汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法

2023-04-24 21:17:16

專利名稱：：汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法
技術領域：
：本發明涉及汽輪機葉片的加工方法，具體涉及葉片菌型葉根型槽的加工方法。
背景技術：
：在汽輪機葉片的各種葉根形式中，菌型葉根的葉片是從軸向裝入轉子葉輪的，葉根與葉輪的配合面是獨特的圓弧型槽，其截面輪廓形狀見圖1、圖2，槽底點處的圓弧半徑R是最大半徑。目前是用專用工具機進行加工，特點是工件由夾具固定在工作檯上，不能移動，而安裝銑刀的主軸則布置在轉盤上，可做圓周轉動，裝夾工件時，調整好加工面到旋轉中心的距離，使之等於菌型葉根的圓弧半徑，銑削時，主軸旋轉並隨轉盤轉動，銑刀的運動軌跡是一條圓弧，從而加工出菌型葉根的圓弧型槽。該工藝存在的問題是1.這是一種典型的圓弧銑，而圓弧銑對刀具的外徑(刃口尺寸)要求很嚴格，刃口稍有磨損，就可能超出公差範圍，只能報廢，故刀具消耗量很大。2.因工具機的結構剛性較差，故主軸的額定轉速較低，最高只有1400轉/分鐘，故加工效率低，速度高點，工具機就會顫動，影響加工精度和光潔度。3.專用工具機的功能單一，只能加工圓弧，葉根的其它加工面(兩個徑向端面和兩個軸向端面)需用其它工具機加工，不僅使得工藝過程複雜，加工周期長，而且需要進行二次裝夾，容易損傷已經加工好的表面，導致該葉片報廢，影響葉片的成品率。另外，隨著汽輪機行業的技術進步，對葉片葉根的強度、耐熱性提出了更高要求，在原來的葉片材料基礎了加入了更多的合金元素，諸如鉻、鎢、釩等。葉片變得越來越硬，對刀具提出了更加嚴峻的挑戰，刀具的擴散磨損變大，進一步縮短了刀具的使用壽命。上述工藝使用的銑刀是高速鋼刀具，硬度有限，一方面，它容易磨損，耗量太大，成本過高；另一方面，不能高速切削，加工效率低下，已經不能滿足葉片批量生產的需要。
發明內容本發明的目的，是提供一種汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，用該方法加工葉根型槽，不僅加工效率高，可滿足大批量生產葉片的需要，也可降低對刀具刃口尺寸的要求，降低刀具消耗量，降低生產成本，還可實現一次裝夾加工完葉根的所有加工面，避免加工因二次裝夾受到損傷，提高葉片的成品率。發明的技術解決方案是—種汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，在數控加工中心上，用型線銑刀銑削葉根的型槽；所述數控加工中心至少具有二根直線運動軸和一個旋轉軸，旋轉軸為工具機旋轉工作檯；銑刀安裝在數控加工中心主軸的銑頭上，由該軸驅動銑刀旋轉；所述葉片固定在數控加工中心的旋轉工作檯上，葉片的輻射線與主軸平行且通過工作檯旋轉中心，葉根型槽開口朝向銑頭；由旋轉工作檯帶動葉片轉動，使葉片發生相應的周向運動，旋轉工作檯對周向運動的角度進行插值補償；兩直線運動軸同菌型葉根中心平面平行，對旋轉工作檯在該兩直線軸方向上的位置度進行插值補償，使銑刀對圓弧曲線上任一加工點進行切削時，刀軸矢量都在該加工點的法線上，指向圓弧中心，從而使工件與銑刀的相對運動軌跡是圓弧，該圓弧的方向與旋轉工作檯運動軌跡所形成圓弧正好相反，二者相差弧度。所述插值補償的具體方法是將葉片在旋轉工作檯就位固定後，測量葉根型槽的具體尺寸參數，根據參數值在編程軟體中建立菌型葉根型槽模型，再編寫加工程序，將程序導入數控工具機後，即可加工菌型葉根的型槽。(3).將工件型槽圓弧曲線分解成若干個加工點，根據上述模型計算求出各加工點的坐標值和旋轉角度。(4)..將上述各加工點的坐標值和旋轉角度根據工具機的型號做成NC程序，導入數控加工中心的控制系統，便可對菌型葉根圓弧型槽進行加工。所述型線銑刀是硬質合金成型銑刀。本發明的技術效果用本發明方法加工菌型葉根型槽，不僅加工效率高，可滿足大批量生產葉片的需要，也可降低對刀具刃口尺寸的要求，降低刀具消耗量，降低生產成本，還可實現一次裝夾加工完葉根的所有加工面，避免加工因二次裝夾受到損傷，提高葉片的成品率。尤其是上述參數化補償方法，具有通用性，可以加工各種尺寸的菌型葉根型槽，不必對某一具體規格的葉片進行單獨編程，加工效率顯著提高。下面以在臥式數控加工中心上加工葉根型槽為例，詳細說明本發明。圖1是菌型葉根型槽結構示意圖圖2是圖1的K向視圖圖3是補償控制時加工點a的坐標變換及角度增量示意圖圖4是補償控制時加工點b的坐標變換及角度增量示意圖圖5是補償控制時工件圓弧與轉臺轉動圓弧的對應關係示意圖圖6是補償控制數學模型的幾何關係示意圖圖7是本方法的補償控制編程流程圖具體實施例方式為了保證菌型葉根型槽型線的準確性，不產生過切或欠切現象，切削過程中必須嚴格保證刀具與葉根圓弧面接觸點處刀軸矢量與弧面法向一致，即刀軸矢量時刻指向弧面圓心。在刀具不能擺動的工具機中，只能通過工件的旋轉和刀具的線性移動來實現這一要求。即當刀具切削圓弧曲線的拐點時，刀具軸線與該點的法線重合，當刀具切削圓弧曲線的其它點時，刀具軸線與該點的法線平行，由於工件的旋轉導致的刀具與弧面接觸點的位置變化，由刀具的線性移動來補償。等間距插值弧面型線後，每一插值點的法矢量可由插值點與弧面型線圓心連線計算得到。弧面上每一接觸點的法矢量為自由矢量，因此，工作檯的旋轉角度可由法矢量計算得到，工件轉動後的弧線上每一插值點在加工坐標系中的位置，可由原弧線上每一插值點的坐標值經旋轉變換得到。在加工坐標系中線性插補每一插值點並同步旋轉葉根弧面，便可加工出汽輪機葉片菌型葉根的型槽。數控加工中心加工菌型葉根的工作原理銑頭不能作圓弧擺動，只能作上下和軸向(即Y軸、Z軸方向)運動，故被加工曲線的點只能在法線方向(即方向與主軸平行)加工才能保證型線的準確性，避免過切和幹涉。當加工型線圓弧上除拐點外任意點時，其法向位置要保證與主軸方向平行，被加工葉片菌型葉根圓弧上點隨著工作檯的旋轉，其位置已發生了變化，故這些點均需要補償。其原理如下1)當加工a點時，見圖3:由於銑頭只能軸向運動，故工作檯上的a點需要旋轉角度A之後，al-al2便與主軸平行，銑頭便能完成對a點的銑削。2)當加工b點時，見圖4:由於銑頭只能軸向運動，故工作檯上的b點需要旋轉角度B之後，bl-bl2便與主軸平行，銑頭便能完成對b點的銑削。把工作圓弧無限等分，每個點都轉動相應的角度，使其法線與主軸平行，當工具機的轉臺從A運動到A'時，銑刀便能加工出菌型葉根的圓弧aa'，見圖5。從圖5中可以看出要加工菌型葉根的圓弧aa'，工具機轉臺要轉動大圓弧AA'才能實現。3)計算和輸出NC程序的界面見下表1。表1某一具體規格葉片的NC程序的界面tableseeoriginaldocumentpage7補償控制有如下兩種方式—、常規補償方式將葉片在旋轉工作檯就位固定後，測量葉根型槽的具體尺寸參數，根據參數值在編程軟體中建立菌型葉根型槽模型，再編寫加工程序，將程序導入數控工具機後，即可加工菌型葉根的型槽。但該方式存在以下問題，即每一種規格的菌型葉根都需要獨立建模後再編寫NC程序，無法通用，工序煩瑣，影響加工效率，故不推薦使用。二、參數化補償方式，具體步驟是(1).建立補償控制的數學模型，見圖6;①.根據已知參數計算被加工工件型槽的圓心角2A旋轉中心到葉根型槽圓弧頂點的距離L;被加工圓弧的半徑R;被加工圓弧的弦長XC(此名為弦長的第一個字母)；這些參數有如下幾何關係L=0D;R=O丄D=Of;XC=CP=2PG;2A=ZP0丄C;tan(A)=PG/G0丄；PG=(1/2)X(XC);formulaseeoriginaldocumentpage7formulaseeoriginaldocumentpage8②.確定被加工工件圓弧面上同一圓弧上任意加工點P到旋轉中心的距離、加工點P的坐標和初始角E(為了書寫和閱讀方便，P點在X和Z軸方向的分量就用X和Z表示)P點(即OP)在坐標系中Z方向的分量為Z=0G=OD+Op-OiG=L+R,cos(A)=L+R-Rcos(A)即Z=L+R-Rcos(A)(2)P點(即OP)在坐標系中X方向的分量為X=O!Psin(A)即X二Rsin(A)(3)初始角E的值為E=arctan(X/Z)(4)被加工工件任意點(同一圓弧上)到旋轉中心的距離為formulaseeoriginaldocumentpage8③.計算旋轉中心旋轉角度A後P點變換到P'點的坐標當P點經B軸旋轉變換到P'點時，B軸旋轉的角度為A，P和P'都是以0為圓心的同一圓周上的兩點，故OP=OP'，此時P，點在坐標系中Z方向的分量為Z!=OP'cos(A+E)=0Pcos(A+E)P，點在坐標系中X方向的分量為:X丄=OP'sin(A+E)=0Psin(A+E)(2).設定循環變量設角度增量K=0.l，循環初始值N=0，直到N-7,規定在坐標軸Z下方的角度為負，則旋轉角度Bl=-A+N*K。(3).將工件型槽圓弧曲線分解成若干個加工點，根據上述模型計算求出各加工點的坐標值和旋轉角度。(4).將上述各加工點的坐標值、旋轉角度根據工具機的型號編成NC程序，導入數控加工中心的控制系統，便可對菌型葉根圓弧型槽進行加工。加工時，先粗銑，粗銑時就加工出型槽的底點D(見圖6)，以底點D為基準，將葉片裝夾在旋轉工作檯上。再精銑，由主軸驅動銑刀旋轉；由旋轉工作檯帶動葉片轉動，使葉片發生相應的周向運動，周向運動弧度對應葉根的軸向寬度，由X軸對旋轉工作檯在X軸方向上的位置度進行插值補償，由Z軸對旋轉工作檯在Z軸方向上的位置度進行插值補償，由B軸對旋轉工作檯周向運動的角度進行插值補償，使銑刀對圓弧曲線上任一加工點進行切削時，刀軸矢量都在該加工點的法線上，指向圓弧中心，從而使工件與銑刀的相對運動軌跡是圓弧，該圓弧的方向與旋轉工作檯運動軌跡所形成圓弧正好相反，二者相差弧度。，從圖3、圖4、圖5可以看出，轉臺需轉動大圓弧AA'才能加工出型槽的圓弧aa'。銑刀選擇硬質合金成型銑刀，這樣就可以提高主軸的轉速，從而提高加工效率。在加工完型槽後不必將工件拆下就可以加工葉根的其他面，這樣就避免了二次裝夾對加工面的損傷。參見圖7，具體編程流程如下1)分析加工對象(菌型葉根)、工作檯(旋轉中心、工件裝夾方法)，找出旋轉中心B到被加工菌型葉根圓弧頂點的距離L，被加工菌型葉根的半徑R和弦長XC。2)通過這些已知數據建立相應的數據關係，因為是用趨近法求出很多點，當加工點無限細分時，相鄰加工點的弦長也就趨近弧長，因此可實現菌型葉根的圓弧加工。〈a〉、根據菌型葉根的精度要求先確定工作檯旋轉的步長即程序循環參數。現在假設菌型葉根的精度K為0.lum，被加工的菌型葉根的圓心角為J=2A=2ZP0P，規定在Z軸下方的角度為負值，於是有J=360/(2*PI)*2*Atn((XC/2)/Sqr(R*R-(XC/2)*(XC/2)))=2A，則循環參數N=J/K，故Pz=L+R-R*Cos((_A)*(2*PI/360)+N*K*(2*PI/360))Px=R*Sin((-A)*(2*PI/360)+N*K*(2*PI/360))01>=>/戸*戸+OP=MM=>//3!X*/w:+/Z*J3ZZPOD=E=360/(2*PI)*arctan(Px/Pz)ZP'OD=E_A+N*KZP'0D=BB=E-A+N*KP'ZI=M*Cos(B*(2*PI)/360)P'XI=M*Sin(B*(2*PI)/360)〈b>設循環值N的初始值=0，執行一次程序，循環值N便加1，直到循環值N=J/K時，循環結束，將所有的點輸出。〈c>將這些點參數值根據工具機的型號編成NC程序，導入數控加工中心的控制系統，便可對菌型葉根得圓弧型槽進行加工。下面為應用本補償方法加工某一具體規格工件時的一段NC程序代碼T2M06N0G0G90G40G94G17G21G10G53G00Z500.0N4G0G90G15H1X-116.556Y0B7.064S120M3N5G56Z200H2M8N6G1Z127.425F100M16Z127.425X—116.556B7.064Z127.627X-114.915B6.964Z127.826X--113.273B6.864Z128.023X--111.63B6.764Z128.216X--109.988B6.664Z128.407X--108.344B6.564Z128.594X--106.701B6.464Z128.779X--105.057B6.364Z128.961X--103.413B6.264Z129.140X--101.769B6.164Z129.316X--100.124B6.064Z129.490X--98.479B5.964Z129.660X--96.834B5.864Z129.828X--95.188B5.764Z129.992X--93.543B5.664Z130.154X--91.896B5.564Z130.313X--90.25B5.464Z130.469X--88.603B5.364Z130.622X--86.956B5.264Z130.773X--85.309B5.164Z130.920X--83.662B5.064Z131.065X--82.014B4.964Z131.206X--80.366B4.864Z131.345X--78.718B4.764Z131.481X--77.069B4.664Z131.614X--75.42B4.564Z131.744X--73.771B4.464Z131.872X--72.122B4.364Z131.996X--70.473B4.264Z132.118X--68.823B4.164Z132.236X--67.173B4.064Z132.352X--65.523B3.964Z132.465X--63.873B3.864Z132.575X--62.223B3.764Z132.682X--60.572B3.664Z132.787X--58.921B3.564Z132.888X--57.27B3.464Z132.987X--55.619B3.364Z133.082X--53.968B3.264Z133.175X--52.316B3.164Z133.265X--50.665B3.064Z133.352X-49.013B2.964Z133.436X-47.361B2.864Z133.517X-45.709B2.764Z133.595X-44.057B2.664Z133.671X-42.404B2.564Z133.743X-40.752B2.464Z133.813X-39.099B2.364Z133.880X-37.447B2.264Z133.944X-35.794B2.164Z134.005X-34.141B2.064Z134.063X-32.488Bl.964Z134.118X-30.835Bl.864Z134.171X-29.181Bl.764Z134.220X-27.528Bl.664Z134.267X-25.875Bl.564Z134.310X-24.221Bl.464Z134.351X-22.567Bl.364Z134.389X-20.914Bl.264Z134.424X-19.26Bl.164Z134.456X-17.606Bl.064Z134.486X-15.952B.964Z134.512X-14.299B.864Z134.536X-12.645B.764Z134.556X-10.991B.664Z134.574X-9.337B.564Z134.589X-7.683B.464Z134.601X-6.029B.364Z134.610X-4.375B.264Z134.616X-2.721B.164Z134.619X-l.067B.064Z134.620X.588B-.036Z134.617X2.242B-.136Z134.612X3.896B-.236Z134.604X5.55B-.336Z134.593X7.204B-.436Z134.579X8.858B-.536Z134.562X10.512B-.636Z134.542X12.166B-.736Z134.519X13.82B-.836Z134.494X15.474B--.936Z134.465X17.127B--1.036Z134.434X18.781B--1.136Z134.400X20.435B--1.236Z134.363X22.089B--1.336Z134.323X23.742B--1.436Z134.280X25.396B--1.536Z134.234X27.049B--1.636Z134.185X28.703B--1.736Z134.134X30.356B--1.836Z134.079X32.009B--1.936Z134.022X33.662B--2.036Z133.962X35.315B--2.136Z133.899X36.968B--2.236Z133.833X38.621B--2.336Z133.764X40.273B--2.436Z133.692X41.926B--2.536Z133.618X43.578B--2.636Z133.540X45.231B--2.736Z133.460X46.883B--2.836Z133.376X48.535B--2.936Z133.290X50.187B--3.036Z133.201X51.838B--3.136Z133.109X53.49B--3.236Z133.015X55.141B--3.336Z132.917X56.792B--3.436Z132.816X58.443B--3.536Z132.713X60.094B--3.636Z132.606X61.745B--3.736Z132.497X63.395B--3.836Z132.385X65.046B--3.936Z132.270X66.696B--4.036Z132.152X68.346B--4.136Z132.032X69.995B--4.236Z131.908X71.645B--4.336Z131.782X73.294B--4.436Z131.652X74.943B--4.536Z131.520X76.592B--4.636Z131.385X78.24B--4.736A軸。Z131.247X79.889B-4.836Z131.106X81.!537B--4.936Z130.962X83.185B--5.036Z130.816X84.832B--5.136Z130.666X86.479B--5.236Z130.514X88.126B--5.336Z130.359X89.773B--5.436Z130.200X91.42B--5.536Z130.039X93.066B--5.636Z129.876X94.712B--5.736Z129.709X96.358B--5.836Z129.539X98.003B--5.936Z129.367X99.648B--6.036Z129.191X101.293B--6.136Z129.013X102.937B--6.236Z128.832X104.581B--6.336Z128.648X106.225B--6.436Z128.461X107.869B--6.536Z128.272X109.512B--6.636Z128.079Xlll.155B--6.736Z127.884X112.797B--6.836Z127.685X114.439B--6.936Z127.484X116.081B--7.036GOG90G15H0Z500.0M09M05M30當用立式數控加工中心加工葉根型槽時，兩根直線運動軸為Y軸和Z軸，旋轉軸為只需將上述參數作相應變換仍然可以加工出葉根圓弧型槽，其原理是一致的。權利要求一種汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，在數控加工中心上，用型線銑刀銑削葉根的型槽；所述數控加工中心至少具有二根直線運動軸和一個旋轉軸，旋轉軸為工具機旋轉工作檯；銑刀安裝在數控加工中心主軸的銑頭上，由該軸驅動銑刀旋轉；所述葉片固定在數控加工中心的旋轉工作檯上，葉片的輻射線與主軸平行且通過工作檯旋轉中心，葉根型槽開口朝向銑頭；由旋轉工作檯帶動葉片轉動，使葉片發生相應的周向運動，旋轉工作檯對周向運動的角度進行插值補償；兩直線運動軸同菌型葉根中心平面平行，對旋轉工作檯在該兩直線軸方向上的位置度進行插值補償，使銑刀對圓弧曲線上任一加工點進行切削時，刀軸矢量都在該加工點的法線上，指向圓弧中心，從而使工件與銑刀的相對運動軌跡是圓弧，該圓弧的方向與旋轉工作檯運動軌跡所形成圓弧正好相反，二者相差π弧度。2.根據權利要求1所述的汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，其特徵在於，所述插值補償的具體方法是將葉片在旋轉工作檯就位固定後，測量葉根型槽的具體尺寸參數，根據參數值在編程軟體中建立菌型葉根型槽模型，再編寫加工程序，將程序導入數控工具機後，即可加工菌型葉根的型槽。3.根據權利要求1所述的汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，其特徵在於，所述控制補償的具體方法包括步驟(1).建立補償控制的數學模型；①.根據已知參數計算被加工工件型槽的圓心角2A旋轉中心到葉根型槽圓弧頂點的距離L;被加工圓弧的半徑R;被加工圓弧的弦長XC;這些參數有如下幾何關係formulaseeoriginaldocumentpage2故2A:2arctan(,扎"-)(1)a/及2-1/4ZC2②.確定被加工工件圓弧面同一圓弧上任意點P到旋轉中心的距離、點P的坐標和初始角E:P點(即OP)在坐標系中Z方向的分量為Z=0G=OD+OiD-C^G=L+R-(^Pcos(A)=L+R-Rcos(A)艮卩Z=L+R-Rcos(A)(2)P點(即OP)在坐標系中X方向的分量為X=(^Psin(A)即X二Rsin(A)(3)初始角E的值為E=arctan(X/Z)(4)P點到旋轉中心的距離為op=>/x2+z2(5)③.計算旋轉中心旋轉角度A後P點變換到P'點的坐標當P點經B軸旋轉變換到P'點時，B軸旋轉的角度為A，P和P'都是以0為圓心的同一圓周上的兩點，故OP=OP'，此時P，點在坐標系中Z方向的分量為Z!=OP'cos(A+E)=OPcos(A+E)P，點在坐標系中X方向的分量為=OP'sin(A+E)=OPsin(A+E)(2).設定循環變量設角度增量K=0.1，循環初始值N=0，直到N-^，規定在坐標軸Z下方的角度為負，則旋轉角度Bl=-A+N*K;(3).將工件型槽圓弧曲線分解成若干個加工點，根據上述模型計算求出各加工點的坐標值和旋轉角度；(4).將上述各加工點的坐標值和旋轉角度根據工具機的型號做成NC程序，導入數控加工中心的控制系統，便可對菌型葉根圓弧型槽進行加工。4.根據權利要求1所述的汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，其特徵在於，所述銑刀是硬質合金成型銑刀。全文摘要一種汽輪機葉片菌型葉根型槽的加工方法，在數控加工中心上，用型線銑刀銑削葉根的型槽；所述數控加工中心至少具有二根直線運動軸和一個旋轉軸，旋轉軸為工具機旋轉工作檯；銑刀安裝在數控加工中心主軸的銑頭上，由該軸驅動銑刀旋轉；所述葉片固定在數控加工中心的旋轉工作檯上，葉片的輻射線與主軸平行且通過工作檯旋轉中心，葉根型槽開口朝向銑頭；由旋轉工作檯帶動葉片轉動，使葉片發生相應的周向運動，旋轉工作檯對周向運動的角度進行插值補償；兩直線運動軸同菌型葉根中心平面平行，對旋轉工作檯在該兩直線軸方向上的位置度進行插值補償，使銑刀對圓弧曲線上任一加工點進行切削時，刀軸矢量都在該加工點的法線上，指向圓弧中心。文檔編號B23C3/28GK101745672SQ20091026350公開日2010年6月23日申請日期2009年12月21日優先權日2009年12月21日發明者吳波,周伶俐,胡劍華,鍾成明申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司