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      基于MATLAB與UG的汽輪機葉片造型及數控編程研究
      2012-10-29  來源:  作者:蘭州理工大學 王正軍,馬保榮,馮海濤,張

            1概述

       

            汽輪機葉片是一種典型的具有復雜曲面的零件。葉片一般都處在高溫、高壓、高轉速和腐蝕介質環境下工作,不僅需要有較高的強度,而且要具有較高的抗腐蝕、抗疲勞、抗沖擊能力。隨著材料科學、設計技術、加工設備的變化和進步,其型面形狀日趨復雜,其加工工藝也不斷地發生變化并日臻完善。其加工要求嚴格,加工量很大。
       
            汽輪機葉片的型面已經從等截面直葉片向變截面扭葉片發展,其加工工藝也隨之變得愈加復雜,葉片型面的造型及加工直接影響到汽輪機的工作性能。目前,汽輪機葉片一般均采用五坐標聯動數控機床來加工完成 。加工之前的數控編程是保證葉片加工精度和表面質量的關鍵。本文針對汽輪機葉片型面的復雜性,先將實測數據經Matlab軟件平滑處理后,導入UG利用NURBS方法對其進行了精確的三維造型,并進行了葉片的數控加工工藝流程規劃;UG的加工制造模塊功能極強,研究在同一個CAD、CAM環境下,實現汽輪機葉片的三維造型、圖形化數控編程、刀具軌跡生成、實時加工仿真的方法,以保證數控加工的質量和效率。

        
            2汽輪機葉片的CAD/CAM系統結構圖
       
            UG是一個高度集成的CAD/CAE/CAM軟件系統,它不僅具有強大的實體造型、曲面造型等設計功能,而且可以運用建立好的三維模型直接生成數控代碼,用于產品的加工。汽輪機葉片CAD/CAM系統結構圖見圖1。

      1


            3創建葉片三維模型
       
            3.1葉片數據的獲取方法
       
            汽輪機葉片數據的獲取主要有兩種方法:一種是通過逆向工程;一種是通過理論計算。逆向工程是把原型的幾何尺寸通過各種測量方法(如:三坐標測量機、激光跟蹤儀、三坐標測頭等)轉化成數據文件,然后重新建立此零件的CAD模型的技術。理論計算是根據流體力學原理計算出的葉型數據。
       
            數據文件提供的是一系列數據點坐標,數據點坐標格式為:“X空格Y空格Z空格”,與UG對數據源文件的要求一致。這樣才可以根據曲面的連續、光滑性要求,在UG的自由曲面模塊中,由葉片的離散數據點擬合生成光滑、準確的閉合曲線,從而再通過這些曲線生成葉片曲面。
       
            3.2葉片數據的平滑處理
       
            本文以某汽輪機葉片制造企業提供的一只汽輪機靜葉片造型為例。如圖2所示,該葉片某截面包含有各截面型線的葉盆、葉背型值點參數,其中,(X_S,Y_S)為該截面背弧曲線上的型值點坐標值,(X_P,Y_P)為盆弧曲線上的型值點坐標。無論是盆弧還是背弧均給出了51個型值點。
       
            本文數據通過逆向工程獲得,測量時由于人為因素或其他因素(測量儀器本身的誤差),導致測量值與實際值存在一定的誤差。對測量值進行平滑處理,目的就是使得測量值與實際值之間的誤差減小。在多軸加工中,曲面的光順性及曲面間的光滑連接特性對生成多軸數控加工程序的質量影響很大,這就對葉片型面的幾何建模提出了更高的要求。葉片型面的高質量幾何建模,首先是指型面在各截面型線方向上要保持光順。其次,在葉片徑向上曲面也要求同樣保持光順。將圖2中測量值導入Matlab軟件,通過CFTOOL工具和Smooth函數對測量值進行平滑處理。處理后數據如圖3所示。通過對葉片截面型線型值點進行平滑處理,使得葉片截面型線比處理前更平滑更接近葉片實際截面型線。將處理后的數據輸出并保存為.dat文件。為下一步UG建立汽輪機葉片三維模型做準備。

       

      2

       


            3.3汽輪機葉片三維實體造型
       
            汽輪機葉片一般由葉根、葉身和葉冠三部分構成。葉根和葉冠的形狀相對規則,可以直接通過草繪截面,拉伸為實體。再在實體造型的基礎上進行打孔、開槽、倒圓、倒角等操作即可得到實體模型。而葉身部分是汽流通道,形狀比較復雜。葉身的橫截面稱為型面,組成型面的周線稱為型線。葉片的葉身就是由這些型線擬合而成的光滑復雜曲面。

       

       圖3 平滑處理后的數據


              (1)數據導入
       
            將Matlab軟件平滑處理后的數據.dat文件導入 UG中。導入方法:點擊UG中的樣條曲線按鈕,出現根據極點、通過點、擬合、垂直于平面4個提示選項。選擇“通過點”,然后點擊選項“文件中的點”,選取數據.dat文件即可建立樣條曲線。
       
            (2)草圖編輯
       
            對建立的樣條曲線進行草圖編輯。圖4為草圖編輯后葉片截面型線。

       

      4


            (3)曲線分析
       
            用UG中的曲線分析工具,分析葉片截面型線的曲率分布情況,有無斷點、尖點、交叉、重疊。下面以一條型線為例,分析曲線的質量。曲率梳可以反映曲線的曲率變化規律并由此發現曲線的形狀存在的問題。通過編輯曲線中的光順曲線命令,修改光順因子,來達到需要的光順曲線。光順后的曲線更有利于后續的數控加工編程。圖5為葉片截面型線背弧段的光順處理。

       
      5


        
            (4)葉身生成
       
            葉片葉身采用多截面導動的方法來生成,如圖6所示。
       
            4汽輪機葉片數控加工自動編程
       
            (1)葉片的加工工藝分析
       
            葉片的毛坯一般是鑄造或精鍛而成,留出一定的加工余量。當葉片尺寸比較小的時候也可以直接用方坯料開始加工。葉型曲面的加工常用沿著葉片
      軸線加工和沿截面型線加工兩種加工方案。由于沿葉片軸線加工出來的汽道表面質量較差,本文采用沿截面型線加工的方法。
       
            由于葉型是光滑連續的曲面,所以用一刀成形的方法,生成沿型線連續的刀具軌跡,并一次加工完成。
       
            用五軸聯動數控機床加工葉型曲面的主要工藝過程為 :①粗加工:這個過程的主要目的是去除多余的毛坯料,加工出葉型曲面的大體輪廓。②半精加工:這個過程要加工出葉型曲面的基本形狀,并留出少量的加工余量,為精加工做準備。③精加工: 這個過程要加工出葉型的整個型面,過程和半精加工類似,但需要取較小的行距和表面允差,以提高表面的加工質量。
       
            (2)UG/CAM基本設置 
       
            首先確認工作坐標系原點然后進入加工模塊進行相關設置:設置安全高度;設置幾何體包括指定部件和指定毛坯;設置加工公差;創建刀具。
       
            刀具選擇。加工葉片的整個過程要用到3種刀:端銑刀(粗加工用)、球頭銑刀(半精加工和精加工用)和球頭錐銑刀(清根用)。
       
            加工方式的選擇。在UG/CAM中為每個工序選擇合適的加工方式,其中半精加工和精加工的加工方式相同。
       
            刀具軌跡的生成。在UG/CAM中,選擇合適的加工方式、加工對象和走刀方式等后,再設置好切削行距、步長、表面允差、進給率等加工參數,即可以執行[Genemte]命令生成刀具加工軌跡。
       
            加工過程仿真。UG/CAM中集成了加工仿真的功能,可以對生成的刀具軌跡進行加工仿真,動態的模擬刀具切除材料的加工過程,并且可以儲存加工仿真后的毛坯留待下一道工序使用。在UG環境下,通過加工仿真對刀具軌跡進行仿真和驗證。
       
            刀位文件生成及后置處理。在UG/CAM中生成了刀具軌跡并進行了加工仿真和干涉校驗后,可以將加工數據和信息輸出成為刀位源文件(CLSF)。刀位源文件(CLSFF)主要包括刀具信息、加工坐標系信息、刀具位置和姿態信息以及各種加工輔助命令信息等。單擊“操作”中的“后置處理”可以生成葉片加工的NC代碼。
        
            5結語
       
            在UG環境下,結合Matlab軟件強大的數據處理功能,對葉片的精確造型進行分析。在UG中進行葉片的三維造型,進行加工、刀具軌跡編程和加工仿真,使汽輪機葉片的設計和加工編程基于同一個CAD/CAM環境下。這就實現了產品設計和制造過程信息模型的無縫連接,大大減小了編程出錯概率,提高了編程效率和可靠性。

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