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带冠整体涡轮盘电火花加工CAD/CAM技术

发布时间:2020-06-02 08:33:16 浏览数:

摘要:叙述了作者研发的带冠整体涡轮盘电火花加工专用CAD/CAM系统——BliskCad/Cam。该系统解决了电极设计与制造、加工轨迹搜索、加工仿真与精度检测等技术难题。对某航空发动机的带冠整体涡轮盘进行的实验结果表明,BliskCad/Cam完全能够满足加工精度要求,并缩短加工准备时间50%以上。

关键词:带冠整体涡轮盘;BliskCad/Cam;电火花加工;电极设计;轨迹搜索

中图分类号:V434+.21;TG661;TP391.7

文献标识码:A

文章编号:1005-2615(2007)02-0253-05

引 言

涡轮盘是航空、航天发动机的核心部件,其性能直接影响航空、航天器的推力和发射成功率[1]。涡轮盘在高温高压条件下工作,且转速高、功率大,工况十分恶劣。航空发动机为了增大推力,进一步提高了发动机燃烧室的温度和压力,传统的镶嵌组合式涡轮盘无法胜任,带冠整体涡轮盘应运而生。带冠整体涡轮盘的叶片、轮盘和叶冠均由同一块毛坯材料加工而成,具有体积小、重量轻、效率高、力学性能好等优点,能够显著延长整机寿命,降低维护费用,具有很多性能优势[2-3]

但带冠整体涡轮盘的流体通道狭窄弯曲且被叶冠覆盖,为典型的半封闭结构,叶片型面多为自由曲面,加上多采用高温合金或超耐热合金等难加工材料,采用传统的切削加工很难实现较高精度的加工。电火花加工利用工具和工件间脉冲性火花放电来蚀除多余的材料,具有精度高、材料适应性广等优点,是带冠整体涡轮盘主流的加工手段[4-6]。哈尔滨工业大学、西安交通大学以及相关航天生产单位较早展开了带冠整体涡轮盘的电火花加工技术研究[7-9]州,并取得了较好的成果,但目前带冠整体涡轮盘电火花加工存在电极设计与制造、轨迹搜索等技术难题。哈尔滨工业大学的吴湘博士在Solid-works平台上开发了涡轮盘电火花加工CAD/CAM系统TBCam,但受开发平台功能的限制,TBCam功能有限,没有实现参数化和自动化,许多地方需要用户手动完成[10-11]

作者在UG(Unigraphics)平台上开发了一套带冠涡轮盘电火花加工专用CAD/CAM系统一BliskCad/Cam,该系统集成了涡轮盘参数化重构、成型电极智能化设计、电极加工方案和数控代码生成、涡轮盘加工轨迹搜索、加工仿真和模型精度检测等功能模块,实现了功能模块的参数化和智能化,能够较全面地解决整体带冠涡轮盘电火花加工中面临的技术难题。各主要功能模块及关键技术详细介绍如下。

1 涡轮盘参数化三维重构

涡轮盘的三维重构,是进行轨迹搜索的必须环节,也是在涡轮盘加工前生成相关数控代码的前提条件。

1.1涡轮盘叶型的两种表述方法

目前,国内航空航天领域涡轮盘叶型的表述方法有两种:型值点数据文件和叶片截面图。用型值点数据文件描述叶型,首先在叶高方向截取若干截面,然后在截面轮廓上取若干数据点,用密集的型值点来描述截面轮廓。叶片截面图则直接给出叶高方向上叶片某一截面的轮廓图。弯扭涡轮叶盘在叶高方向上截面各不相同,主要采用型值点数据文件来表述叶型。直纹涡轮叶盘在叶高方向上截面均相同,一般采用叶片截面图描述叶型。

1.2叶片型面的数学表达

为了保证涡轮盘流体通道具有良好的流动性,要求叶片型面足够光滑,即至少二阶导数连续。双3次B样条曲面能够满足涡轮盘叶片表面的光滑性要求,且形式简单、计算稳定,在航空航天领域得到了广泛的应用。所以,双3次B样条插值曲面是进行叶片三维重构的最佳选择。

给定数据节点pi,k(i=0,1,…,p;k=0,1,…,q),分别对p行点列pi,k作一元插值函数,得到了p条B样条曲线u=upi,即:

对于每一个i都可以计算出q+3个d*i,k

又由i=1,2,…,p可得到全部的d*i,k(i=1,2,…,p;k=0,1,…,q+2)。再对q+3列空间点列d*i,k进行一元参数B样条插值:

这样就可以求出全部的控制节点di,k(i=0,1,…,p+2;k=0,1,…,q+2)。再利用方程

即可构造出双三次B样条曲面。

1.3涡轮盘的自动化、参数化三维重构

BliskCad/Cam针对涡轮盘叶片型面的两种表述方法分别提供了三维重构方法。对于型值点数据文件表述的叶片,BliskCad/Cam首先读入数据文件并对数据进行分析,然后对叶片的型值点进行插值,生成双3次B样条曲面,完成叶片三维重构。对于用叶型截面图表述的叶片,则直接用扫描的方法重构叶片。

完成叶片三维重构后,BliskCad/Cam根据用户提供的叶冠、轮毂特征参数,自动添加叶冠和轮毂,并沿轴线方向对涡轮盘进行阵列处理,得到完整的涡轮盘三维模型。

涡轮盘三维重构模块实现了参数化的设计,用户只需提供涡轮盘叶型表述文件、叶片个数、轮毂和叶冠特征参数,BliskCad/Cam即可在后台完成涡轮盘的三维重构。

2 电极的智能化和参数化设计

带冠整体涡轮盘电火花加工中,流体通道的各型面(叶盆型面、叶背型面、轮毂外圆表面和叶冠内圆表面)均由电极相应的型面“拷贝”而成。因此,成型电极的设计、制造直接影响涡轮盘的加工精度,是涡轮盘电火花加工的关键环节。

2.1电极设计方法

带冠整体涡轮盘流体通道狭窄弯曲,电极要从加工初始位置无干涉(过切)的运动到加工终了位置,就必须有足够的运动空间。流体通道是加工对象,不能改变。因此,只能通过缩小电极来增大运动空间。缩小电极的设计方法有两种:减厚设计和减高设计。

减厚设计通过减小电极的厚度来获得电极沿涡轮盘圆周方向的运动空间,是通过减小叶片之间的中心角实现的,其原理如图1所示。叶片A、叶片B、轮毂和叶冠构成流体通道,把叶片B旋转到B"的位置,则设计的电极获得如图所示的运动空间。运动空间大则电极厚度小、强度低,制造过程中容易出现变形,难以保证电极型面精度;运动空间小则电极从加工起始位置运动到加工终了位置的轨迹相对复杂,甚至根本不存在无干涉的运动轨迹。因此,需要同时兼顾电极强度和运动空间进行电极设计与优化。减厚设计一般用于弯扭涡轮盘的电极设计。

减高设计是通过减小电极的高度获得电极沿涡轮盘径向的运动空间,如图2所示。叶冠向下移动一定的距离,此时电极就获得了如图所示的运动空间。运动空间大则电极高度小、安装找正困难;运动空间小则电极加工轨迹相对复杂,甚至根本不存在无干涉的运动轨迹。因此,需要同时兼顾运动轨迹和安装找正进行设计和优化。减高设计一般用于直纹叶盘电极的设计。

电火花加工中,电极型面与被加工型面之间总会存在一定的放电间隙δ。因此,流体通道各型面与相应的电极型面为等距面,距离为δ。

2.2电极的剖分

对于流体通道弯扭严重或进气口、出气口大于通道中间截面的情况,只用一个电极无法完成整个流体通道的加工,就必须对电极进行剖分。电极的剖分主要采用左右剖分的方法,如图3所示。剖分的位置应选在流体通道截面最小处,以保证电极能够无干涉地进入流体通道。在电极进行左右剖分的过程中,左右电极应有一定的重合区以延长电极寿命,保证加工的流体通道不留搭接台阶。

2.3 电极的智能化、参数化设计

BliskCad/Cam实现了电极设计的智能化和参数化,根据用户提供的叶片表述文件(型值点数据文件或叶型截面图)、涡轮盘叶冠和轮毂相关参数、放电间隙、电极杆直径等参数,BliskCad/Cam就会根据叶型描述文件和相关参数进行计算、分析和判断,选择最优的设计方案和设计参数,最终完成电极设计,以三维零件模型的形式提供给用户。BliskCad/Cam的电极设计模块解决了带冠涡轮盘电火花加工专用电极设计的难题。

3 电极CAM

带冠整体涡轮盘电火花加工专用电极结构复杂,且表面多为自由曲面和圆弧面,因此加工制造比较困难。BliskCad/Cam对UG的CAM模块进行二次开发,提供了电极加工方案和数控代码的自动生成模块。

BliskCad/Cam采用成组加工方法,根据电极的形状和尺寸,对若干电极进行排列组合,采用同一安装、定位基准,不但节省电极材料,而且大大减少了加工辅助时间,降低制造成本。

对于加工直纹叶盘的电极,在慢走丝线切割机床上即可完成电极加工的所有工序。电极CAM模块能够自动给出电极的最佳组合方案、加212212序和线切割数控代码。

弯扭涡轮盘电极的加工工序比较复杂,主要包括以下内容:(1)采用慢走丝线切割加工出电极组合体毛坯(包含若干个电极)的定位基准;(2)利用该定位基准对电极组合体毛坯进行精确定位、找正,采用数控铣削方法完成一组电极的叶盆、叶背型面的半精加工和精加工;(3)采用慢走丝线切割依次完成每个电极叶冠和轮毂型面的加工(同时把电极依次从毛坯上切割下来);(4)采用慢走丝线切割完成电极安装孔的加工。上述工艺方案及相关数控代码均由电极CAM模块自动生成。

4 涡轮盘加工轨迹搜索

带冠整体涡轮盘流体通道弯曲扭转,电极从加工起点无干涉(过切)的运动到加工终点的轨迹非常复杂。如何找到一条无干涉的、优化的加工轨迹是涡轮盘电火花加工的关键。对于涡轮盘电火花加工来说,加工的起点可以是任意的,而加工的终点却是唯一的。因此,搜索电极自加工终了位置从流体通道中抽出的运动轨迹最为方便,实际加工的轨迹只是电极从流体通道中抽出轨迹的反方向运动。BliskCad/Cam提供了专门的加工轨迹搜索模块解决加工轨迹搜索的难题。

4.1加工轨迹搜索模式

BliskCad/Cam在设计轨迹搜索策略时充分考虑到使用者的意见和建议,针对用户对加工过程了解的状况不同设置了两种轨迹搜索模式:智能搜索模式和手动指定模式。

智能搜索模式下,加工轨迹搜索过程完全由加工轨迹智能搜索算法控制。用户只需要指定目标机床的运动轴、搜索步距,加工轨迹搜索模块自动进行轨迹搜索,对搜索过程进行分析、判断,选择合理的搜索方向,找出一条正确、优化的加工轨迹,其过程无需用户的任何干预。智能搜索模式使用方便,适用于对加工过程不太熟悉的用户,但所用时间相对较长。

手动指定模式下,加工轨迹搜索过程需要用户进行一些分析判断。用户不但要给出搜索步距,还要指定搜索方向。加工轨迹搜索模块根据用户提供的信息自动进行轨迹搜索,找出优化的加工轨迹。手动搜索模式适用于对加工过程非常熟悉的用户,搜索过程融入了用户的经验和判断。手动搜索模式针对性强,所用时间相对较短。

4.2加工轨迹搜索过程

为了进行轨迹搜索,要顺序完成以下操作。

(1)在UG环境下,利用BliskCad/Cam装载涡轮盘模型和电极模型。

(2)调整涡轮盘和电极的位姿,使其处于加工终了时的位姿,作为轨迹搜索的起点。

(3)选择搜索模式,设定搜索参数。用户根据自己对加工过程的了解情况,选择相应的搜索模式,设定相关搜索参数。

(4)启动搜索。搜索启动后,电极在轨迹搜索算法操作下,按设定的步长相对涡轮盘运动,每改变一次位姿,做一次干涉检查,并确定下一步移动的方向,直至搜索结束。

轨迹搜索完成以后,加工轨迹搜索模块会自动生成加工所需的数控代码。

5 加工过程仿真和精度检测

为了验证电极模型和加工轨迹的正确性,BliskCad/Cam提供了加工过程仿真模块和精度检测模块。

在UG环境中,调入涡轮盘毛坯模型和电极模型并把它们调整到加工开始时的位姿,提供数控代

码,设定插补精度,然后启动加工仿真模块。加工仿真模块读入数控代码,进行词法分析、语法检查和语义分析,最后由插补模块控制电极和涡轮盘完成数控代码描述的运动,并逐步切除涡轮盘毛坯上多余的材料,并最终生成完整的涡轮盘仿真模型。

利用精度检测模块对涡轮盘仿真模型进行分析,确定加工轨迹和电极模型是否满足要求。精度检测模块首先对涡轮盘各表面进行分析,若一阶倒数不连续,说明在加工过程中出现了过切或欠切;然后对叶型表面光滑性进行分析,并计算所有型值点距叶片型面的距离,若叶型表面二阶导数不连续或型值点距叶片型面的距离大于叶片精度的1/10,说明电极精度不符合要求。所有分析的结果和数据,以数据报表的形式提供给用户。

检测模块能够对涡轮盘仿真模型进行全面分析,预先发现加工中可能存在的问题,提高方案设计的成功率,减小加工中出现废品的几率。

6 加工实验

为了验证BliskCad/Cam的实际应用性能,对某航空发动机的带冠整体涡轮盘进行了加工实验。该涡轮盘流体通道为半封闭结构,叶片为自由曲面且弯扭严重,加工工艺性很差,加工难度很大。实验按如下过程进行。

(1)利用BliskCad/Cam自动完成涡轮盘的三维重构和电极设计。用户提供涡轮盘的叶型表述文件,并设定叶冠、轮毂的相关参数、放电间隙和电极杆直径等参数,BliskCad/Cam即可自动完成涡轮盘的三维重构和电极设计。涡轮盘和电极模型如图4,5所示。

(2)利用电极CAM模块生成电极加工方案和数控代码,在慢走丝线切割机床和数控铣床上完成电极的制造,得到型面精度在10μm以内的精确成型电极。

(3)使用搜索模块进行加工轨迹搜索,得到加工数控代码。

(4)使用BliskCad/Cam进行加工仿真,得到涡轮盘仿真模型,并用检测模块进行检测、分析,确保加工轨迹的正确性。

(5)在五轴联动电火花加工机床上进行涡轮盘加工实验。为获得较高的加工效率和良好的加工精度,粗加工阶段采用较大的电规准以提高加工效率,精加工阶段采用精密电规准以保证加工精度,粗、精加工的电规准见表1。加工过程中,采用更换新电极的方法减小电极损耗对加工精度的影响。粗加工阶段,每加工8个通道更换一次电极;精加工阶段,每加工4个通道更换一次电极,直至所有通道加工完毕。

7 结束语

本文详细介绍了UG平台上二次开发的带冠整体涡轮盘电火花加工专用CAD/CAM系统——BliskCad/Cam,并以该系统为辅助工具对某航空发动机的带冠整体涡轮盘进行加工实验,得到满足设计要求的样件。

BliskCad/Cam采用了参数化、智能化的设计思想,所有的工作都在后台完成。用户只需要提供叶片型面表述文件及相关参数,BliskCad/Cam就能够自动实现涡轮盘三维模型参数化重构、成型电极智能化参数化设计、电极加工方案制定和数控代码生成、加工轨迹搜索、加工过程仿真和仿真模型精度检测,完成从辅助设计到加工仿真和辅助制造的所有工作。针对带冠整体涡轮盘,BliskCad/Cam可以在4h内设计出完整的加工方案,极大缩短了加工准备时间。BliskCad/Cam继承了UG友好、直观的界面风格,所有功能均以三维实体为基础,使用户对涡轮盘加工过程有形象、直观的了解。

整体带冠涡轮盘电火花加工专用CAD/CAM系统能够快捷的设计涡轮盘优化加工方案、确保加工方案设计的一次成功率,并且显著缩短加工准备时间,全面解决了国内带冠整体涡轮盘电火花加工中电极设计与制造、电极轨迹搜索、加工过程仿真及仿真模型精度检测等技术难题。

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