基于Cimatron E8.5 平臺四軸加工汽輪機葉片的方法研究

付大鵬，魏圣可

（東北電力大學 機械工程學院，吉林 132011）

基于Cimatron E8.5 平臺四軸加工汽輪機葉片的方法研究

付大鵬，魏圣可

（東北電力大學 機械工程學院，吉林 132011）

0 引言

汽輪機葉片是汽輪機中最核心的部件之一,其制造和加工問題直接影響汽輪機的工作效率和穩定性。基于汽輪機變截面葉片,我們必須借助于CAD/CAM軟件和四軸以上數控加工中心進行設計和加工。由于五軸加工費用較高,所以用四軸實現葉片曲面的加工有著實際的意義。汽輪機的葉片加工通常為沿著葉片型面環形銑削如圖1所示,刀路軌跡為環形的包絡線,這種加工方法刀位軌跡計算相對比較慢,軌跡生成時間和加工時間較長。

圖1 兩曲線仿形銑削刀位軌跡

本文將主要介紹Cimatron E8.5軟件對汽輪機葉片的四軸加工實現問題,運用四軸瞄準曲面縱向銑削法加工葉片,大大縮短了加工時間,而且對減小薄壁葉片的變形起到很好的作用,為實際加工提出了很好的思路。

1 四軸加工的基本原理

帶回轉臺的四坐標數控加工中心一般包括三個移動坐標系X、Y、Z和一個轉動坐標系,該轉動坐標系可以是繞X軸旋轉的轉動坐標A,也可以是繞Y軸旋轉的轉動坐標B。由機床的遠動關系可知如果繞Z軸旋轉,機床將不會改變零件加工的刀軸方向,所以繞Z軸不能實現四軸加工曲面。

在進行四軸加工時,由于受機床擺動軸(比如在X軸)的影響,刀軸矢量A被限制在與YOZ平行的平面上(如圖2所示),在Cimatron軟件中四軸加工的刀軸矢量為垂直于驅動曲面方向或是有一定的前傾角,刀軸的方向與曲面的切削運動成一夾角。

圖2 四坐標系刀軸矢量圖

2 汽輪機導動葉片的四軸加工

2.1 葉片的造型

汽輪機葉片汽道為變截面,由無規律空間三坐標數據點成型,其葉形成菱形。首先我們運用Cimatron軟件將葉片型面的點數據進行曲線擬合,形成多條曲線,用命令【混合曲面】拉伸將曲線生成曲面。最后得到的葉片如圖3所示。

圖3 葉片的三維造型

2.2 葉片刀位軌跡生成

圖4 刀位軌跡創建菜單

進入Cimatron E 加工環境下,建立好坐標系和刀具,然后創建刀位軌跡,設X軸為旋轉軸(如圖4所示)。為提高葉片的加工效率在對葉片的內背弧進行粗加工時,運用三軸體積銑削法,對葉片的內背弧分別加工,粗加工可以選擇較大直徑的平銑刀,最后保留3～5mm的半精加工和精加工余量。粗加工用三軸開槽銑削優點是:可以更好的提高加工速度,刀位軌跡生成快,圖5為葉片內弧平行開槽銑刀路軌跡。

圖5 葉片內弧開槽粗加工刀軌

葉片的半精加工和精加工選擇相同的加工方法。運用曲面【流線銑】下的【4軸瞄準曲面】銑削,加工曲面的選擇通過葉片兩邊的曲線瞄準,具體的切削參數在【刀路軌跡】菜單下進行設置(見圖7)。該銑削方法走刀方式為沿葉片曲面直線往復走刀,刀位計算時也相對較快,葉片的表面精度通過控制殘留高度或者最大2D走刀步距來實現。刀具選擇球頭刀或者有錐度的球刀,并合理選擇干涉表面以保證加工安全。計算生成的刀路軌跡見圖6。

圖6 葉片半精加工刀路軌跡

2.3 程序后處理及加工

刀路軌跡生成后通過高級仿真進一步觀察葉片的加工干涉問題,通過反復調試保證沒有干涉后可以進行后置處理加工。

Cimatron E提供了4～5軸的后處理模塊,簡單而且快捷。將粗加工和精加工的程序分別進行后置處理,每個程序段最好獨立,以便進一步修改和調整。最后生成的四軸后置處理程序代碼如圖8所示,其中A為第四軸旋轉回轉臺坐標值。

圖7 四軸刀位軌跡參數設置

圖8 后處理生成的四軸G代碼

最后在四軸加工中心進行塑料件和鋁件加工得到了理想的加工效果,此方法加工時間比兩曲線仿形銑削(環形銑削)快,提高了加工效率。圖9為機床加工的鋁件和原件對照圖。

圖9 葉片原件與加工的鋁件對照圖

3 結束語

本文介紹了Cimatron E8.5軟件在四軸曲面加工中的方法,并通過加工驗證了其程序的有效性,為曲面葉片四軸加工提供了更好的方法支持。隨著現代制造技術理論和CAD/CAM軟件的不斷發展為復雜零件的加工提供了更好的技術支持,將不斷提高復雜零件的加工質量和速度。

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Four-axis machining on cimatron E8.5 platform method of turbine blade

FU Da-peng, WEI Sheng-ke

本文詳細介紹了針對Cimatron E8.5 軟件平臺的四軸加工方法，對汽輪機葉片進行瞄準曲面縱向銑削，該加工方法刀路軌跡生成快，加工時間短，大大提高了加工效率。通過真實加工得到了理想的效果，對曲面葉片的加工提供了很好的實用方法。

Cimatron E8.5；四軸加工；瞄準曲面銑削；后處理加工

付大鵬 (1960－),男, 教授 , 主要從事數控技術的研究工作。

TH164

A

1009-0134(2011)1(上)-0036-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).11

2010-09-02