汽輪機(jī)葉片型面加工進(jìn)給速度的優(yōu)化策略研究

彭美武，吳偉，武友德

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng) 618000;2.四川省裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群技術(shù)創(chuàng)新中心，四川德陽(yáng) 618000;3.東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000;4.西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

0 前言

汽輪機(jī)葉片型面是較復(fù)雜的曲面體零件，需要多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床上加工完成。在葉片加工過(guò)程中，為了保護(hù)昂貴的機(jī)床或刀具，工藝人員一般會(huì)采用比較保守的切削用量;同時(shí)，對(duì)于同一把刀具執(zhí)行粗加工或精加工時(shí)，進(jìn)給速度是一直保持恒定的，無(wú)法根據(jù)零件的形狀變化進(jìn)行有效調(diào)整，從而導(dǎo)致加工效率不高。因此選擇合理的進(jìn)給速度對(duì)加工效率的提高具有重要作用。

目前，切削參數(shù)優(yōu)化主要有三方面應(yīng)用和研究。一方面是從數(shù)學(xué)角度建立合適的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)不同的目標(biāo)確定不同的約束條件，從而形成優(yōu)化算法，得到優(yōu)化的切削參數(shù)，如基于遺傳算法、粒子群算法、灰色理論等［1－3］，這些方法得到的數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的數(shù)控工藝或操作人員具有重要的參考價(jià)值;第二方面是在數(shù)控機(jī)床上安裝了自適應(yīng)控制系統(tǒng)［4］，通過(guò)采集主軸信號(hào)、刀具和材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，調(diào)整機(jī)床的進(jìn)給倍率使數(shù)控機(jī)床工作在最佳的加工狀態(tài)，這種方法價(jià)格昂貴，在真正的生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施比較困難，特別是對(duì)復(fù)雜型面零件的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè);第三方面應(yīng)用優(yōu)化軟件(如VERICUT軟件)在給定不同材料、零件外形、機(jī)床、刀具等具體條件下，不改變程序的軌跡，通過(guò)分析切削模型的切削余量變化，從而調(diào)整進(jìn)給速度。第二種方式和第三種方式優(yōu)化目標(biāo)是一樣的，都是以通過(guò)加工狀況的變化調(diào)整進(jìn)給速度以達(dá)到提高效率，第三種方式可操作性很強(qiáng)，方便數(shù)控工藝或操作人員實(shí)施，容易被他們采納。本文作者從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，采用了第三種方式對(duì)汽輪機(jī)葉片加工進(jìn)給速度優(yōu)化進(jìn)行實(shí)踐性研究。

1 葉片加工分析及實(shí)驗(yàn)條件

如圖1所示是汽輪機(jī)低壓缸第2級(jí)動(dòng)鎖葉片汽道型線的簡(jiǎn)圖，葉片型面部分是光滑的三階NUBS曲面，需要多軸數(shù)控機(jī)床加工汽道型面和進(jìn)、出汽邊圓角，粗銑為精銑單面留0.5～0.8 mm的加工余量，各截面間光滑過(guò)渡，不允許有明顯凹凸，型線波峰波谷之差小于0.05 mm，加工時(shí)用內(nèi)徑向面定位。

圖1 葉片汽道型線的簡(jiǎn)圖

該型面加工主要分三步，加工刀具如表1所示。一是采用環(huán)形銑刀T1粗加工葉片型面;二是采用環(huán)形銑刀T2半精加工葉片型面;三是采用球頭刀T3加工進(jìn)、出汽邊圓角加工。即在這里主要討論該零件在四軸數(shù)控機(jī)床上葉片型面粗加工及半精加工，精加工時(shí)在五軸機(jī)床上進(jìn)行。

表1 葉片型面加工刀具

該優(yōu)化試驗(yàn)選用機(jī)床采用BV100四軸加工中心，主軸功率15 kW，主軸轉(zhuǎn)速60～8 000 r/min，進(jìn)給軸快速移動(dòng)速度24 m/min，切削進(jìn)給速度3～15 000 mm/min，數(shù)控系統(tǒng)采用SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng);工件材料為方鋼，材料牌號(hào)為1Cr12Mo-5，毛坯尺寸:231 mm×77 mm×50 mm;加工刀具為山特維克可樂(lè)滿硬質(zhì)合金刀具;優(yōu)化軟件采用VERICUT。

根據(jù)刀具材料及工件材料，工藝人員編程時(shí)給定的切削用量如表2所示。文中主要是對(duì)表2的進(jìn)給速度f(wàn)進(jìn)行優(yōu)化研究。

表2 葉片型面數(shù)控程序加工切削用量

2 進(jìn)給速度優(yōu)化原理

目前，在生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化的目標(biāo)主要有生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)成本及生產(chǎn)利潤(rùn)三方面［5－6］，選擇哪種方式需要很據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)而定。進(jìn)給速度優(yōu)化就是以生產(chǎn)時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，即在生產(chǎn)質(zhì)量保證的情況下，使加工時(shí)間最少，效率最高。數(shù)控銑削優(yōu)化參數(shù)矢量［7］如下:

式中:x為優(yōu)化變量;

n為主軸轉(zhuǎn)速(mm/r);

f為進(jìn)給速度(mm/min);

aw為銑削寬度(mm);

ap為背吃刀量(mm)。

根據(jù)式(1)，在給定的條件約束下，選擇優(yōu)化算法，可以得到優(yōu)化結(jié)果。選擇的切削參數(shù)可以參考通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化得到的結(jié)果而選擇或根據(jù)刀具手冊(cè)經(jīng)驗(yàn)給定，如表2，但是每個(gè)工步進(jìn)給速度f(wàn)是恒定的，f值的大小與加工效率有直接的關(guān)系。其中零件單件生產(chǎn)時(shí)間［8］:

式中:tp為輔助時(shí)間(min/件);

tm為切削時(shí)間(min/件);

tc為刀具磨頓后每次換刀時(shí)間(min/次);

T為刀具耐用度(min/把);

L+l為切削長(zhǎng)度和空切削延伸長(zhǎng)度;

vc為主軸切削速度(m/min);

fz為每齒進(jìn)給量(mm/r);

x、y、z、CT為常量。

其中:

式中:Z為刀具齒數(shù)。

從式(2)可以看出，進(jìn)給速度f(wàn)與單件生產(chǎn)時(shí)間有密切的關(guān)系，f越大，t越小，但是f的大小需要考慮刀具的磨損。如果對(duì)于復(fù)雜型面零件在保證質(zhì)量和減少刀具磨損的情況下，根據(jù)葉片型面具體情況選擇合理變化的進(jìn)給速度，而不是按照恒定的給定速度切削，對(duì)加工效率的提高是有明顯效果的。

2.1 粗加工進(jìn)給速度優(yōu)化策略

對(duì)于像葉片類較復(fù)雜的型面，在粗加工時(shí)應(yīng)用UG軟件的加工方式是采用“型腔銑”，這種方式軸向每次切深ap保持不變，徑向?qū)挾萢w因?yàn)樾兔嫘螤钭兓泻艽蟮牟煌?。圖2展示了粗銑汽道型線一次走刀方式。

圖2 粗銑汽道型線走刀示意圖

從圖2中可以看出，如果進(jìn)給速度f(wàn)恒定，加工左邊時(shí)材料去除率較大，逐漸往右走，材料去除率在減少，刀具切削載荷也由大變小。既然刀具能正常銑削汽道型線左邊，那說(shuō)明往右銑削汽道型線時(shí)沒(méi)有發(fā)揮出正常功率，尚有提高的余地。對(duì)于材料去除率Q［9－10］，有:

式中:Q為材料去除率(mm3/min)。

從式(4)可以看出，若保持加工中工件的材料去除率Q恒定，在ap不變，隨著aw變化f也必須變化。也就是說(shuō)采用恒定體積去除率切削優(yōu)化方式，較大時(shí)，相應(yīng)進(jìn)給速度降低;材料去除率較小時(shí)，相應(yīng)進(jìn)給速度升高。針對(duì)一般工藝人員選擇比較保守的f，采用恒定材料去除率方式，特別是在aw越小的地方，可以大大提高進(jìn)給速度f(wàn)，從而達(dá)到效率的提高。該方式對(duì)葉片型面加工優(yōu)化，不改變背吃刀量ap和主軸轉(zhuǎn)速n，僅僅把原來(lái)一段軌跡打斷成多段，給每段軌跡插入新的進(jìn)給速度。

需要注意的是，必須設(shè)定f范圍，因?yàn)橛晒?4)知，如果aw過(guò)小，要保持Q恒定，f會(huì)急劇增加，這對(duì)加工是不利的，即要求:

同時(shí)，Q值得選取需要校核產(chǎn)生的切削功率是否符合條件，因?yàn)殂娤鲿r(shí)，主運(yùn)動(dòng)消耗的功率最多，所以切削功率為:

式中:Pc為切削功率(kW);

Kc為單位切削力(N/mm2)，可以通過(guò)查表得到。

由式(4)、(6)得:

切削功率Pc應(yīng)該滿足下列條件:

式中:P為主軸功率;

ηm為機(jī)床傳動(dòng)效率。

2.2 半精加工進(jìn)給速度優(yōu)化策略

當(dāng)葉片型面經(jīng)過(guò)粗加工后，留下的材料近似成品，但是加工的余量是分布不均勻的，刀具經(jīng)過(guò)型面上時(shí)，如果在主軸速度不變情況下，刀具切削抗力與單位時(shí)間切削量成正比，切削抗力會(huì)變化很大，刀具磨損就會(huì)加激，型面加工質(zhì)量也會(huì)受影響。下面分析如何通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度來(lái)維持單位時(shí)間切削量恒定，從而達(dá)到半精加工優(yōu)化的目的。

葉片型面半精加工時(shí)，選用的是環(huán)形刀和球頭刀加工。如圖3所示為加工刀具切削軸向示意圖，切削厚度是指相鄰刀齒主切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡之間的距離。切削厚度沿刀刃是變化的，在銑刀的尖部處切屑厚度最小，然后沿著刀刃不斷增加。

圖3 銑刀切削軸向示意圖

首先討論每齒進(jìn)給量與切屑最厚處的厚度hmax的關(guān)系。影響兩者關(guān)系主要包含銑刀的主偏角Kr和切寬因子(ae/R)，對(duì)于同一把刀具，主偏角Kr是固定的，因此影響兩者關(guān)系主要是切寬因子，從圖上可以分析:

當(dāng)ae/R≥1時(shí)，fz=hmax;

當(dāng)ae/R＜1時(shí)，fz＞hmax。

對(duì)于半精加工加工余量不大，ae/R一般小于1，也就是說(shuō)真正的最大切屑厚度是達(dá)不到每齒進(jìn)給量fz的，因此只有相應(yīng)的增大每齒進(jìn)給量fz，才能獲得合理的hmax值。由于銑削時(shí)切削厚度是不斷變化的，因此一般引入平均切削厚度來(lái)衡量切削層厚度。平均切削厚度h計(jì)算方法［11］如下:

式中:h為平均切削厚度(mm);

fz為刀具每齒進(jìn)給量(mm/r);

ae為刀具徑向切削寬度(mm);

R為刀具半徑(mm);

θi為切削過(guò)程中瞬間接觸角;

θ為接觸角。

由式(3)、(8)得:

從式(9)可以看出，如果采用恒定切削厚度方式進(jìn)行優(yōu)化，在主軸轉(zhuǎn)速n和刀具不變情況下，當(dāng)切削寬度較大時(shí)，降低進(jìn)給速度，當(dāng)切削寬度較小時(shí)，提高進(jìn)給速度，從而維持切削力平穩(wěn)。

對(duì)于葉片型面半精加工時(shí)，一般切削量不大，切削功率可以不用驗(yàn)證。但是對(duì)于優(yōu)化的進(jìn)給速度，需要考慮f范圍，因?yàn)樵诩庸び嗔亢苄r(shí)，進(jìn)給速度f(wàn)將很大;另外，當(dāng)?shù)毒呓佑|點(diǎn)接近刀軸時(shí)，進(jìn)給速度將很小，因此是不合理的，所以需要進(jìn)行進(jìn)給速度的修正，根據(jù)刀具情況將其設(shè)在公式(5)設(shè)定的范圍內(nèi)，避免極端情況出現(xiàn)。

3 葉片型面進(jìn)給速度優(yōu)化過(guò)程

3.1 構(gòu)建葉片型面加工仿真環(huán)境

針對(duì)工藝人員在UG軟件完成葉片型面加工各項(xiàng)加工軌跡及數(shù)控程序的生成。要對(duì)生成的程序在VERICUT軟件里進(jìn)行優(yōu)化，需要構(gòu)建仿真環(huán)境，主要完成如下內(nèi)容:

(1)在VERICUT軟件機(jī)床庫(kù)中選擇四軸機(jī)床，規(guī)格同BV100四軸加工中心;同時(shí)選用SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng);

(2)調(diào)用在UG軟件繪制的葉片專用夾具STL模型;建立葉片毛坯;

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)給定的刀具建立刀具庫(kù)，并與程序中相應(yīng)刀具匹配;

(4)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定工件編程零點(diǎn);

(5)調(diào)用需要優(yōu)化的文本文檔NC程序，要求按照加工順序添加;

(6)葉片型面加工仿真，保存項(xiàng)目文件。

葉片型面加工仿真過(guò)程如圖4所示。

圖4 葉片型面仿真加工

3.2 葉片型面加工進(jìn)給優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

打開(kāi)上面保存的項(xiàng)目文件，優(yōu)化過(guò)程如下:

首先添加葉片型面粗加工優(yōu)化參數(shù)記錄表，打開(kāi)刀具庫(kù)，右鍵點(diǎn)擊刀具1，主要設(shè)置包括工件材料、機(jī)床、刀具齒數(shù)、切削深度、切削寬度、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)數(shù)等設(shè)置，然后選定優(yōu)化“體積去除”方式;同理，設(shè)置葉片型面半精加工及進(jìn)、出汽邊圓角加工，選定優(yōu)化“切厚”方式。當(dāng)設(shè)置好這些參數(shù)后，主要需要完成以下約束。3.2.1進(jìn)給速度f(wàn)約束

根據(jù)前面的原理分析，在設(shè)置進(jìn)給極限速度時(shí)，通過(guò)NC程序設(shè)置的轉(zhuǎn)速n和查表得到的刀具每齒速度f(wàn)z，計(jì)算出每把刀具的進(jìn)給速度范圍，需要使3把刀具加工進(jìn)給速度f(wàn)約束在表3所示范圍內(nèi)。

表3 葉片型面加工刀具

3.2.2 粗加工材料去除率Q約束

同時(shí)，根據(jù)對(duì)1Cr12Mo-5材料分析，查表的該材料的單位切削力KC為2 800 N/mm2。BV100四軸加工中心主軸功率15 kW，主電機(jī)與主軸之間采用同步齒形帶傳動(dòng)，機(jī)床傳動(dòng)效率高，假如保守取ηm=0.98，則通過(guò)(7)、(8)可以算出葉片型面粗加工材料去除率Q最大值，即Q的設(shè)置需要滿足:

3.2.3 半精加工切削厚度h約束

設(shè)置切削厚度h時(shí)，假如半精加工葉片型面約束切削厚度為h2;加工、出汽邊圓角加工約束切削厚度為h3。切削厚度應(yīng)小于刀具加工的每齒切削速度f(wàn)z，結(jié)合表3，得到:

3.3 優(yōu)化執(zhí)行結(jié)果

執(zhí)行優(yōu)化后，可以得到新的優(yōu)化程序，可以將優(yōu)化程序調(diào)入，重新進(jìn)行模擬，觀察速度變化情況。通過(guò)改變粗加工材料去除率Q，半精加工及進(jìn)、出汽邊圓角加工改變切厚h，得到比較合理的優(yōu)化方案。

但是，仿真軟件畢竟不能完全代表真實(shí)機(jī)床，比如無(wú)法模擬數(shù)控機(jī)床各電機(jī)的加減速等許多實(shí)際情況，這需要在真實(shí)機(jī)床上驗(yàn)證方案的可行性。在這里，利用BV100四軸加工中心對(duì)葉片型面分別進(jìn)行優(yōu)化前后兩組真實(shí)加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖5是葉片型面真實(shí)加工過(guò)程。

圖5 葉片型面真實(shí)加工對(duì)比

通過(guò)真實(shí)加工對(duì)比優(yōu)化前后葉片型面加工時(shí)間分析，最終得到表4結(jié)果。可見(jiàn)，不管是仿真還是真實(shí)加工，優(yōu)化效果是明顯的，特別是葉片型面粗加工時(shí)效率提高最大。

表4 優(yōu)化前后工時(shí)比較

4 結(jié)束語(yǔ)

在保證加工質(zhì)量、保護(hù)機(jī)床和刀具情況下，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)葉片型面加工進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化，得到了滿意的優(yōu)化結(jié)果，提高了加工的效率，降低了企業(yè)的制造成本。同樣，如果是別的毛坯形式或類型不同的汽輪機(jī)葉片，對(duì)于其型面加工，可以結(jié)合上面的方法具體分析，也可以得到優(yōu)化的結(jié)果。這些優(yōu)化方法同樣可以應(yīng)用于其他機(jī)械零件的加工優(yōu)化，在實(shí)際生產(chǎn)中可操作性強(qiáng)，對(duì)加工效率的提高是非常有意義的。

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