整体叶轮加工仿真（精选4篇）
整体叶轮加工仿真 篇1
1 概述
整体叶轮的加工一直是加工过程中长期困扰人们的问题。在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足气动性的要求, 叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构, 故其加工复杂性一直让工程师们头痛不已。Hyper MILL软件中有专门加工叶轮的模块, 使得原本极其复杂的编程变得简单, 利用模块就能轻松获得所需要的参数。
2 加工整体叶轮的工艺流程
在本文所述零件加工中, 需要加工的表面主要为流道面、叶片表面和过渡圆角面。另外叶片之间有大量材料需要去除, 由于不同表面在加工中都有不同的精度要求, 因此, 在安排工序时, 为了保证叶轮的加工质量、生产效率和加工成本, 要遵循工序集中、先粗后精的加工原则, 尽可能减少换刀和装夹。所以本文采用的加工流程为: (1) 对叶轮基本回转体进行粗加工和精加工。 (2) 叶轮流道开槽加工。 (3) 叶轮流道及叶片半精加工。 (4) 流道精加工。 (5) 叶片精加工。
3 基于Hyper MILL的整体叶轮加工刀路设计
基于Hyper MILL软件对叶轮的五轴部分进行加工, 创建叶轮特征模型, 分析和选用加工策略, 创建用户刀具库, 在参数选项卡中进行相关的设置, 生成叶轮五轴加工轨迹仿真, 以及加工方法, 如表1所示, 为叶轮加工提供了最优化的解决方案。
4 基于VERICUT软件的虚拟仿真
VERICUT软件已广泛应用于航空、模具制造等行业, 其最大特点是可仿真各种CNC系统, 既能仿真刀位文件又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序。
4.1 虚拟机床的构建
首先用UG三维建模软件构建DM U50V型五轴联动数控机床, 如图1所示, 再生成IGES格式文件, 最后导入到VERICUT中设置好相对位置关系, 其模型树如图2所示。
4.2 刀具轨迹的仿真
为了避免程序错误造成零件过切、干涉和撞机等, 利用VERICUT软件进行仿真加工。具体操作步骤: (1) 配置好控制系统文件以及刀具库文件。 (2) 添加夹具模型和毛坯模型。 (3) 设置G代码零点偏置。 (4) 添加经后置处理的数控程序。 (5) 单击复位按钮, 使机床复位。 (6) 单击播放按钮, 如图3所示, 进行刀路轨迹仿真。
5 刀具轨迹的优化
优化主要针对不同的刀具, 工件材料和切削条件而建立的进给速度和主轴速度的切削参数库。VERICUT软件集成了一个Ingersoll刀具的切削参数库, 可供参考应用VERICUT所有的优化设定都保存在中央数据库, 按类型 (如不同的刀具, 数控机床等) 分类存放。通过设定, 基于恒定的材料去除量、主轴转速、切削深度及角度, 恒定线速度CSS等方面进行设置参数。VERICUT通过对刀具路径的调整, 减少空行程, 合理地进行参数修改, 能极大地提高加工效率。本文以叶轮加工为研究模型, 通过优化节约了33.9%的加工时间, 让加床利用率达到了100%。
6 总结
整体叶轮的加工一直是加工过程中长期困扰人们的问题。在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足气动性的要求, 叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构, 这给叶轮加工提出了更高的要求。利用VERICUT软件虚拟仿真, 可以检测出加工过程中可能存在的问题, 为用户挽回不必要的损失。
参考文献
[1]王玉双.机械自动化技术的应用及发展[J].河南科技, 2013 (03) :140-142.
[2]刘雄伟.数控加工理论及编程技术[M].北京:机械工业出版社, 2003 (9) :123-136.
[3]黄正浩.用HYPERMILL进行叶轮加工[J].航空精密制造技术, 2009 (2) :40-41.
整体叶轮加工仿真 篇2
闭式整体叶轮是一种新型的发动机叶轮, 因其性能优越而得到广泛应用。但是这类叶轮通常工作在高压、高温、高转速条件下, 选用材料多为不锈钢、高温耐热合金和钛合金等难切削材料, 并带有具有复杂型面的叶片, 使得其制造非常困难[1]。目前, 数控铣削、精密铸造是整体构件的常用加工方法, 但是闭式整体构件因其型腔、型面结构复杂, 使得用直柄刀具进行加工很困难, 甚至无法加工, 即加工可达性差。若采用电火花加工, 虽解决了能加工的问题, 但又存在加工周期长、电极损耗大、生产率低、加工成本高的问题。如果在电火花加工之前, 先用电解工艺加工出叶间预通道, 去除大部分材料, 并均匀留下一定余量, 然后利用电火花进行精加工, 则可大大提高加工效率, 降低生产成本[2]。本文针对某型三元流闭式整体叶轮叶间预通道的数控电解加工, 对其阴极设计进行研究。
1 叶间气流通道分析
图1所示三元流闭式整体叶轮圆周上均布若干个叶片, 叶片曲面主要根据气动特性计算确定, 多以列表曲面的形式给出叶片型值点坐标, 经数据处理并拟合后即可得到叶片的实体造型, 将叶片进行圆周复制并添加轮盘及轮盖结构后即得到零件的三维实体模型。从模型中可知:其叶间气流通道较窄, 且上下封闭;进气口轴向较宽, 周向较窄, 出气口轴向较窄, 周向较宽。叶间通道空间弯扭度大, 加工可达性差, 仅用一个成形或近成形阴极根本无法完成加工, 必须对叶间气流通道进行分区域加工, 使用多个阴极从进气口、排气口分别进入, 才能完成整个叶间流道的加工。
(a) 零件实体模型 (b) 叶间通道模型
叶间气流通道的加工区域划分必须保证每个区域划分实体均能从进气口、排气口按照一定轨迹撤出, 同时使每个划分实体尽可能大, 使得所用阴极数目最少、刚性最好。按照以上原则, 通过反复进行计算机仿真模拟, 并综合考虑运动轨迹设计和流场设计, 最终将叶间气流通道划分为三个加工区域, 如图2所示。
2 阴极设计
对于复杂形状零件的电解加工, 有学者提出利用简单形状阴极辅以空间的数控运动展成出零件形状[3,4,5]。但是通过对图1所示三元流闭式整体叶轮叶间气流通道的分析, 认为使用简单形状阴极加工该类零件生产效率很低, 而采用多个近成形阴极辅以简单数控运动的加工方式能有效解决该类闭式整体构件的加工难题, 又能获得较高的加工效率和加工稳定性。本文依照上述加工区域设计了3个近成形阴极, 并以图2所示加工区域1的电解加工为例, 论述其阴极设计方法。
2.1 阴极型面设计
为进行阴极型面设计, 首先假设电解加工间隙是等间隙的。叶间气流通道的电解预加工主要是为电火花加工去除余量, 等间隙假设是能够满足工序要求的。
利用UG二次开发的电加工过程仿真平台, 根据一定的轨迹将气流通道实体撤出, 撤出的过程中与理论零件实体进行布尔减运算, 对于每个加工区域, 其撤出轨迹遵循阴极实体最终留下的该区域实体体积最大的原则, 那么整个撤出的运动轨迹即为加工运动轨迹的反过程, 而撤出后经过数次布尔减运算的阴极实体再减去加工间隙和该工序的加工余量就是要设计的阴极形状。1号阴极的实体模型如图3所示。
对于按照上述方法得到的阴极实体, 为消除各加工区域间存在的接刀痕迹, 在各加工区域阴极边缘设计中, 增加2mm左右的重叠加工区, 阴极边缘进行倒圆角处理。
在进行阴极型面设计时, 要同时兼顾阴极运动轨迹的规划, 运动轨迹复杂将带来流场设计的困难, 导致流场不易稳定, 从而影响加工稳定性。从图3可以看出, 区域1的前端部位扭曲严重, 加工轨迹至少要涉及两轴联动, 即Y轴 (图3中阴极长度方向) 的进给和绕Z轴 (工件的轴心) 的转动。如果将前端扭曲严重的部位截去, 虽然气流通道得不到完全加工, 但是阴极轨迹却简化为单轴进给, 流场大大改善, 加工稳定性得到了保障。对用于粗加工的数控电解工序, 确保加工过程的稳定性是最重要的工艺指标。
同样, 再从流场角度考虑阴极的修正。图4是1号阴极投影图, 从图中可以看出, 阴极侧面并不与进给方向垂直, 而是成一倾斜角θ, 倾斜部分各点法向间隙计算公式为
式中, η ω为实际体积电化当量, 对于新材料, 需要进行工艺试验测定;U为施加在阴阳极之间的电压;δE为阴阳极电极电位值总和;κ为电解液电导率;vaθ为工件在各点的电解速度, vaθ=vcos θ;v为阴极进给速度。
从图4中还可以看出, 随着阴极的进给, θ角逐渐减小。θ角减小则va θ将增大, 由式 (1) 可知, 进给方向上各点法向间隙将逐渐减小。因而, 为保证加工间隙维持在一定范围内, 亦即保证加工过程稳定, 必须考虑降低阴极进给速度, 而进给速度的降低又将导致阴极前端加工超差。综合考虑的结果是:对阴极侧壁部分进行处理, 如图5所示。去除部分侧壁后, 阴极后端θ增大, 有利于进给速度的提升。1号阴极加工结束后, 再以简单片状阴极去除剩余工件材料, 最终完成整个气流通道的加工。
2.2 阴极流场设计
电解加工中, 流场不仅直接关系到电解加工精度的高低、表面质量的好坏, 甚至会决定电解加工能否实施。合理的流场设计是电解加工得以成功的基础。本文采用的电解液流动方式为正流式, 而正流式流道横截面沿电解液流动方向呈扩张状态, 或者说此时电解液的流动为扩散流。对于扩散式通道加工, 电解液流道逐渐增大, 容易导致局部区域电解液缺失, 致使短路烧伤。另外, 在加工间隙出口处流道面积突然增大, 致使电解液压力突降, 有可能使局部压力降到低于该处流场条件下的气化压力, 此时加工过程中产生的氢气将会迅速膨胀, 从而使得局部区域气相体积迅速增大, 液相由连续状态变得不连续, 电解液不足, 阳极蚀除速度减小甚至停止, 同样容易发生短路, 图6所示是发生在间隙出口处的短路烧伤情况。因而, 对阴极进行流场设计时, 必须结合工装夹具统一考虑。
夹具的设计需要施加适当的背压, 在加工间隙出口设置导流段, 以防止压力突变。这样不但提高了电解液工作压力的稳定性, 而且还可使整个流程上的电导率均匀, 从而使加工间隙均匀, 这对提高电解加工的复制精度具有显著效果。
在流体力学中横断流束与其中所有流线相垂直的曲面称为过流断面。从电解液供液系统进液口至加工间隙出口整个电解液的供液流程中, 最小过流断面的面积对电解液的流量有关键影响[6]。在相同的进口压力下, 最小过流断面的面积越大则电解液流量越充足, 电解产物越容易排除, 利于电解加工过程的稳定。因而阴极流场设计中, 增大最小过流断面面积也是保证流场稳定的一个有效手段。图7示出了一种增大最小过流断面的工艺方法。从图7a可以看出, 工件正对阴极出液口的部分得不到加工, 因而产生了微小的凸起, A处即是整个电解液流程中最小过流断面。图7b所示是电解加工之前, 预先加工工艺孔的情形, 可以看出, 电解液从阴极流入预先钻好的工艺孔, 再从工艺孔反向流入加工间隙, B处是最小过流断面, 其通道面积大于A处 (图7a) 通道面积, 电解液流量相对较大, 流场相对稳定。
(a) 无工艺孔 (b) 有工艺孔
预钻工艺孔可以提高电解加工速度及其加工稳定性, 每个工艺孔都包含在最终成形的叶间气流通道之内, 属于待加工材料。工艺孔的尺寸确定要保证其直径略大于阴极端部, 以避免由于阴极端面进给而造成电解加工速度下降;孔的深度要与阴极进给距离一致。工艺孔的位置分布与叶间气流通道分布保持一致即可。
2.3 阴极结构优化
在完成阴极的外形设计和流场设计之后, 还需要结合流场稳定、阴极装夹定位等因素对阴极的结构加以优化和完善:①为保持整个流道光滑转接, 以适当圆角过渡代替“尖棱角”, 这样有利于流场稳定, 提高工件表面质量;②合理设计添加阴极定位、调整找正的工艺基准;③非加工区绝缘以防止杂散腐蚀, 同时还可以起到背压的作用。
3 工艺试验
在数控电解机床上, 对图1所示三元流闭式整体叶轮使用NaNO3电解液进行实际加工试验。对用于粗加工的数控电解工序, 特别是在研制阶段, 确保加工过程稳定是最重要的工艺要求。加工过程稳定就是要确保加工间隙维持在一定范围内, 因而, 加工参数的确定首先应当选定能够使电解加工稳定进行的加工间隙, 然后再选取其余加工参数 (阴极进给速度、加工电压) 及电解液参数。通过多次试验摸索, 最终确定主要加工参数如表1所示。
对于完整的气流通道加工, 还需要2号、3号阴极分别加工后共同完成, 图8所示即为电解预加工完成后的叶轮。
结果表明, 当全部3个阴极完成数控电解加工后, 叶间通道内大部分型面只剩下0.5～0.7mm的余量留待数控电火花精密加工。
4 结论
在闭式整体叶轮组合电加工工艺中, 数控电解加工预通道是提高综合加工效率、降低生产成本的关键工序。本文对这一关键工序进行研究, 主要解决了能加工和稳定加工的问题:针对能加工问题, 划分了多个加工区域, 设计了多个阴极及相应的加工轨迹, 分别从进气口、排气口处进给, 最终共同完成叶间气流通道的电解加工;针对电解加工稳定性问题, 在间隙出口处施加背压以使流道内电解液均匀, 同时在夹具上设计导流段以防止间隙出口处压力突降;另外在工件上增设工艺孔以增大流道中最小过流断面面积, 提高了加工稳定性。
在解决上述问题的基础上, 设计了3个近成形阴极, 成功加工出三元流闭式整体叶轮的预通道, 去除了工件大部分材料, 留下均匀余量待后续电火花精密加工, 有效地提高了综合加工效率, 降低了生产成本。
参考文献
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[3]Kozak J.Computer Simulation System for Electro-chemical Shaping[J].Journal of MaterialsProcessing Technology, 2001, 109:354-359.
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[5]Zawistowski F.New System of Electrochemical Shaping[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 109:354-359.
整体叶轮加工仿真 篇3
航空增压器叶轮工作性能要求高,多采用多轴数控铣削加工技术直接加工成型,节约了不少生产成本。但是多轴工艺编程过程中容易出现工艺规划不当、编程调试周期长、刀具轨迹质量低劣等问题,从而导致机床振颤严重、叶片形变不均匀、叶轮表面质量差甚至进出气边发生过切和啃切等现象。针对这些问题,本文从工艺方法设计和工艺编程参数优化设置入手,结合多轴切削仿真技术实现了增压器叶轮多轴高效加工。
1 多轴铣削工艺规划及工艺方法设计
1.1 增压器叶轮的结构
航空增压器叶轮属于“交错式”离心叶轮,如图1所示。根据叶轮的空间结构特点,整个多轴加工过程需分多道工序和多种加工方法来完成。
1.2 增压器叶轮加工工艺总体规划
增压器叶轮加工工序复杂,涉及多种加工工艺的融合,需要规划一套完整的工艺流程。叶轮加工工艺流程如图2所示,其中流道粗加工是提高加工效率的关键,精加工可决定叶轮加工的最终表面质量。
1.3 多轴加工可行性分析
在进行详细的工艺方法与刀具轨迹规划前,很难确定什么样的加工方案及加工参数可使刀具路径最光顺、抬刀最少、加工效率最高,因此对叶轮进行加工可行性分析很有必要。加工可行性分析主要包括叶片扭曲度、流道最小宽度及流道最深高度计算。
1.3.1 叶片扭曲度计算
叶片的扭曲度指叶片型线的扭转角度,其能够直观地反映叶轮流道的开敞性,评价叶轮粗加工及流道精加工的难度。图3为最大扭曲度及平均扭曲度计算示意图。可将叶片型面按v方向等参数化,做出一系列的参数曲线,首先计算出其中一条等参数线最大曲率值点Pmax,i,分别连接P0,iPmax,i和Pmax,iP1,i得到u方向的两个弦矢量,然后求出两个矢量与叶轮旋转中心轴的夹角θ1、θ2,取最大值即为叶片该条等参数线的最大扭曲度。同理,可计算出多条v向等参数线的最大扭曲度值。连接型面线进气边P1,0点和出气边的P1,1点可得到上截面的弦矢量,其与叶轮旋转中心轴的夹角稳m,则θm为叶片的平均扭曲度。
1.3.2 流道最小宽度及最大深度计算
叶轮流道的最小宽度及最大深度是叶轮加工时刀具参数选择的参考。由于受主叶片吸力曲面和分流叶片压力曲面的约束,刀具尺寸选择过大,加工时会出现频繁抬刀或干涉碰撞;刀具尺寸选择过小,粗加工效率低下,耗时耗力,因此计算流道最小宽度值和最大深度值对刀具尺寸、装夹方式的选择都有很大的参考性。
流道最小宽度值计算可通过离散同一流道两侧主叶片吸力曲面、压力曲面及分流叶片的吸力曲面和压力曲面,并分别计算主叶片吸力曲面与分流叶片压力曲面、主叶片压力曲面与分流叶片吸力曲面对应离散点的距离,比较各点距离大小,最小值dmin即为流道的最小宽度值,如图4所示。
流道最大深度值计算可通过抽取主叶片的叶顶曲线和叶根曲线,并分别进行参数化表示,然后按等参数将其离散为相同的数据点,计算出叶顶线数据点与相应叶根线离散点矢量,并比较取其中最大值hmax,即为流道最大深度值,如图5所示。
1.4 叶轮多轴工艺方法设计
1.4.1 粗加工工艺方法设计
根据前面多轴加工的可行性分析,本文采用两种五轴加工工艺方法对叶轮粗加工方法作对比,研究不同工艺方法对叶轮粗加工效率的影响。
(1)方法一(“3+2”五轴定位粗加工):“3+2”五轴定位加工实质上就是实现不同方位三轴加工的功能,此类机床的两个旋转轴是用来调整和固定刀轴与工件的相对位姿,而不是三轴机床中刀轴恒垂直于工件的位置。叶轮粗加工材料去除部位主要集中在两叶片之间流道腔槽内。考虑到叶轮毛坯的形状,可使刀轴与叶轮毛坯的回转中心保持合适的角度进行五轴定位型腔铣削加工。定位角度的确定原则是保证最大刀轴的可达性,以尽可能多地去除流道内的多余材料,因此最佳定位角度可通过计算流道最大深度值处叶根线与叶顶线对应离散点连线的切矢h与回转轴z正向的夹角来确定,如图6所示。经计算定位角度Δθ=51.789°。
(2)方法二(五轴联动粗加工):叶轮五轴联动粗加工有3种不同的刀具路径规划策略,分别是基于轮毂面偏置算法、基于包覆面偏置算法和基于流线的偏置算法。叶轮粗加工在追求高效材料去除量的同时,还应尽量减弱粗加工时叶片的应力变形问题。对于此种叶片大且长的情况,选择基于轮毂曲面偏置算法加工,可以增加加工过程中叶片上部的刚性,有效减弱切削应力。
1.4.2 精加工工艺方法设计
叶片精加工有点铣和侧铣两种方式。侧铣加工刀具可达性较差,分层较多,表面光洁度差,而且根据叶轮几何尺寸需要多次换刀及清根加工,工序复杂。点铣加工切削力较小,精度高,可选取与叶根圆角相同尺寸球头刀精加工代替叶片圆角清根。本文中研究的增压器叶轮叶片为非可展直纹面,叶片较多且大小不同,主叶片又长又薄,因此选择点铣加工更为高效便捷。
2 基于切削仿真的刀具轨迹优化
2.1 叶轮工艺编程
2.1.1 粗加工工艺编程
无论哪种加工方法,粗加工阶段的材料去除率都决定着粗加工的效率,因此提高材料去除率是粗加工增效的关键。 金属材料去除率计算公式为Q =1 000ap×ae×vf(其中,ap为纵向切深,ae为横向切宽,vf为进给速度)。ap和ae与残余高度要求相关,而vf=fz×n×z,是由每齿切削量fz、主轴转速n和刀具齿数z决定的。
本设计五轴定位粗加工刀具为 Φ10 mm的球头刀,采用层铣优加工策略,每层切削深度决定每次进刀深度,旋转轴定位后,切削深度越大越好。影响材料去除率的关键参数设置如下:切削深度取值为刀具直径的40%,切削宽度设置为刀具直径的50%,每齿进给量取0.12mm,主轴转速为6 000r/min,余量设置为0.8mm的双面余量,公差为0.03mm。
五轴联动粗加工刀具与定位加工相同,由于叶片径向伸出较长,前缘顶部悬长可达35.29mm,为减小切削力的影响,从前缘顶部开始进刀,采用层铣加工策略,刀轨驱动策略采用轮毂面偏置算法。影响材料去除率的关键参数设置如下:切削深度取刀具直径的30%,切削模式采用混合型Zig-zag往复式走刀,各个pass间的宽度取刀具直径的40%,主轴转速设置为8 000r/min,每齿进给量为0.13 mm,公差取0.03mm。
2.1.2 精加工工艺编程
叶轮精加工编程过程中,工艺参数较多,各参数量的选择较多,不仅仅影响编程的效率,还直接影响CAM软件内部轨迹优化算法,进而影响刀具轨迹的质量,因此精加工阶段的工艺参数的最优选取是叶轮加工过程中最关键一步。工艺参数的设置原则如下:精加工统一采用直径为Φ6mm的锥度球头刀,其刀杆直径大,刀具刚性好,可适当弥补机床高速切削时刀杆振颤所导致的曲面表面不光滑的现象;刀具采用HSK高性能刀柄装夹,刀柄径向跳动5μm,刀具悬长初步设置为50mm,可通过后面轨迹仿真进行适当调整,调整原则是在保证无干涉前提下越短越好。
由于叶片型面扭曲多变,为避免加工刀轴与工件干涉,增大刀具球面与工件的接触面积,选取相对于曲面倾斜的刀轴驱动方式,该方式能够有效地提高切削的效率。刀轴倾角根据叶片的曲面扭度,结合试切加工实际经验确定,刀轴矢量u向导动面倾斜角度选择5°,v向导动面倾斜角度选择75°,如图7 所示。刀轴的剧烈变化引起实际进给速度突变,这样会在已切削表面和将切削表面交接处因切触点停顿和振颤产生刀具痕迹,因此刀轴最大变换矢量要控制在一定范围内,以保证刀轴在曲面曲率变换剧烈的部位平滑过渡。叶片轨迹规划时常常需要优化前后缘刀轴矢量,这里设置前后缘最大角度步距α=1.2°。根据多次试切实验结果对比发现,叶轮精加工表面质量受步长和步距影响最大,刀具轨迹公差其次,每齿切削量最小。精加工轨迹规划时,结合机床性能及加工实验,设置主轴转速为6 000r/min,每齿切削量为0.06mm,步长取刀具直径4%,步距(每层螺旋切深)取刀具直径的7%,公差为0.01mm。
按加工工艺得到的增压器叶轮主叶片、分流叶片、流道五轴联动精加工轨迹如图8所示。
2.2 Vericut多轴联动仿真平台的搭建
本文采用配备华中8型高档数控系统的AC双转台五轴联动加工中心进行叶轮加工,其运动链为:刀具←Z轴←Y轴←X轴←床身→A回转轴(主动轴)→C回转轴(从动轴)→工作台→工件。
依据机床运动链,在Vericut中搭建机床的运动数字模型,导入机床各部件模型并配置好机床的行程,配置华中8型高档数控系统的常用指令字解释器,建立每道工序所需刀具库,完成多轴仿真平台的搭建。
2.3仿真优化
将各工序的数控代码导入Vericut中进行仿真加工,并通过切削仿真计算比较结果,优化微调工艺参数,使刀轴沿轨迹光顺平滑过渡。另外,通过干涉仿真分析确定刀杆最优悬长为45mm,大大降低了刀杆振颤带来的影响。最终切削仿真结果如图9所示。
3 加工试验及分析
3.1 叶轮粗加工方法对比
按两种粗加工方法进行试切加工,对比分析实际加工效率,并采用效率较高的工艺方法完成增压器叶轮全部粗加工,表1为两种方法粗加工结果及工时的对比结果。
3.2 叶轮精加工过程及结果
精加工分3道工序,包括主叶片、分流叶片及流道精加工,每道工序完成后,工件坐标系中C轴旋转一个叶片分度角,继续另外叶片的加工,最终完成整个叶轮加工,如图10所示。
3.3 加工效率对比分析
表2为优化前后增压器叶轮加工工时对比。由表2可以看出,经过工艺优化后的叶轮加工效率整体提高了45.54%,达到了预期高效加工的目的,大大节省了加工成本。
4 结束语
本文深入分析研究了增压器叶轮的结构特点,基于多轴切削仿真技术,将工艺与编程技术融合,提出一套叶轮多轴加工高效工艺方案,大大缩短了增压器叶轮的生产设计周期,提高了增压器叶轮实际加工的总体效率。
参考文献
[1]陈晧晖,刘华明,孙春华.国内外叶轮数控加工发展现状[J].航天制造技术,2002(2):45-48.
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整体叶轮加工仿真 篇4
作为航空发动机的关键部件,整体叶轮广泛应用于航天航空等领域,其数控加工品质直接影响发动机的动力性能和机械效率[1,2]。因此,加工出高品质的整体叶轮成为国内外重点研究课题之一。高性能整体叶轮由于叶片型面复杂,导致刀位计算和无干涉刀轴矢量的计算都有一定的难度。主要表现在:1)整体叶轮叶片曲面造型复杂,多由非可展直纹面和自由曲面组成,一般需要五轴联动数控机床加工。2)整体叶轮结构复杂,叶片扭曲度大,流道深,相邻叶片的间距较小,整体叶轮加工除了要考虑刀具与被加工叶片曲面之间可能发生的干涉以外,还必须考虑刀具与相邻叶片曲面发生干涉的情况。
国内外学者整体叶轮数控加工的刀具轨迹规划方面做了大量的工作[1,2,3],其中绝大部分刀位轨迹规划算法都是针对球头刀而提出,随着现代生产对曲面的加工品质和加工效率的要求越来越高,传统的球头刀加工已远远不能满足加工要求。近年来采用具有非球头刀加工整体叶轮开始受到重视。文献[4]中基于鼓锥形刀的等残留高度提出了刀具轨迹的计算方法,表明在同等加工条件下,利用鼓锥形刀比用球头刀加工整体叶轮的效率可显著提高。
与球头刀具相比,鼓形刀具的曲率可以很大,还可设计成变曲率轮廓,更适合于加工复杂曲面[5]。在此提出了一种用鼓形刀加工整体叶轮的无干涉刀位轨迹生成算法,并开发了相应的软件功能。该算法对扭曲度大、容易发生碰撞干涉的叶片曲面,在生成高效的无干涉刀位轨迹方面具有相当的灵活性。
1 鼓形刀几何参数的确定
采用鼓形刀具数控加工叶片曲面时,合理设计鼓形刀的几何参数是避免鼓形刀具和叶片曲面之间发生局部干涉的前提之一。本文以具有单一曲率的鼓形刀具为对象进行研究,与球头刀相比,切削刃部分的曲率可以设计得更大。这样,对于同样的残留高度,可增大加工行距,使总的刀具轨迹长度变短,从而可以提高整体叶轮的数控加工效率。
鼓形刀几何参数确定的原则是:能够保证鼓形刀和被加工曲面相接触的同时,存在一个姿态使得鼓形刀和被加工对象不发生局部干涉。
如图1所示,鼓形刀鼓形最大旋转半径为R,鼓形刀母线的曲率半径为Re,鼓形刀沿轴向长度为Le。设鼓形刀和整体叶轮叶片曲面在P点接触,nc为叶片曲面在P点的单位法向矢量。设叶片曲面在P处对应的两个主曲率方向的单位矢量为e1和e2,叶片曲面在P点以弧长参数形式r(b,f)表示,(e1,e2,nc)构成接触点P处的局部坐标系。将鼓形刀中心点Tc定位在沿单位法矢nc,与P点距离为R的偏置点上;在P处的局部坐标系内,由微分几何[6,7],得鼓形刀表面的P点处局部二阶近似为
nT=0.5(keb2+kcf2) (1)
ke=1/Re (2)
kc=1/R (3)
式中:ke,kc分别为鼓形刀母线的曲率和最大旋转半径对应的最小径向曲率。被加工曲面在P点处局部二阶近似为
ns=0.5(k1b2+k2f2) (4)
式中:k1和k2分别是叶片曲面在P点处沿着e1方向和e2方向的两个主曲率。
设H为鼓形刀具表面距离叶片曲面的法向高度,即
H=nT-ns=0.5[(ke-k1)b2+(kc-k2)f2] (5)
如果鼓形刀和叶片曲面不发生干涉,则需要满足对任意的(b,f)都有H≥0,即要求ke>k1且kc>k2。
算法描述:首先将整体叶轮叶片曲面离散成足够多的离散点{Pi},i=1,2,…,n,再对每点进行分析,计算叶片曲面在该点的最大、最小曲率{k1i}和{k2i},则设K1=max{k1i},K2=max{k2i},i=1,2…,n。这样只要取kc≥K1,ke≥K2,则以此为几何参数的鼓形刀加工整体叶轮叶片曲面一定不会产生局部干涉。
2 鼓形刀刀具轨迹生成算法
刀具轨迹生成的思路是先确定刀触点,再根据鼓形刀的几何参数和刀轴矢量计算相应的刀位点。首先将整体叶轮叶片曲面的参数线作为刀触点轨迹,以小的等参数步长对轨迹进行离散;其次再计算离散轨迹线段的实际误差,剔除不必要的刀触点;再次插入关键的刀轴矢量初值,并通过样条曲线拟合来平滑所有的刀轴矢量;最后确定刀位点位置,从而得到加工效率高的刀具轨迹。
2.1 刀触点坐标的计算
刀触点是指在加工过程中刀具表面与加工曲面相接触的点。如图2所示,设当前的刀触点为p(ti),由该点通过弦截法[8]计算下一刀触点p(ti+1),并使两点之间加工误差δ不大于加工许可误差Ei。
设走刀方向为参数增加方向,即ti+1>ti,保证ti+1在一个相对较小的初始区间范围。计算走刀步长的具体操作步骤如下:
1) 将参数线离散成等分的一些离散点p(tj),j=1,2…,n。并设初始刀触点为p(ti)。
2) 假定下一刀触点的位置为p(ti+1),通过计算得到两点之间的线段距离d,并求出线段中点T。
3) 令t=(ti+ti+1)/2,得到参数线上点p(t),并计算线段中点T和参数线上点p(t)之间的距离,即加工曲面时所出现的误差δ。
4) 如果δ
2.2 刀轴矢量初始值的设置
在计算刀轴矢量时,由于相邻两个刀触点一般非常接近,其干涉环境类似,刀轴矢量变化不大,甚至可以视为相同。没有必要在每个刀触点位置都根据干涉碰撞情况计算其最优刀轴矢量,这样将降低加工效率。所以在曲面曲率变化剧烈的地方或者易发生碰撞干涉的地方设置一些关键刀轴矢量。通过后续的干涉检查,修正刀轴矢量,在生成刀位文件的过程中,使刀轴矢量在这些关键刀轴矢量间依次平滑过渡,从而生成全局平滑无干涉的刀轴矢量。
a) 如图3(a)为整体叶轮叶片间的截面线,其特点为在叶片前后缘处,曲率变化剧烈,叶盆、叶背处是由两条自由曲线组成,在实际中,由于整体叶轮叶片距离小,流道较深,所以叶盆、叶背处最容易发生干涉碰撞,根据叶片截面线的特点,刀轴矢量位置设置的基本原则是:
1) 在曲率变化剧烈处。从叶片的截面线可以看出,叶片的前后缘处曲率变化最为剧烈,如图3(b)中①③④⑥,当鼓形刀的有效切削半径小于或者接近进给方向的曲率半径的时候,由刀具的摆动误差会迅速增大,在整体叶轮表面造成啃切的现象,所以,为了避免这种情况的出现,在这四处选择插入关键的刀轴矢量。
2) 在易发生干涉碰撞处。从叶片的截面线可以看出,叶盆、叶背处曲线较为平坦,但是由于整体叶轮的流道较深,较易发生干涉碰撞,因此,为了避免全局干涉碰撞的情况出现,在②⑤处插入两个关键的刀轴矢量是非常有必要的。
b) 针对关键刀轴矢量设置过程中的一些情况,做如下说明:
1) 在同一个关键位置不能插入两个不同的刀轴矢量。如果在刀轴矢量不同,将导致刀具在该关键位置停留一段较长的时间,刀具将会产生振动,影响加工品质和效率。
2) 对于鼓形刀来说,保证其最大旋转半径的圆上的某一点与关键位置点相重合,同时把刀轴矢量设置在与走刀方向相垂直的平面内,这样有利于对残留高度的计算。
2.3 刀位点坐标的计算
刀位点数据是描述刀具在加工过程中精确的数据,通常是通过刀触点数据根据刀具几何参数推算出来的。假设鼓形刀具母线上的某一点T和端点p(ti)相重合,如图4所示,刀位点坐标计算的具体步骤如下:
1) 已知叶片曲面在端点p(ti)处的法矢和鼓形刀在点T与加工端点p(ti)相重合时的刀轴矢量,通过计算得到刀轴矢量和曲面法矢的夹角φ。
2) 计算鼓形刀母线圆心A到刀轴矢量所在直线与undefined交点的距离,如式(6):
undefined
3) 计算刀触点T到交点B的距离,如式(7):
undefined
4) 计算得到曲面在端点p(ti)处的法矢与刀轴矢量的交点在工作坐标系的点矢rB:
undefined
式中,rT是刀触点T在工作坐标系的点矢,i是曲面在端点p(ti)处的法矢的单位向量。
5) 计算得到刀位点D和曲面法矢与刀轴矢量交点B的距离:
undefined
6) 最后得到刀位点在工作坐标系下的点矢rD:
undefined
式中,k是刀轴矢量的单位向量。
2.4 干涉检查
在确定好加工中的某一个姿态后,即设计好鼓形刀几何参数和确定加工时的刀轴矢量初始值,还需要通过干涉检查来调整刀轴矢量以达到避免全局干涉,检查全局干涉主要是两个方面:一是考查鼓形刀具与被加工整体叶轮叶片曲面是否存在干涉;二是考查鼓形刀具与被加工叶片的相邻叶片曲面是否存在干涉。二者交替进行,直到不存在干涉。这两个方面内容可统一看成是求刀轴矢量离散点到叶片曲面最小距离的干涉检查问题。具体流程图如图5所示:
2.5 干涉刀位的修正
一旦发现干涉,就要对刀轴矢量进行调整,即如果检查出干涉,首先,刀轴矢量就要根据干涉情况沿着法线方向旋转一定角度,其旋转的公式为[9]:
T′=T×cosθ+T×nc×T·sinθ (11)
式中:T′是旋转后的刀轴矢量,T是存在干涉时的刀轴矢量,θ是旋转角度,nc是叶片曲面的外法矢。
通过多次旋转刀轴矢量,最后得出无干涉刀轴矢量,再根据刀位坐标计算方法就可以得出新的刀位数据。
3 实例验证
应用本文的整体叶轮鼓形刀刀位轨迹生成的算法,开发了整体叶轮五坐标数控精加工软件模块,生成了鼓形刀数控加工的刀位轨迹,然后在残留高度相同的情况下,采用球头刀生成数控加工的刀位轨迹,并将其两者的刀位轨迹数目和刀位轨迹长度进行了对比,如表1所示。其中采用的鼓形刀的几何尺寸为:鼓形刀鼓形的最大旋转半径为R=4mm,鼓形刀母线的曲率半径为Re=20mm,鼓形刀沿轴向长度为Le=10mm。选择球头刀具的半径为R=4mm。结果表明,鼓形刀五坐标数控加工整体叶轮的刀位轨迹数少,刀位轨迹长度短。在其他的加工条件一样的前提下,刀位轨迹长度短意味着数控加工效率的提高。
应用本文方法,得到如图6的叶轮鼓形刀刀具轨迹图,图7为数控加工仿真图。
4 结论
1) 用微分几何方法分析了数控加工整体叶轮时鼓形刀和叶片曲面的接触状态,得到了能避免局部干涉鼓形刀最优的几何参数,即通过计算叶片曲面上点的最大法曲率的最大值来确定鼓形刀具的母线半径,通过计算叶片曲面上的最小法曲率来确定鼓形刀具的最大旋转半径。
2) 采用弦截法计算最大的走刀步长,从而确定刀触点,插入关键的刀轴矢量,采用样条函数来插值以得到平滑的刀轴矢量,根据确定的鼓形刀具的几何参数和刀轴矢量推算出刀位点的点矢。
3) 用UG/Open API二次开发技术开发了整体叶轮鼓形刀五坐标数控精加工模块,通过该模块可以生成刀具轨迹,进而得到刀位文件。
摘要：研究了用鼓形刀具进行整体叶轮五坐标数控加工的编程技术。根据鼓形刀具的几何特点,设计了一种无干涉的鼓形刀刀位轨迹生成算法,开发出整体叶轮五坐标数控加工程序生成功能模块。通过算例,证明设计的鼓形刀无干涉刀位轨迹算法是切实可行的,与球头刀相比,对于同样的残留高度,可以增大加工行距,使刀轨长度变短,可提高整体叶轮数控加工的效率。
关键词：整体叶轮,鼓形刀,数控加工
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