開式整體葉輪數控加工技術研究

2015-08-27 15:51:46

來源：互聯網

點擊：3044

A⁺ A^-

關鍵詞：開放式整體葉輪數控

　整體葉輪作為透平機械的核心部件，已經被廣泛的應用于航空、航天及其他工業領域。與傳統的分體式葉輪結構相比較，整體葉輪將葉片和輪轂設計成一個整體，在提高了零件性能的同時，也增加了零件加工的難度。一個葉片的加工失敗，將導致整個零件的報廢，因此導致目前生產中整體葉輪的成品率較低。

　　目前整體葉輪加工一般采用鑄造、電火花加工、電解加工及數控銑削加工等方法。其中5坐標數控加工以其靈活、高效、零件表面質量高和生產周期短等優點而成為整體葉輪加工常用的方法。然而，在整體葉輪數控加工中極可能出現的干涉碰撞、加工變形等問題，嚴重影響了零件的質量。因此，研究該類零件的數控加工技術有著重要的現實意義。

　　開式整體葉輪是整體葉輪的一種，與之相對的是閉式整體葉輪，即所謂的帶箍整體葉輪。這2種葉輪的結構特點決定了其數控加工方式的不同，即開式整體葉輪可以環繞葉片走刀，同時加工葉盆與葉背，而閉式整體葉輪則只能多次裝夾，分別加工葉盆和葉背。由于環繞葉片加工需要刀具通過葉輪流道，因此極易在開式整體葉輪的數控加工過程中出現干涉碰撞現象，需要進行適當的處理以避免其發生。

　　針對開式整體葉輪，本文提出一套數控加工關鍵技術，包括合理的刀具軌跡以及刀軸矢量的規劃等，最后給出了加工實例。與已有加工方法相比，本文主要從數控編程角度來合理安排整體葉輪數控加工刀具軌跡，以達到減小變形、提高加工質量的目的。

1 國內外研究現狀

　　國外一些學者對整體葉輪的數控加工做了大量的研究。

　　歐共體科學技術委員會支持的BE.97.4078項目聯合了SNECMA、Dassault System、dCade、Volvo Aero Norg AS、Rolls Royce Plc等大公司和一些科研機構共同研究復雜曲面的5坐標數控加工技術，該技術可廣泛應用于葉輪及發動機葉片的生產和制造，在葉輪的5坐標數控加工方面代表當今世界發展的最高水平。

　　在應用軟件方面，目前多數廠家采用通用的CAD/CAM的商用軟件編制葉輪的數控加工程序。針對這一情況，國際上一些先進的多坐標數控機床生產廠商及專業的葉輪加工工廠都推出了專用于葉輪的數控加工軟件包，如MAX-5，MAX-AB，STARRAG等。

　　在國內，西北工業大學做了大量的研究工作，并取得了顯著的成績，開發出了“葉輪類零件多坐標NC編程專用軟件系統”。另外，北京航空航天大學以及哈爾濱工業大學等高校在整體葉輪的數控加工方面也做了一定的研究工作。但從目前國內已有的文獻看，對開式整體葉輪的數控加工技術研究還比較少。

2 開式整體葉輪數控加工關鍵技術

　　2.1 流道可加工性分析

　　本文所說的流道可加工性分析是指刀具能否從流道的進氣口(出氣口)沿流道方向加工到出氣口(進氣口)。分析的目的是需要確定刀具是否能夠通過流道并且允許多大直徑的刀具通過。若能通過，則可以采取環繞葉片走刀的方式，而這種方式對防止葉片加工變形最有利，并且葉片表面不會出現對刀痕；若不可以，則只能采取多次裝夾、分片加工葉片的方式。

　　判斷葉片之間流道是否允許刀具通過，可沿相鄰兩葉片根部中間位置選取一系列的點，以這些點為刀尖點，選擇一定直徑的刀具，適當調整刀軸矢量，計算刀軸與葉片之間的距離，并與刀具直徑相比較，從而判斷干涉。若不存在干涉，則可以選擇環繞葉片走刀方式。選擇相鄰葉片根部中間位置是因為該處干涉碰撞條件最苛刻。若該位置不存在干涉，則其他位置也不會有干涉。如圖1所示。

圖1 流道可加工性分析

2.2 葉片數控加工高效刀軌的規劃

　　葉輪葉片曲面在建模過程中其葉尖與葉根通常需要進行裁剪。設裁剪后的葉片曲面參數域如圖2所示。其中沿葉片截面線方向為u向，沿葉片徑向為v向。

圖2 裁剪后葉片曲線參數域

　　傳統曲面數控加工刀具軌跡生成一般根據曲面參數進行規劃，因此在該葉片曲面上規劃的刀具軌跡并不與裁剪葉片曲面相匹配，出現了空行程，并且葉根處出現了干涉。圖3所示為UG中所生成的刀軌。

圖3 UG生成的刀軌

　　本文通過一個參數映射的方法解決該問題。設映射后的參數域為(m，n)，映射方法如下：

　　(1)在葉片u向上，由于沒有經過任何操作，則可取：

u=(u_max-u_min)m+u_min

　　(2)在葉片v向上，做線性插值，計算可得：

u=(v₁-v₀)n+v₀

　　式中：v_o由C₀(m，0)計算得到；v₁由C₁(m，l)計算得到。對于裁剪曲面，其邊界參數關系一般是已知的。

　　圖4為映射后的參數域(m，n)，并將其范圍規范化。通過計算，可在該參數域上規劃刀軌。在該參數域上規劃等參數刀軌如圖5所示。

圖4 規范化的參數域

圖5 裁剪葉片的等參數刀軌

　　重新規劃后的刀軌明顯避免了空行程，從而提高了加工的效率。同時刀具軌跡沿著葉片的流線方向，有利于提高成型零件的性能。

　　2.3 前后緣圓角的處理

　由于整體葉輪性能的需要，葉片前后緣處的圓角半徑一般都比較小。例如本葉輪上其葉尖處圓角半徑只有0.15mm左右，遠遠小于刀具半徑，造成其非線性誤差嚴重，易造成所謂的啃切現象。

　　本文綜合考慮走刀過程中的弦長逼近誤差以及非線性誤差，將總誤差看成是這2種誤差之和。在其他條件確定的情況下，總誤差可以看作是曲面參數的函數。本文采用了弦截法來計算走刀步長。選擇該方法是因為弦截法收斂速度快，為超線性收斂，而且避免了復雜函數的求導，計算量小。但該方法是一個局部收斂方法。由于在當前刀位點處沿著參數增加和減小方向有2個點與當前刀位點之間誤差滿足加工許可誤差，為避免該方法收斂于錯誤的解，提出了一種改進弦截法來處理該問題。該方法首先搜索正確解所在范圍，在迭代過程中進行變量替換時，始終保證正確解在縮小的范圍內，以收斂于正確解。

　　以一條等n參數刀具軌跡為例。設當前所在刀觸點為p(m_i)，由該點計算下一刀觸點p(m_i+1)，并使兩點之間加工誤差σ不大于加工允許誤差EI。設走刀沿參數增加方向，即m_i+1>m_i。

　　首先確定m_i+1所在區間，即保證m_i+1在一個相對近似的初始區間范圍。本文采用倍增搜索法得到該區間，步驟如下：

　　(1)給出初始參數步長增量。可令△m=m_i-m_i-1，即上一個參數步長增量；由于相鄰兩個刀觸點距離很小，這兩個位置曲面性質接近，步長變化不會太大，因此該估計具有一定合理性。

　　(2)令m_low=m_i，m_high=m_low十△m，計算參數區間(m_i，m_high)的加工誤差σ，若σ＜EI，則m_low=m_high，△m=a△m，a>1，轉(2)。若σ>EI，則循環結束。此時，區間(m_low，m_high)便是下一刀觸點p(m_i+1)所位于的參數區間。

　　設區間(m_i，m)之間誤差σ=σ(m)，m_low＜m＜m_high。該函數求導困難，計算量大。由上面的搜索過程可知，在微小區間(m_low，m_high)內可認為σ是m單調增函數。

　　建立函數f(m)=σ(m)-EI。計算f(m)=0，由以上分析可知，解一定位于區間(m_low，m_high)，且有惟一解。

　　修改弦截法如下：

　　(1)計算m=m_high-［f(m_high)/〔f(m_high)-f(m_low)〕］(m_low-m_high)。

　　(2) 若│f(m_high)│＜ε，則m_i+1=m_high，若│f(m_low)│＜ε，則m_i+1=m_low，則循環結束。否則若f(m)＜0，令m_low=m；若f(m)＞0，令m_high=m，轉(1)。式中ε為迭代要求精度。

　　(2)中經過修改的變量替換保證了正確解一直位于區間(m_low，m_high)，從而保證該過程收斂于正確的解。

2.4 刀軸矢量的生成及其平滑處理

　　整體葉輪結構復雜，葉片扭曲大，數控加工時極易出現干涉碰撞。尤其采用環繞葉片走刀時，由于刀具要通過葉片流道，很容易與相鄰的葉片發生碰撞，特別是加工到葉片根部的時候。而閉式葉輪由于只能采取2次裝夾分別加工的方式，其干涉碰撞情況反而不如開式整體葉輪的嚴重。因此，在刀具軌跡計算中，刀軸矢量的生成及其平滑處理是實現無干涉高效加工的關鍵和難點。

　　采用線性插值的方法計算2個關鍵刀軸之間的刀軸矢量，分別采用四元數的方法對2個關鍵刀軸矢量之間的刀軸進行光滑過渡。與UG加工模塊中Interpolate的Smooth方法類似，這些方法只適用于2個關鍵刀軸矢量之間的光滑過渡，而不能處理多個關鍵刀軸矢量之間的過渡問題。在處理存在多個關鍵刀軸矢量的情況時，在關鍵刀軸矢量處會出現刀軸矢量的突變，從而引起機床的振動。這種振動會影響整體葉輪葉片型面的質量，產生切坑現象。

　　本文所提出方法適合在多個關鍵刀軸矢量之間實現刀軸矢量的光滑過渡，具體算法思想如下：引入動畫制作中經常采用的設置關鍵幀的思想，在曲面的一些關鍵位置，例如曲面曲率變化劇烈的地方或者碰撞干涉比較嚴重的地方，在不發生干涉碰撞的條件下設置一些關鍵刀軸矢量。這之后采用3次周期樣條函數對這些關鍵刀軸矢量進行插值。參數化方法可采用常用的積累弦長參數化方法，該處弦長可采用相鄰刀軸矢量之間的夾角。然后，繼續將關鍵刀軸矢量所對應的樣條參數進行插值處理，此時參數化取其對應參數為截面上插入位置參數，并在每個位置加人切矢條件以使得樣條函數為曲面參數的單調函數。在生成刀位文件的過程中，以曲面參數作為變量代入該樣條函數，將所取得的值作為該點的刀軸矢量。同時，若再有干涉發生，則在有干涉的位置再插入一個關鍵刀軸矢量，并重新插值成樣條函數。以一條等參數曲線為例，生成的無干涉且過渡平滑刀位軌跡如圖6所示，圖7為采用四元數方法得到的結果，采用線性插值方法以及UG中提供的方法與其類似。