透平機(jī)葉輪葉片五軸數(shù)控粗加工優(yōu)化方法的研究

郭長輝

摘 要：隨著我國生產(chǎn)力與生產(chǎn)水平的逐年提升，為機(jī)械制造業(yè)注入了新時(shí)代的活力，各類機(jī)械設(shè)備的性能日益優(yōu)化。以透平機(jī)為例，以往的五軸數(shù)控加工技術(shù)已難以滿足其葉輪葉片的生產(chǎn)需求，機(jī)械制造業(yè)已逐步應(yīng)用新型側(cè)銑技術(shù)，使設(shè)備的整體質(zhì)量大幅度提升。據(jù)此，本文將對(duì)新型側(cè)銑技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化分析與闡述。

關(guān)鍵詞：透平機(jī)；葉輪葉片；五軸數(shù)控；側(cè)銑

近年來，科學(xué)技術(shù)水平的日益提升，帶動(dòng)了傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，各類新型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于透平機(jī)設(shè)備的制造環(huán)節(jié)；在有效降低設(shè)備成產(chǎn)成本的同時(shí)，大幅度提升機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而新型側(cè)銑技術(shù)已得到了各大機(jī)械制造企業(yè)的青睞，其工作原理相對(duì)簡易，操作難度更低，能夠充分滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，值得大力推廣。

1 透平機(jī)曲面新型加工技術(shù)

透平機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)由多種元件組成，對(duì)其零件進(jìn)行前期加工是透平機(jī)制造的首要工作。其一，粗加工。即對(duì)利用機(jī)械刀具對(duì)零件進(jìn)行切割，使零件的規(guī)格初步達(dá)標(biāo)。其二，選取小型機(jī)械設(shè)備對(duì)零件表面的凹凸部分進(jìn)行處理，將多余的部分進(jìn)行磨平，初步形成雛形零件。其三，在初步切割完成后與圖紙進(jìn)行對(duì)照，根據(jù)實(shí)際安裝需求進(jìn)行局部偉哥。其四，在完成局部加工后進(jìn)行最后一步的切割工作，至此，零件加工工作初步完成。

時(shí)下在對(duì)透平機(jī)內(nèi)部零件進(jìn)行切割打磨處理環(huán)節(jié)，普遍采用粗加工技術(shù)，以保障零件的達(dá)標(biāo)率。而在這一過程中，施工人員往往利用傳統(tǒng)點(diǎn)銑技術(shù)提升零件的精確度。但值得注意的是，傳統(tǒng)的點(diǎn)銑技術(shù)的加工時(shí)間較長，其零件的質(zhì)量難以保證，透平機(jī)零件的表面凹凸不平，所引發(fā)的透平機(jī)設(shè)備損壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，我國機(jī)械制造行業(yè)逐步應(yīng)用新型側(cè)銑技術(shù)，所取得的優(yōu)化效果顯著。

1.1 新型側(cè)銑技術(shù)的優(yōu)勢

長期以來，我國機(jī)械制造行業(yè)在進(jìn)行透平機(jī)零件加工過程中普遍采用點(diǎn)銑技術(shù)，其零件加工耗時(shí)較長，打磨后的零件表面凹凸不平，且對(duì)于操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高。將此類零件投入使用，難以避免的會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障甚至損壞現(xiàn)象發(fā)生，而后在進(jìn)行零件返工修理，嚴(yán)重拖延了工期。上述客觀現(xiàn)象，在一定程度上增加了零件制造的難度，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)日益加重。

就傳統(tǒng)點(diǎn)銑技術(shù)的應(yīng)用情況而言，新型側(cè)銑技術(shù)的性能相對(duì)優(yōu)越，其優(yōu)勢在于：大幅度降低零件打磨時(shí)間，保障了企業(yè)加工陳本，且在進(jìn)行側(cè)銑后，零件及機(jī)身表面凹凸劃痕現(xiàn)象減少，整體質(zhì)量大幅度提升。但值得注意的是，側(cè)銑技術(shù)并非十全十美而是優(yōu)劣摻半，主要原因在于，側(cè)銑技術(shù)使用五軸機(jī)床進(jìn)行加工，加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，其加工所使用的金屬切具也更為復(fù)雜。與傳統(tǒng)的點(diǎn)銑技術(shù)相比，新型側(cè)銑技術(shù)的起步階段較晚，發(fā)展時(shí)間較短，與之相關(guān)的科研力度較弱。因此，當(dāng)前側(cè)銑技術(shù)僅能應(yīng)用于表面光滑、形狀規(guī)則的零件加工環(huán)節(jié)。

1.2 粗加工優(yōu)化方法

用側(cè)銑加工復(fù)雜的空間曲面。主要思想是將理論曲面，蛻變成逼近的平面或直紋面，實(shí)現(xiàn)側(cè)銑高效加工。難點(diǎn)在于將不可展非直紋面蛻變?yōu)橹奔y面。同時(shí)，考慮到盡量減少蛻變面和原理論曲面之間的偏差，采取分段逼近。

2 復(fù)雜曲面蛻變直紋面優(yōu)化算法

2.1 算法思想

零件的粗加工表面是刀具側(cè)刃運(yùn)動(dòng)掃描留下的表面。以圓柱形刀具為例，刀軸是直線，所以側(cè)刃掃過的曲面是一個(gè)直紋面。一個(gè)曲面及其等距面在任意點(diǎn)有共同的法線方向。因此將一個(gè)非直紋面蛻變?yōu)槿舾芍奔y面，再通過這些直紋面的反向偏置，可以得到圓柱刀具的軸線經(jīng)過的直紋面，即刀具的優(yōu)化軌跡。如圖1所示。

考慮到等距曲面的精度要求和避免過切，采用分段直紋面，代替單一直紋面的方法，實(shí)現(xiàn)分段側(cè)銑，以構(gòu)成原理論曲面的型值線作為分界線，分段進(jìn)行直紋面蛻變操作，如圖2所示。

2.2 對(duì)單一直紋面和分段直紋面與原曲面之間的誤差，作逼近誤差分析并且對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行比較。如圖3所示。圖中灰色面為原曲面，線框顯示的面為直紋面和分段直紋面，黑色直線段為直紋面的母線，點(diǎn)PA為單一直紋面逼近誤差最大的點(diǎn)，PB，PC位置分別為分段直紋面逼近誤差最大的點(diǎn)。對(duì)于蛻變后的直紋面如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某型號(hào)的噴推葉輪為例，采用UG-NX進(jìn)行噴推葉輪建模與數(shù)控編程，用VERICUT刀軌仿真。對(duì)本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證，采用的步驟如下

3.1 葉輪造型用曲面點(diǎn)位數(shù)據(jù)，通過UG三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行參數(shù)化建模。

3.2 粗加工優(yōu)化采用本文算法，基于原曲面構(gòu)造分段直紋面，確定刀具軸位置，進(jìn)行全寬側(cè)銑加工。

3.3 刀具軌跡生成比較，側(cè)銑刀具路徑明顯少于點(diǎn)銑。而且由于點(diǎn)銑加工過程中，刀軸矢量始終在刀具接觸點(diǎn)，平行于曲面法矢，而側(cè)銑過程中，刀軸矢量由直紋面的直紋插值求得，因此刀軸運(yùn)動(dòng)的變化也較點(diǎn)銑更加平滑。

4 結(jié)束語

綜上所述，與傳統(tǒng)點(diǎn)銑技術(shù)相比，新型側(cè)銑技術(shù)的性能更為優(yōu)越，能夠有效提升零件加工效率以縮短加工時(shí)間。同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)有有效保障了零件成型后的整體質(zhì)量，穩(wěn)固了機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而新型五軸數(shù)控加工技術(shù)能夠有效降低切割道具的損耗程度，增加了加工效率。但值得注意的是，側(cè)銑、五軸數(shù)控加工技術(shù)仍存在一定的問題，難以適應(yīng)高強(qiáng)度、高頻率的加工作業(yè)，應(yīng)引起機(jī)械制造領(lǐng)域的高度重視。

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