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叶片数控加工程序的验证 |
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作者：吕民 姚宏伟 刘为民 王晓杰 高彤 |
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0 前言
叶片是汽轮机的主要部件之一，尤其它的汽道部分决定了汽轮机的发电功率，直接影响到汽轮机产品的质量。随着我国汽轮机行业的不断发展，叶片的设计水平也在不断的提高，主要为变截面扭曲叶片，叶片汽道型线部分是空间三坐标数据点，加工精度要求很高，加工难度很大。哈尔滨汽轮机有限责任公司为了提高汽轮机的发电效率、降低热耗，与三维公司进行联合设计。叶片汽道的进、出汽边较薄，叶顶、叶根圆角较小，从加工到检测需全型线投影透视，而且种类变化多样，需多轴数控机床进行加工，对设备及工艺技术水平要求很高。因此，在数控加工进行之前验证数控加工程序的正确性就成了数控加工过程中一个十分重要的环节。
1 叶片汽道及叶顶、叶根圆角数控加工程序的特点
叶片汽道型线十分复杂为空间三维设计，首先我们对叶型数据点采用B-Spline曲面进行拟合，这样构造的曲面通过所给型值点，然后，综合加工带宽度、走刀步长、刀具半径等方面的因素对其型面从横向、纵向分别进行插值加密，确定数控加工程序所经过的数据点，从而编制数控加工程序。在编制数控加工程序时，本着基准统一、减少走刀次数的原则，把叶片汽道型面；叶顶、叶根圆角；进、出汽边圆角的数控加工程序编制在一起，这样对中等长度叶片的程序就可达到几万条。其程序的特点是；程序段较长，程序坐标点中跨度较大，四坐标或五坐标程序数据繁琐，出错的机会较多。
2 分析叶片数控加工程序中常见的错误
由于目前叶片汽道设计的越来越复杂，精度要求越来越高，因此数控加工程序也越来越复杂，出现错误的概率也随之增加。通常情况下，如果加工程序编制的不恰当，可能出现下列问题：
·刀具与工件之间发生干涉或碰撞；
·刀具半径选择过大,零件加工不完全，出现大的残留；
·刀具半径选择过小,切削效率较低；
·机床进给速度或冷却状态不合适；
·加工方案不合理，影响加工效率；
·机床的控制系统不接受加工程序；
·零件外形或尺寸错误；
·零点选择不恰当,无法找到对刀点。
这些问题的出现往往会给实际零件的加工造成很多麻烦，诸如重编制加工程序、加工后必须打磨零件、返修零件或工装、零件报废、延迟产品交付等。这样会从根本上削弱数控加工技术的可靠性并影响其推广应用。因此，研究数控加工程序的验证技术不仅具有重要的理论意义，而且还具有重要的现实意义。
3 常用的数控加工程序验证方法
1) 人工检验法
人工检验法的特点是比较方便、灵活。通常检查者阅读加工程序，或借助于坐标纸及其它一些绘图工具检查加工时的刀具轨迹并发现其中的一些错误。由于叶片汽道加工程序繁琐而复杂，人工检验法不仅需耗费很多时间,而且易再次出现错误，因此这种方法已逐渐被淘汰。
2) 试验加工法
试验加工法是一种采用叶片试验件或其它材料(多为非金属材料)零件进行加工的方法。由于试验加工直观而真实地反映了加工过程，因此采用这种方法基本上满足程序验证的需要。
虽然试验加工法是一种验证加工程序的有效方法，但它也存在许多缺点，主要有：
·加工时间较长；
·加工精度不高；
·占用机床并影响周围环境；
·加工参数无法验证；
·加工费用巨大。
尽管采用试验加工法验证加工程序具有很多缺点，但由于它能够较为准确地反映整个加工过程，而且我国叶片数控加工整体水平还处于发展阶段，因此这种方法仍被采用。
3) 计算机仿真验证法
随着计算机软件和硬件的迅速发展，用计算机仿真法来验证叶片型面数控加工程序的正确性已被采用。这种方法主要是将加工过程中的叶片模型、刀具轨迹、刀具外形等一起在计算机图形显示器上显示出来，用这种方法来模拟零件的加工过程，检查刀位计算是否正确、加工过程是否发生过切，所选的刀具、走刀路线、进退刀的方式是否合理，刀具与型面是否发生干涉与碰撞等。
4 显示验证
随着计算机仿真技术的迅速发展，目前已有多种方法用于加工程序的计算机仿真验证。虽然采用计算机仿真验证一次性投入费用较高，但由于它能大大降低实验加工费用并能带来长远的效益，因此已得到越来越广泛的应用。
计算机仿真验证的方法很多，叶片加工程序最常用的验证方法是刀具轨迹的显示验证法，即将刀位数据(刀心坐标与刀轴矢量)的线框显示出来，判断刀位轨迹是否连续，检查刀位计算是否正确，然后将刀位数据与被加工表面的线框图一起显示出来，从而判断刀位轨迹正确与否，走刀路线、进退刀的方式是否合理。其基本思想是：从曲面造型结果中取出所有加工表面及相关型面，从刀位计算结果(刀位文件)中取出刀位轨迹信息，然后将它们组合起来进行显示，或在所选择的刀位点上放上刀具模型，然后使刀具模型沿走刀轨迹运动，从而判断刀位轨迹上的刀心位置、刀轴矢量、刀具与被加工表面的相对位置以及进退刀方式是否合理。
1) 刀位轨迹显示验证
叶片刀位轨迹显示验证方法：当叶片的数控加工程序生成后，将刀位轨迹在图形显示器上显示出来，从而判断刀位轨迹是否正确。其中，应先去除数控加工程序中的进给速度、刀具选择、程序行行号等信息，只显示验证信息。然后对刀具轨迹信息进行“反后置处理”，得到含有刀位轨迹信息的数控加工程序后，绘制刀位轨迹。现在以几行加工大叶片进、出汽边的四坐标数控加工程序来说明这一点：
N0005X-25.875Y34.678Z34.78A26.68F200
N0006X-29.911Y34.789Z35.067A28.98
N0007X-34.023Y34.987Z35.453A31.45
该程序中的三坐标值X,Y,Z是旋转台旋转A角度之后的值,若求加工该点时的刀位坐标,则应进行以下“反后置处理”计算
x1=x
y1=ycos(-A)+zsin(-A)
z1=-ysin(-A)+zcos(-A)
通过计算得到的(x1,y1,z1)即为刀位点坐标，便可用此刀位文件绘制刀位轨迹。
刀位轨迹显示验证的判断原则：
·刀位轨迹是否连续；
·刀位起点是否合理；
·刀位轨迹是否光滑连接；
·刀位轨迹是否交叉；
·空行程是否必要；
·刀轴矢量是否有突变现象；
·凹凸点处的刀位轨迹连接是否合理；
·组合曲面加工时刀位轨迹是否合理；
·走刀方向是否符合曲面的造型。
从图1可以看出刀位轨迹是光滑的，每两条刀具轨迹之间的连接方式非常合理，这只是其中的一种方式。
图1 加工叶片汽道内弧的部分刀具轨迹
2) 加工表面与刀位轨迹的组合显示验证
组合显示验证的基本方法：将刀位轨迹与加工表面的线框同时显示在图形显示器上，从而判断刀位轨迹是否正确，走刀路线、进退方式是否合理。
组合显示验证方法的判断原则：
·刀位轨迹与加工表面的相对位置是否合理；
·刀位轨迹的偏置方向是否符合实际要求；
·刀具与加工表面之间是否有干涉；
·进退刀位及方式是否合理
从图2可以看出刀具是沿着叶片内弧拟合曲面的方向前行，并且刀位轨迹与加工表面的距离基本相等，走刀方式合理。
图2 叶片内弧表面与刀具轨迹的部分组合显示
综上所述，显示验证方法是一种适合叶片型面尤其叶顶、叶根圆角部位刀位轨迹验证的方法，它具有直观性强、实现方便、尤其在计算机显示器上旋转从三个坐标方向观测比较准确。
作者单位：哈尔滨汽轮机有限责任公司
原载:《汽轮机技术》1999年第1期
转自：切削技术网站(end)
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(12/13/2005) |
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