CC BY
46
УДК 621.452.3
С. А. Петров, Г. В. Карась, С. В. Мозговой, А. Я. Качан
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАЕКТОРИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ПЯТИКООРДИНАТНОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НЕСУЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЛОПАТОК И МОНОКОЛЁС АВИАЦИОННЫХ ГТД НА СТАНКАХ С ЧПУ
Рассмотрен процесс подготовки траектории режущего инструмента для пятикоор-динатной обработки лопаточной части моноколёс и одиночных лопаток. Описаны особенности применения САПР для работы с математическими моделями лопаток и генерации траектории режущего инструмента.
Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами
Осевые и центробежные моноколёса - наиболее сложные в производстве детали современных ГТД. Постоянно возрастающие требования к точности профиля лопаток и к шероховатости несущих поверхностей газового тракта ставят перед специалистами сложные технические задачи. Кроме того, стремление улучшить характеристики лопаточных колёс приводит к постоянному усложнению геометрии лопаток: меняется закрутка, уменьшается толщина, меняется количество и конфигурация различных лопаток-разделителей потока на импеллерах, (рис. 1, рис. 2) , что приводит к ещё более сложным техническим задачам при подготовке производства. В этих условиях конечный результат напрямую зависит от принятых математических моделей и разработанных управляющих программ на основе этих моделей. В данной статье рассмотрен процесс перехода от конструкторских исходных данных, описывающих геометрию лопаточной части моноколес или одиночных лопаток, к пятикоор-динатным управляющим программам для фрезерования несущих поверхностей газодинамического тракта моноколёс.
Рис. 1. Осевое моноколесо на столе станка
Рис. 2. Центробежное моноколесо
Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем
Особенности технологии обработки сложнопро-фильных поверхностей осевых моноколес рассмотрены в работах [1, 2, 3], однако в указанных работах вопросы подготовки пятикоординатной траектории и методы управления вектором фрезы при формообразовании моноколёс не рассматривались.
Цель работы - проанализировать как проблемы, возникающие при подготовке производства моноколёс и одиночных лопаток, так и различные варианты пятикоординатной обработки лопаток моноколёс и одиночных лопаток и некоторые технологические особенности обработки данных деталей.
Содержание и результаты исследования
Процесс подготовки управляющих программ для обработки поверхностей моноколеса или одиночной лопатки всегда начинают с анализа технологической операционной карты на разрабатываемую операцию, а также рабочего чертежа или математической модели, полученных от конструкторских служб. Как правило, поверхность лопатки задаётся набором сплайнов, построенных по массиву точек. Поскольку при фрезеровании необходимо получить поверхность лопатки без последующей доработки (шероховатость [а = 0,4 мкм), то принятая математическая модель обрабатываемых
© С. А. Петров, Г. В. Карась, С. В. Мозговой, А. Я. Качан 2006 г.
- 0219яшВестникя)вигателестроенияя1 4/т006 - 67 -
поверхностей лопатки имеет решающее значение.
В этих условиях следует обеспечить гладкость исходных сплайнов и правильную их стыковку в одном сечении, если оно включает несколько частей (например, сплайн спинки, корыта и скругле-ния входной и выходной кромок). Проиллюстрируем это на следующем примере.
В таблице 1 представлена часть исходных данных для построения одного из сечений лопатки.
Таблица 1 - Исходные данные для построения одного из сечений лопатки
Ъ = 250 мм
№ Тн Тй
.¿янт -ИЛИ
■ЯШ -ИчЙЙ
-№>11
и. II* ■2Ё.Ч1
и 1?* шиш ■2МН1
ЗР 171 »НЫВ 4(1*9 лзАй
-14 |Е:" -2i.it, ■Ш.у -215Я1
-АЦФ? -ИйГ- -it.ua ■и и
-цдо
Координата Z всех узловых точек сечения равна 250 мм. Хк, Ук- координаты корыта, Хс, Ус -координаты спинки, Хц, Уц - координаты центра скругления, Я - радиус скругления. На рис. 3 показаны эпюры кривизны сплайнов, если они построены точно через узловые точки.
Как видно из рис. 3, гладкость сплайнов не наблюдается. Это связано с тем, что чертёжные координаты имеют конечную точность (до третьего знака после запятой). В данном случае, необходимо произвести сглаживание сплайна с заданной точностью средствами системы, используемой для моделирования, так, чтобы при прохождении через узловые точки сплайн удовлетворял конструкторскому заданию и был максимально гладким. Результат сглаживания показан на рис. 4.
Рис. 4. Эпюры кривизны сглаженных сплайнов
Затем необходимо выполнить гладкую стыковку между сплайнами спинки и корыта и радиусной поверхностью входной кромки (рис. 5).
Рис. 3. Эпюры кривизны сплайнов, построенных по исходным данным
Рис. 5.Сопряжение скругления и сплайнов спинки и корыта
Любая САПР высокого уровня имеет средства редактирования кривых, в том числе и средства стыковки двух кривых так, чтобы совпадали их концы и векторы касательных на концах кривых. При этом геометрия отредактированной кромки должна совпадать с исходной кромкой с заданной точностью. После получения набора гладких сечений строят непосредственно поверхность лопатки. После построения поверхность следует проанализировать на отсутствие самопересечений, смятий (рис.
6) и т.д. Если результат неудовлетворителен, то, возможно, стоит изменить метод выравнивания, например, добавить точки выравнивания возле входной и выходной кромок. В результате построения, получают гладкую и точную математическую модель поверхности лопатки.
Рис.
6. Дефект поверхности в результате неправильного выравнивания
Безусловно, существуют и другие методы задания исходных данных для построения поверхности. Но в рамках данного исследования, основная цель которого - рассмотреть проблемы подготовки траектории режущего инструмента, мы ограничимся данным примером.
Рассмотрим способы обработки лопаточной части моноколёс и одиночных лопаток. В качестве базового программного обеспечения для данного исследования используем модуль расширенной пятикоординатной обработки САПР ГеММа-3й. Рассмотрим обработку осевых и центробежных моноколёс.
Как правило, лопатки моноколёс фрезеруют за две операции, между которыми производят термообработку. Первая операция - черновая, включает в себя выборку межлопаточного пространства, а также зачистку лопаток и ступицы для обеспечения равномерного припуска перед термообработкой. Вторая операция чистовая - это окончательное фрезерование лопаток и ступицы. Выборку межлопаточного пространства производят послойным снятием небольшого припуска. Это обусловлено не только тем, что применение мощных цилиндрических фрез, как правило, невозможно из-за малого пространства между лопатками, но и тем, что большие усилия резания создают излишние напряжения в металле, что может серьёзно повлиять на геометрию лопаток после термообработки и, как следствие, вызвать непопадание лопатки в припуск на чистовых операциях.
Для выборки межлопаточного пространства в САПР ГеММа-3й предусмотрена операция " Петля между кривыми". Зона обработки на поверхности требуемого уровня межлопаточного пространства или поверхности ступицы выделяется с помощью
ограничивающих кривых, построенных внутренними средствами системы (кривые ограничения). Направление обработки определяется направлением ограничивающих кривых. Для небольшого сокращения машинного времени за счёт отсутствия быстрых переходов может быть применено фрезерование зигзагом. Однако практика показала, что фрезерование в одном направлении даёт лучшие результаты по шероховатости обработанной поверхности, поскольку нет постоянной смены встречного и попутного фрезерования. Припуск по проходу может меняться по линейному закону от начального значения до конечного: это необходимо для обработки межлопаточного пространства импеллеров, лопатки которых на входе и на выходе имеют значительную разность по высоте. Для перераспределения припуска в направлении вектора фрезы также может быть задано любое дополнительное количество уровней обработки. Траектория инструмента на дополнительных уровнях определяется сдвигом в направлении вектора фрезы в каждой точке прохода. Количество проходов не ограничено. Кроме того, с помощью специальной строки сортировки, проходы могут выполняться в любом порядке. Необходимость такой сортировки видна при рассмотрении рис. 7.
Рис.
7. Схема сортировки проходов для правильного распределения срезаемого припуска
Ширина срезаемой стружки значительно увеличивается при подходе к радиусной поверхности у лопатки. Для исключения вибраций инструмента и, следовательно, повышения шероховатости поверхности, имеет смысл выполнить сначала седьмой проход и постепенно приближаться к лопатке, а затем вернуться к восьмому проходу. Используя строку сортировки можно также выделить из общего массива проходов только часть, например,
для выполнения предварительной прорезки возле скругления лопаток. Ещё одна возможность модификации рассчитанных проходов - это строка обрезки. С помощью этой строки можно ограничить проходы в направлении движения инструмента, причём для каждого дополнительного уровня фрезерования - индивидуально. Все эти возможности позволяют определить необходимую траекторию фрезы, не прибегая к построению дополнительной ограничивающей геометрии, что значительно ускоряет процесс подготовки операции.
В настоящее время модуль расширенной пяти-координатной обработки САПР ГеММа-3й предоставляет следующие методы управления вектором инструмента.
- Массив векторов
- Сплайн
- Точка
- Закон (абсолют)
- "Закон" (поверхность-ЫУ)
- "Закон" (поверхность-кривая).
Для каждого из указанных методов вектор предварительно рассчитывается для каждой, ограничивающей проходы кривой, а векторы промежуточных проходов вычисляются по линейному закону.
Метод " Массив векторов" требует указания контрольных векторов, которыми являются обычные отрезки ГеММа-3й, построенные любыми средствами системы. Рис. 8 иллюстрирует изменение вектора фрезы при таком методе управления.
Если пользователь отказывается от указания контрольных векторов (или любых других контрольных объектов, описанных ниже), то система принимает в расчёт вектор 0,0,1, т.е. на протяжении всего прохода фреза будет направлена по оси Ъ. В этом случае это будет простая трёхкоординат-ная обработка.
Метод " Сплайн" (рис. 9) требует указания предварительно построенного контрольного сплайна. Вектор в каждой точке крайних проходов определяется как направление от текущей точки ограни-
чивающей кривой до точки контрольного сплайна с той же параметрической координатой, что и у первой точки. При таком методе возможно также указание управляющих пар точек на ограничивающей кривой и на контрольном сплайне, которые будут влиять на поведение вектора.
ДЁЛАЛЬ
Рис. 9. Схема метода "Сплайн"
Метод "Точка" (рис. 10) требует указания контрольной точки, при этом векторы в каждой точке прохода будут направлены от текущей точки к контрольной.
Следующие три метода определения направления вектора фрезы основаны на управлении двумя углами: углом отклонения фрезы перпендикулярно направлению движения (его принято называть TILT), и углом отклонения фрезы в направлении её движения (LEAD). Перед расчётом операции пользователь должен построить "законы" изменения этих углов для каждой ограничивающей кривой. В данном контексте, "закон" - это сплайн, лежащий в плоскости XY, абсцисса которого определяет положение точки на ограничивающей кривой, а ордината - соответствующий угол отклонения (рис. 11).
1 СО] ПГТ" О, TL f [АЯ ТОЧКА
Рис. 8. Схема метода "Массив векторов"
Рис. 10. Схема метода "Точка"
Рис. 11. Схема метода "Закон...". Управляющие сплайны
Три разновидности метода: "Закон (абсолют)", "Закон (поверхность-UV)" и "Закон (поверхность-кривая)", - различаются способом определения начального вектора фрезы и осей поворота для углов LEAD и TILT. Абсолютные оси применяются для расчёта вектора по всей ограничивающей кривой. Метод " Закон (поверхность-UV)", вместо указания абсолютных осей, требует указания контрольной поверхности. Начальный вектор фрезы и оси поворота для углов LEAD и TILT вычисляются в каждой точке ограничивающей кривой, причём, пользователь сам в интерактивном режиме выбирает направление начального вектора фрезы и осей поворота для углов LEAD и TILT. В выборе участвуют нормаль к контрольной поверхности в текущей точке и две касательные к параметрической сетке контрольной поверхности. Метод "Закон (поверхность-кривая)" отличается от предыдущего метода тем, что вместо касательных к параметрической сетке в расчёт принимаются касательная к ограничивающей кривой и перпендикуляр к этой касательной и к нормали. Контрольная поверхность, как правило, - это поверхность самой лопатки или ступицы. Методы управления "Закон..." дают лучшие характеристики по плавности рассчитанной траектории, однако, требуют больших усилий по построению "законов". Целесообразно применение этих методов для расчёта чистовых операций.
Кроме стандартных вышеописанных методов управления вектором существуют операции со специализированными методами. Например, операция "Токарное фрезерование" (деталь вращается как на токарном станке, но обрабатывается фрезой) также определяет вектор с помощью углов LEAD и TILT, но эти углы назначаются перед расчётом операции в диалоговом окне задания исходных параметров. Два угла TILT1 и TILT2 позволяют, например, без подрезов обработать зоны у хвостовика лопатки и у бандажной полки, а угол LEAD отклоняет фрезу в направлении движения, для выбора оптимального угла резания.
Операция " По двум направляющим" позволяет "прокатиться" фрезой по двум кривым, касаясь при этом указанной поверхности. Естественно, вектор фрезы при этом жёстко определяется двумя исходными кривыми. По аналогии с методом управления "Сплайн" на поведение фрезы можно повлиять с помощью пар направляющих точек.
Наряду с выборкой межлопаточного простран-
ства моноколёс актуальной является задача расчёта траектории для обработки профиля лопатки. Одно из требований для такой траектории - это постоянный контакт фрезы и обрабатываемой поверхности. Любой отход от металла и последующее врезание будет неизбежно оставлять следы на металле, требующие дополнительной доработки. Не лучшим выходом будет обработка поверхности лопатки на определённом уровне и переход на следующий, т.к. в месте перехода меняются условия резания и это тоже может повлечь следы на поверхности лопатки. Единственное решение -это плавная спираль от первой, ограничивающей зону обработки кривой, до второй. Для расчёта такой траектории в САПР ГеММа-SD предусмотрена отдельная операция "5D Спираль по лопатке моноколеса". Для расчёта операции обе границы зоны обработки разбиваются на четыре части. Делается это с целью выделения входной и выходной кромок профиля, спинки и корыта. Вектор рассчитывается на основе специальных текстовых строк, заданных в диалоговом окне задания параметров операции, определяющих углы LEAD и TILT. Этот метод управления сходен с методом "Закон (поверхность)", с тем лишь отличием, что "законы" строятся автоматически на основе углов, заданных в исходных параметрах операции. При необходимости сплайны "законов" можно визуально проанализировать. Ещё одна опция этой операции - это постепенный подход к профилю для обеспечения более плавного перехода между отдельными программами, если это необходимо, и для исключения вибраций лопатки и фрезы на первом проходе из-за слишком большого припуска (рис. 12).
Вибрацию можно также исключить, если поднять первую ограничивающую кривую выше по лопатке. Но, как правило, это требует фиктивного продления поверхности лопатки, что вызывает определённые трудности. Зону обработки в данной операции можно ограничить в диапазоне от нуля до ста процентов, в том числе выделить отдельный проход, указав одинаковый процент для начала и конца зоны. Такая возможность необходима для проверки отсутствия коллизий инструмента и оправки с деталью и фиксирующим деталь приспособлением. Для контроля коллизий создаётся
Рис. 12. Схема срезания припуска на первом проходе при спиральной обработке
реальная модель фрезы и оправки и проверяется поведение этой модели по рассчитанному проходу. В большинстве случаев, достаточно проверить на отсутствие коллизий последний проход из всей операции. Если в процессе проверки обнаружено столкновение, то необходимо изменить поведение вектора фрезы в зоне столкновения.
Прогрессивным решением является спиральная обработка не только поверхности лопатки, но и поверхности сопряжения лопатки и ступицы фрезой меньшего радиуса, чем радиус сопряжения. Это позволяет избежать резкого увеличения ширины стружки при подходе к сопряжению.
Проход, рассчитанный в операции, - это только промежуточное звено на пути к управляющей программе. Для получения окончательного результата необходим постпроцессор, который превратит проходы в коды конкретной системы ЧПУ, учитывая при этом компоновку станка. Управляющие программы оформляются в виде подпрограмм, которые вызывает главная программа для каждой лопатки моноколеса.
Отдельная тема, которую хотелось бы затронуть и которая, на наш взгляд имеет хорошие перспективы - это возможность 3й-коррекции при пятико-ординатной обработке. Модуль расширенной пя-тикоординатной обработки САПР ГеММа-3й поддерживает вывод в проход информации о нормали к обрабатываемой поверхности в текущей точке, что позволяет на этапе постпроцессирования обработать эту информацию и сгенерировать управляющую программу с возможностью подойти к профилю на заданную оператором станка с ЧПУ величину или отойти от него. Для реализации такой возможности нужно воспользоваться особенностями программирования конкретной системы ЧПУ, на которую рассчитывается управляющая программа. Очевидно, что средствами программирования системы ЧПУ нужно решить вопрос задания допустимого диапазона коррекции, который не позволит оператору станка с ЧПУ ввести величину коррекции, которая приведёт к несоответствию детали. Здесь речь идёт не только о коррекции в тело детали, но и об отходе от профиля, поскольку излишняя величина коррекции может привести к коллизиям с соседними лопатками.
Перспективы дальнейших исследований
Пути дальнейшего развития системы автоматизации подготовки пятикоординатных управляющих
программ, на наш взгляд, очевидны. С одной стороны, это увеличение степени автоматизации. Пользователь, давая на вход системе необходимый минимум исходных данных, должен получать на выходе приемлемый результат, затрачивая как можно меньше усилий и времени. С другой стороны, система должна позволять опытному пользователю влиять на конечный результат по своему усмотрению. Интересной для пользователей могла бы быть возможность создавать в интерактивном режиме (не пользуясь традиционным программированием) свои собственные способы обработки.
Выводы
В работе проанализированы вопросы создания пятикоординатной траектории режущего инструмента для обработки несущих поверхностей одиночных лопаток и моноколёс авиационных ГТД. Рассмотрены также различные методы управления вектором фрезы и способы обработки, позволяющие более качественно определять траекторию.
Список литературы
1. Богуслаев А.В., Качан А.Я., Карась В.П. Высокоскоростное финишное фрезерование лопаток моноколес // Вестник двигателе-строения, 2002. - № 1. - С. 110-111.
2. Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф. Качан А.Я., Карась В.П. Формообразование сложно профильных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Газотурбинные технологии, 2003. - №5 (26). - С. 18-21.
3. Панасенко В. А., Петров С.А., Мозговой С.В., Карась Г.В. Особенности обработки деталей авиационных ГТД на станках с ЧПУ // Вестник двигателестроения, 2005. - № 1 - С. 138-144.
Поступила в редакцию 02.06.2006 г.
Розглянуто процес nidsomoeKU mpaeKmopin рiзального iHcmpyMeHmy для п'яmикoopдинamнoi обробки лопаточноп частини мoнoкoлiс та окремих лопаток. Описан1 oсoбливoсmi застосування САПР для роботи з математичними моделями лопаток та генера^п mpaeкmopiп piзaльнoгo ¡нструменту.
The process cutting tool trajectory preparation for blisks blade part and single blades machining are considered. The particularities of CAD/CAM using for work with blisks or single blades mathematical models and for cutting tool trajectory generation are described.
