金東學(xué)
(延邊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造與智能控制系,吉林 延吉 133000)
閉式導(dǎo)葉輪具有深流道、窄空間的結(jié)構(gòu)特點,使得加工制造具有較高的難度。傳統(tǒng)的石蠟精密鑄造法、電火花加工法等雖然也有一定的技術(shù)優(yōu)勢,但是加工所得產(chǎn)品存在機械強度和精度較差,無法滿足閉式導(dǎo)葉輪的長期、穩(wěn)定運行要求。多軸聯(lián)動數(shù)控加工工藝可以兼顧閉式導(dǎo)葉輪的加工效率和加工質(zhì)量,是目前綜合應(yīng)用效果較好的技術(shù)形式之一。掌握工藝流程及其核心技術(shù),對提高閉式導(dǎo)葉輪加工質(zhì)量和延長設(shè)備使用壽命有積極幫助。
閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工主要分為粗銑、半精銑、精銑三個環(huán)節(jié),整個工藝流程,見圖1。
圖1 閉式導(dǎo)葉輪的加工流程
在粗車、粗銑流道工序中設(shè)置工藝流量時,應(yīng)考慮熱套密封環(huán)工序中的加熱、退火操作對工件帶來的變形影響,并保證“變形量<工藝流量”。在半精銑時,其余量設(shè)置由精銑環(huán)節(jié)中刀具的剛性以及工件加工面的成型精度、表面粗糙度來決定??紤]到閉式導(dǎo)葉輪的形狀不規(guī)則,因此加工中配合使用車工和銑工兩種工藝。在處理導(dǎo)葉輪回轉(zhuǎn)面、回轉(zhuǎn)體時,選擇數(shù)控車銑工藝,不僅提高了加工效率,而且能夠保證回轉(zhuǎn)面的粗糙度好,加工精度高。在處理復(fù)雜曲面時,選擇數(shù)控銑削,可靈活適應(yīng)不同曲面,保證工件型線的光順性、流線性良好[1]。
選擇刀具時應(yīng)綜合考慮毛坯余量、材料類型、剛性與耐用度等多種因素,銑削刀具包括端銑刀、球頭刀、插銑刀以及三面刃等若干類型,不同刀具的規(guī)格和組成存在差異。例如插銑刀的刀具直徑為32 mm,直刀伸長>200 mm,由強力刀柄、刀體和刀片3 部分組成;而端銑刀的刀具直徑有18 mm、24 mm 兩種規(guī)格,直刀伸長>180 mm,由強力刀柄、合金接桿、刀體和刀片4部分組成。具體見圖2。
圖2 閉式導(dǎo)葉輪加工用的主要刀具
選擇可用于閉式導(dǎo)葉輪加工的刀具時,應(yīng)考慮兩個關(guān)鍵因素:其一是“R<ρ”,即刀具半徑不超過工件輪廓內(nèi)側(cè)彎曲的最小曲率半徑。如果ρ 值較小,通常是先使用大直徑刀具進(jìn)行粗加工,然后再使用合適刀具進(jìn)行殘留余量的精加工,或者手工打磨,使其滿足加工要求。其二是“L/R=5~7”,即刀具長徑比在5~7 之間。如果刀具長徑比<5,會導(dǎo)致加工效率不高;相反,刀具長徑比>7 甚至是超過臨界值10,在加工中會出現(xiàn)明顯的切削振動,加速刀具磨損并且影響工件表面質(zhì)量。
深流道加工中所用刀具為特固克TT9030 型刀片,涂層成分為TiAIN(碳氮化鈦),可適用于不銹鋼、耐熱合金等毛坯材料的加工??紤]到刀具的長徑比較大,加工期間容易出現(xiàn)變形情況進(jìn)而影響加工精度,因此必須要采取刀具補償措施。圖3 為刀具加工深流道時的受力示意圖,可以看出加工位置為斜率較大的曲面,如果刀具剛性不足,會出現(xiàn)明顯的“讓刀”情況,導(dǎo)致加工精度不足。目前常用的方法是采取在線監(jiān)測方式,實時采集深流道加工中的讓刀量,然后根據(jù)精確測量結(jié)果,重新進(jìn)行數(shù)控編程并進(jìn)行相應(yīng)的精度補償。定量補償曲面的加工余量后,使深流道加工的精度和效率都得到進(jìn)一步的提升。
圖3 深流道加工刀具受力分析
在具體的加工模式上,選擇“按切削深度分段加工”模式,具體操作為:首先選用80 mm 的短刀,在流道開放處進(jìn)行粗加工;當(dāng)進(jìn)刀達(dá)到流道封閉區(qū)域后,將短刀退出,替換成長度為200 mm 的長刀,繼續(xù)完成剩余流道封閉區(qū)域的加工。這樣一來,將深流道加工分成了開放區(qū)域和封閉區(qū)域兩段,并且分別選擇了不同的刀具,設(shè)置了不同的切深、轉(zhuǎn)速等參數(shù),對提高深流道加工效率也有顯著效果[2]。
2.2.1 控制切削深度
閉式導(dǎo)葉輪加工中,切削深度與每齒進(jìn)刀量、切削體積之間為正相關(guān)關(guān)系。因此實際加工中,通過適當(dāng)減小切削深度,可以同步降低每齒進(jìn)刀量,相應(yīng)的主軸功率、切削力也會降低,加工期間刀具的振動也會明顯減輕。當(dāng)然,選擇不同類型的刀具,以及不同的加工區(qū)域,適宜的切削深度也存在差異。例如,選擇刀徑為32 mm的端銑刀,在流道開放區(qū)域進(jìn)行切削加工時,適宜的切削深度為0.6 mm~0.8 mm。如果取最低切削深度0.6 mm,可以達(dá)到理想的刀具減振效果。同樣的,選擇刀徑為24 mm 的端銑刀,在流道封閉區(qū)域進(jìn)行切削加工時,適宜的切削深度為0.3 mm~0.5 mm,取最低切削深度0.3 mm,能夠達(dá)到刀具減振目的。
2.2.2 恒定線速度
無論加工何種類型的工件,只有使刀片與工件的相對速度(即刀具線速度)保持相對恒定,才能達(dá)到最佳切削狀態(tài)。但是在實際加工中,由于材料密度不均勻,或者加工面的曲率變化等因素的影響,使得刀具與工件接觸點的回轉(zhuǎn)直徑會不斷地變化。結(jié)合刀具線速度公式:
式中,d 表示刀尖的回轉(zhuǎn)直徑,單位為mm;n 表示主軸轉(zhuǎn)速,單位為r/min。由式(1)可知刀具線速度取決于回轉(zhuǎn)直徑和主軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)工件曲率發(fā)生變化時,d 值也會相應(yīng)變化,如果n 值不變,則刀具切削線速度也會發(fā)生動態(tài)變化,這種情況下就會引起切削不穩(wěn)定、刀具振動的情況。針對這一問題,可以按照曲面曲率將加工區(qū)域劃分成若干個子區(qū)域,保證回轉(zhuǎn)直徑足夠??;然后根據(jù)每個子區(qū)域的曲面曲率特征設(shè)定合適的主軸轉(zhuǎn)速,從而保證刀具線速度維持在相對恒定狀態(tài)。以刀徑為24 mm的球頭刀加工0~90°變化的曲面為例,將整個加工曲面等分成3 個子區(qū)域。其中,在0~30°區(qū)域內(nèi),刀尖的接觸點與刀尖頂點十分接近,此時回轉(zhuǎn)直徑較小,根據(jù)式(1)可知,此時應(yīng)將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至高速,從而維持刀具線速度恒定;在30°~60°區(qū)域內(nèi),回轉(zhuǎn)直徑增加,此時將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為中速;在60°~90°區(qū)域內(nèi),回轉(zhuǎn)直徑較大,此時主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為低速[3]。
2.2.3 調(diào)節(jié)每齒進(jìn)給量
刀具的切削力不平衡是導(dǎo)致刀具振動的一個主要原因。而切削力的平衡性主要取決于進(jìn)給方向、每齒進(jìn)給量等因素,切削力(fz)的計算公式為:
式(2)中,Vf表示進(jìn)給速度,單位為mm/min;Z 表示銑刀齒數(shù);n 表示主軸轉(zhuǎn)速,單位為r/min。在進(jìn)給方向未改變的情況下,刀具每齒進(jìn)給量變化,會引起刀具切削受力與主軸功率的變化,進(jìn)而引起刀具切削力不平衡。針對這一問題,可使用數(shù)控機床的控制軟件加以解決。例如,使用OMAT 自適應(yīng)控制系統(tǒng),收集大量的機床切削參數(shù),以供計算機進(jìn)行深度學(xué)習(xí),從而自動生成刀具進(jìn)給速度的調(diào)控程序。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實時監(jiān)測到的主軸功率變化信號,調(diào)用程序自動生成最佳的進(jìn)給速度參數(shù),并將該指令發(fā)送至前端,控制刀具按照該參數(shù)運行,從而實現(xiàn)高效、穩(wěn)定切削[4]。
現(xiàn)階段閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工工藝主要有側(cè)銑、端銑兩種。端銑有助于提高葉片曲面的加工精度,但是加工速度相對較慢;側(cè)銑雖然能夠獲得較高的加工效率,但是無法消除曲面加工誤差,完成加工后工件表面粗糙度較差。因此,對于加工要求較高的閉式導(dǎo)葉輪,單獨使用端銑或側(cè)銑均難以達(dá)到理想的加工效果。本文提出了一種以分段分片側(cè)銑方法,采用“離散直紋面逼近”原理,分三個步驟完成自由曲面的加工:步驟一:選擇一組離散的線段,最佳逼近待加工的工件曲面。步驟二:使離散線段插值為直紋面,并確保所有線段均落在直紋面上。步驟三:調(diào)整直紋面,使該曲面盡量逼近目標(biāo)曲面?;谏鲜鲈恚\用分段分片側(cè)銑加工方式,提高直紋面的擬合精度,從而兼顧工件表面加工質(zhì)量和整體加工效率。在分段分片側(cè)銑加工處理下葉片凸面刀位軌跡,見圖4。在使用分段分片側(cè)銑加工時,還應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點:第一是側(cè)銑刀位計算誤差的控制。由于閉式導(dǎo)葉輪的流道曲面為非可展直紋面,通過擬合多組近似直紋面去逼近流道曲面,必然會產(chǎn)生逼近誤差。對于此類情況,需要在側(cè)銑加工中密切關(guān)注刀軸與工件之間形成的實際接觸線的變化情況,只有保證實際接觸線始終與理論接觸線重合,才能將逼近誤差控制在允許范圍內(nèi)。第二是合理設(shè)定分段分片次數(shù)。雖然理論上來說,增加分段數(shù)、分片數(shù)會縮小加工誤差,但是會增加刀位軌跡規(guī)劃的工作量,影響加工效率。因此,需要綜合考慮加工精度、加工效率等因素,合理確定分段數(shù)、分片數(shù),以保證最佳的加工效果。
圖4 葉片凸面分段銑刀刀位軌跡
閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工結(jié)束后,還要對成品進(jìn)行質(zhì)量檢測。檢測內(nèi)容主要包括流道型線檢測和表面粗糙度檢測。將檢測結(jié)果與圖紙設(shè)計要求進(jìn)行對比,確保加工所得產(chǎn)品與要求一致。
2.4.1 流道型線檢測
流道型線檢測使用的是溫澤HL108 型三坐標(biāo)檢測機,該儀器自帶Metrosoft CM 測量軟件,可實現(xiàn)對流道型線的自動、精確測量。檢測步驟為:收集閉式導(dǎo)葉輪的相關(guān)參數(shù),并將參數(shù)文件導(dǎo)入Metrosoft CM 軟件中,這樣就能在軟件中同步生成工件的數(shù)字三維模型。使用基準(zhǔn)球校正高精度測頭,利用一個定位面和該定位面上的2 個銷孔,構(gòu)建測量坐標(biāo)系。從閉式導(dǎo)葉輪模型的葉片曲面上選擇需要檢測的區(qū)域,進(jìn)行誤差檢測。檢測完畢后,該軟件會自動生成一份流道型線檢測報告。從報告結(jié)果來看,接受檢測的閉式導(dǎo)葉輪,流道開放區(qū)域型線加工精度為0.02 mm,符合圖紙設(shè)計中不超過0.05 mm 的要求;流道封閉區(qū)域加工精度為0.15 mm,符合圖紙設(shè)計中不超過0.20 mm 的要求。由此可見,對于閉式導(dǎo)葉輪采用分段分片側(cè)銑數(shù)控加工,可以保證導(dǎo)葉輪的葉片型線誤差滿足要求[5]。
2.4.2 外表粗糙度檢測
觀察數(shù)控銑削加工后的閉式導(dǎo)葉輪產(chǎn)品,可以發(fā)現(xiàn)在其表面有刀具切削產(chǎn)生的刀花。雖然并不明顯,但是表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計圖紙的要求。因此,在完成銑削加工后又增設(shè)了一道打磨拋光工序,然后進(jìn)行表面粗糙度檢測。該檢測使用TIME300 型表面粗糙度儀,檢測精度可達(dá)0.01 μm,最大取樣長度2.5 mm。在閉式導(dǎo)葉輪的兩個葉片表面分別隨機選取3 個位置點進(jìn)行粗糙度檢測,結(jié)果見表1。
表1 閉式導(dǎo)葉輪葉片表面粗糙度檢測結(jié)果
結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知,數(shù)控加工完成的閉式導(dǎo)葉輪葉片,其粗糙度在1.34 μm~1.82 μm 之間;經(jīng)過打磨拋光處理后,其表面粗糙度有明顯提升,整體維持在0.57 μm~0.92 μm 之間。通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn),側(cè)銑加工后再配合使用打磨拋光工藝,對進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工質(zhì)量有積極幫助。
多軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)零部件的制造中。在閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工中,需要從刀具選型、刀具補償、刀具減振等方面加強工藝管理,從而提高數(shù)控加工質(zhì)量。同時,根據(jù)閉式導(dǎo)葉輪的結(jié)構(gòu)特點,使用分片分段側(cè)銑加工,相比于常規(guī)的端銑加工可以獲得更高的表面精度,具有推廣應(yīng)用價值。