心角, 由上述公式求出每一插值点在加工坐标系中的X、Z坐标值和工作台的回转角度B, 顺序连接每一个插值点在加工坐标系中的准确位置, 形成图4中C1所示的刀具运动轨迹, 只要插值间距足够小, 完全能满足加工精度要求, 从而加工出汽轮机叶片菌型叶根型线。进、退刀位置可以综合考虑叶根弧线最大弧长、刀具直径和安全余度, 由以公式 (6) 确定出最大圆心角后, 再根据公式 (1) , (2) , (3) , (4) , (5) 求出:

其中:L3为圆弧弦长, D1为刀具直径, 安全余度为10mm。

OKUMA OSP-E100系统4轴联动数控加工程序段的基本格式为:

其变量VC允许使用表达式, 条件转移等, 编程方便、灵活, 在数控加工程序的设计过程中得到了广泛的应用, 汽轮机叶片菌型叶根数控加工部分程序如下。

程序中变量含义如表1所示。