CN108237374A - 多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法。其加工工艺步骤为：以工件回转中心为零点、以其中一片叶轮筋线为Z轴建立工件坐标系；根据叶片数将工件分为a个工位；设工位n对应的叶轮筋线为叶片n，叶片n+1与工位n主轴夹角为ɑ；将每片叶片的内部曲面按背部投影曲线分割成m块各自相连的曲面区域，依次命名；对各叶片内、背部曲面区域在各工位下编程模拟生成各工位下的加工程序；将工件安装于回转工作台上；回转工作台按叶片内、背部曲面区域1～m对应的工位转动，逐一完成所有叶片内部与背部曲面的加工。本发明的优点是，使用具有回转工作台的数控镗床即可；工装简单可靠，所有叶片均在一次装卡下加工完成；加工出的叶片一致性较高。

Description

多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法

技术领域

本发明涉及在三轴联动机床上加工多叶片转轮曲面。可应用于在低端设备上(具有三轴联动功能，拥有四轴或五轴，但第四轴、第五轴不能参与联动)完成多叶片转轮的加工。

技术背景

随着人们对高功率、高输出和高可靠性的不懈追求，冲击式水轮机得到了不断发展与革新，其零件结构及加工方法也在不断变化。从铆焊到整体铸锻，从纯手工打磨到数控加工，未来，在提高工作效率的同时，冲击式水轮机将朝着高水头、大容量的方向发展，但其叶片曲面的加工方法在完善的过程中却遇到了一些瓶颈。

由于冲击式水轮属于大型部件，其直径一般为1米～3米，更大的可达4米，重量可达6吨以上，再加上其结构复杂，开放性差，因此加工工艺复杂，制造十分困难。针对转轮水斗的结构特点和技术要求，目前国内外主要有四种制造方法：整铸铲磨、焊接加工、铆接加工、整体式数控加工。

其中，整体式数控加工虽然加工难度最大，但是产品质量却最容易保证，避免了整铸铲磨可能形成的材料缺陷、焊接加工中造成的应力及焊接缺陷、铆接加工带来的结构缺陷。

在国内的该类产品的数控加工过程中，由于没有专用设备，普遍采用五轴设备进行加工。但限于设备因素，具有加工能力的企业并不多。结合我国三轴设备较多的现状，开发一套实用三轴设备加工冲击转轮的工艺方法非常有必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有设备进行技术改造，提供一种使用三轴设备加工多叶片转轮曲面的加工工艺及工装，以解决多叶片转轮曲面加工能力瓶颈。

经过分析冲击转轮的结构特点，可以发现，冲击转轮具有多片狭长的碗状结构，且具有空间重叠的特征。在刀轴不变的情况下，使用三轴设备不可能一次装卡下完成单片或整体的加工。针对这个问题，本发明采用一套工装及对应加工方案。

本发明所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工工艺步骤和方法如下：

1)以工件回转中心及对称中心为零点(0，0，0)、以其中一片叶轮筋线为Z轴正方向建立工件坐标系，并根据工件模型内部剖切曲线数据建立三维模型。

2)设工件总叶轮数为a，根据叶片数将工件分为a个工位，每个工位以顺时针分布间隔角度为ɑ＝360/a，每个工位对应于一处叶轮筋线。

3)设工位1对应的叶轮筋线为叶片1，工位n对应的叶轮筋线为叶片n，叶片n+1与工位n主轴夹角为ɑ，叶片n+m与工位n主轴夹角为m×ɑ，当夹角大于90°时，由于夹角过大，叶片n+m完全被叶片n+m‐1遮挡，则处在工位n不能进行叶片n+m的加工，所以，进行加工的叶片与工位n主轴夹角之间应满足0＜m＜a/4的角度条件。

4)通过投影分割内曲面步骤。在工位n，将叶片n+1的背部曲面边界按Z轴负方向投影至叶片n+2内部曲面上，将叶片n+2的背部曲面边界按Z轴负方向投影至叶片n+3内部曲面上，将叶片n+m‐1的背部曲面边界按Z轴负方向投影至叶片n+m内部曲面上。通过a个工位的投影，将所有叶片的内部曲面按投影曲线分割成m块各自相连的曲面区域，将每个叶片的曲面区域依次命名，例如，叶片n的内部曲面区域依次命名为：叶片n的内部曲面区域1、叶片n的内部曲面区域2……叶片n的内部曲面区域m。

5)通过对各叶片内部与背部曲面区域在各工位下的编程模拟，生成若干各工位下的加工程序。

6)在起吊定位工装上安装工件：

a)将定位工装安装于回转工作台上，并找正回转工作台中心与定位工装中心重合；

b)将起吊装卡工装安装于回转工作台上，并紧固；

c)将工件安装于起吊装卡工装上，并紧固；

7)按叶轮筋线找正叶片n，回转工作台按叶片内部与背部曲面区域1～m对应的工位转动，依次通过多次重复调用上述第5)步骤生成的加工程序，在工位n，铣削叶片n的背部曲面及叶片n+1的内部曲面区域1、叶片n+2内部曲面区域……叶片n+m内部曲面区域m，通过a个工位的装卡，逐一完成所有叶片内部与背部曲面的加工。

用于本发明多叶片转轮曲面的三轴联动加工的工装及使用方法为：

1)工装分定位工装和起吊装卡工装两部分。定位工装，用于将工件快速定位至与工作台回转中心重合。起吊装卡工装，用于起吊工件及将工件固定于工作台上。

2)定位工装由底座、定位轴、导向轴三部分组成，底座用于将工装固定在工作台上，定位轴用于将工件中心与工作台回转中心重合固定，导向轴用于安装工件至定位轴上。

3)起吊装卡工装由底座、紧固螺钉、紧固螺母、螺杆、压板五部分组成。底座上设置有U型槽、螺孔及等高柱。底座由紧固螺钉将其紧固在工作台上，工件按指定方向安置于设置在底座上的等高柱上，工件上的工艺孔与底座上的螺杆安装孔对应，安装螺杆、压板，用螺母对工件进行紧固。

发明的优点

在本产品的现有加工工艺中，一般采用以下三种方法来达到整个工件的设计要求：1)工件结构分段，将工件主体与叶片设计为分体结构，分别加工后组合拼装或焊接；2)整体铲磨；3)使用国外高端五轴数控设备进行整体加工；

第一种方法由于工件并不是一个整体，存在结构不牢固的缺点，且分别加工后再进行铆接或焊接，会造成误差和应力等缺陷，造成工件的整体结构不均匀等问题。

第二种方法使用的是整体铸造的结构，但是铲磨的效率低下，整体加工时间极长。

第三种方法是现阶段最好的加工方法，但是由于高端机床市场价格贵且进口受限等原因，能加工该工件的设备数量有限。

本发明的优点如下：

1)使用的设备比较常见，使用一般的具有回转工作台的数控镗床即可；

2)工装简单可靠，工件的所有叶片都是在一次装卡下加工完成。

3)加工出的叶片一致性较高，分布均匀。

4)数字化程度较高，节省加工时间成本。

附图说明：

图1：工件类型描述；

a)工件形状图；b)图1a)的A-A向视图；

图2：加工方位示意图；

图3：加工范围示意图；

图4：通过投影分割内曲面方法示意图；

a)投影主轴方向；b)将叶片的背部曲面按图4a)的投影方向投影；

图5：定位工装示意图；

图6：定位工装示意图(俯视图)；

图7：装卡工装示意图。

具体实施方法：

本发明以一个具有22片叶轮，直径约3000毫米的冲击转轮为例说明本发明所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法及步骤。

1)以工件20回转中心及对称中心为零点(0，0，0)、以其中一片叶轮筋线为Z轴正方向建工件坐标系，并根据工件模型内部剖切曲线数据建立三维模型。(见附图1)

2)若工件20总叶轮数为a，根据叶片数将工件分为a个工位，每个工位以顺时针分布间隔角度为ɑ＝360/a，每个工位对应于一处叶轮筋线。

3)当工位1对应的叶轮筋线为叶片1，工位n(0＜n＜a)对应的叶轮筋线为叶片n(参见图2)，叶片n+1与工位n主轴夹角为ɑ，叶片n+m与工位n主轴夹角为m×ɑ，当夹角m×ɑ大于90°时，主轴和刀具19会与叶片之间形成干涉，故当夹角m×ɑ大于90°时，在工位n不能进行叶片n+m的内部曲面加工，所以，对叶片进行加工时，叶片n+m与工位n主轴之间夹角m×ɑ，应该满足0＜m＜a/4的条件(参见附图3)。同时还要考虑到主轴和刀具19与叶片n+m‐1之间留出的安全距离，(参见附图4中虚线所示的间隔)。

4)在工位n，将叶片n+1的背部曲面边界按Z轴负方向投影至叶片n+2内部曲面上，将叶片n+2的背部曲面边界按Z轴负方向投影至叶片n+3内部曲面上，将叶片n+m‐1的背部曲面边界按Z轴负方向投影至叶片n+m内部曲面上。通过a个工位的投影，将所有叶片的内部曲面按投影曲线分割成m块各自相连的曲面区域，将每个叶片的曲面区域依次命名，例如，叶片n的内部曲面区域依次命名为：叶片n的内部曲面区域1、叶片n的内部曲面区域2……叶片n的内部曲面区域m。

5)通过对各叶片内部与背部曲面区域在各工位下的编程模拟，生成若干加工程序。

6)工件划线检查。

7)车削工件20毛坯内孔，尺寸至与工装定位轴尺寸一致，并车削工件上下两平面。

8)在工件20与起吊装卡工装螺杆对应位置钻孔工艺孔，用于在起吊定位工装安装工件。

9)将定位工装安装于回转工作台上，并找正回转工作台中心与定位工装中心重合。

10)将起吊装卡工装安装于回转工作台上，并用螺钉紧固。

11)将工件20安装于起吊装卡工装上，并紧固。

12)按叶轮筋线找正叶片n，回转工作台按叶片曲面区域1～m对应的工位转动，依次调用加工叶片背部与内部曲面区域1～m的程序，例如，在工位n，铣削叶片n的背部曲面及叶片n+1的内曲面区域1、叶片n+2内曲面区域2，叶片n+m内曲面区域m，通过n个工位的装卡，逐一完成对全部叶片内部与背部曲面的加工。

工装及使用方法：

工装分定位工装和起吊装卡工装两部分。

1)定位工装(参见附图5)由底座10、定位轴11、导向轴12三部分组成，定位轴11设置在底座10上，导向轴12设置在定位轴11的顶端；底座10用于将工装固定在工作台上，定位轴11用于将工件20中心与工作台回转中心重合固定，导向轴12用于安装工件至定位轴11上。

使用时先将定位工装置于工作台上，按定位工装上的定位轴基准找正工装与工作台重合，用紧固装置(例如螺钉)将定位工装紧固在工作台上，定表卡压。

3)起吊装卡工装(参见附图6)由底座10、紧固螺钉(图中未绘出)、紧固螺母13、螺杆14、压板15五部分组成。底座10上均匀分布有的U型槽16、螺孔17及等高柱18。使用时，底座10用紧固螺钉配合U型槽16将其紧固在工作台上，工件20按指定方向安置于设置在底座10上的等高柱18上，使工件20上的工艺孔与底座10上的螺杆14的安装孔对应，压板15设置在工件20上，通过螺杆14和螺母13进行紧固。

附图7为本发明中所说的工件位于装卡工装上的示意图。

本发明以一个具有22片叶轮，直径约3000mm的冲击转轮为例说明本发明使用的工艺方法及工装。但举一反三，本发明对其它具有不同数量叶片及直径的同类工件也可使用。因此并不排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法，其步骤如下：

1)以工件回转中心及对称中心为零点、以其中一片叶轮筋线为Z轴正方向建立工件坐标系，并根据工件模型内部剖切曲线数据建立三维模型；

2)设工件总叶轮数为a，根据叶片数将工件分为a个工位，每个工位以顺时针分布间隔角度为ɑ＝360/a，每个工位对应于一处叶轮筋线；

3)设工位1对应的叶轮筋线为叶片1，工位n对应的叶轮筋线为叶片n，叶片n+1与工位n主轴夹角为ɑ，叶片n+m与工位n主轴夹角为m×ɑ，进行加工的叶片与工位n主轴夹角之间应满足0＜m＜a/4的角度条件；

4)在工位n，将叶片n的背部曲面边界按Z轴负方向投影至n+1叶片内部曲面上，将叶片n+1的背部曲面边界按Z轴负方向投影至n+2叶片内部曲面上，将叶片n+m‐1的背部曲面边界按Z轴负方向投影至n+m叶片内部曲面上；通过a个工位的投影，将每片叶片的内部曲面分割成m块各自相连的曲面，各叶片内部曲面区域依次命名，例如，叶片n的内部曲面区域依次命名为：叶片n的内部曲面区域1、叶片n的内部曲面区域2……叶片n的内部曲面区域m；

5)通过对各叶片内部与背部曲面区域在各工位下的编程模拟，生成若干各工位下的加工程序；

6)在起吊定位工装上安装工件：

a)将定位工装安装于回转工作台上，并找正回转工作台中心与定位工装中心重合；

b)将起吊装卡工装安装于回转工作台上，并紧固；

c)将工件安装于起吊装卡工装上，并紧固；

7)按叶轮筋线找正叶片n，回转工作台按叶片背部与内部曲面区域1～m对应的工位转动，依次重复调用第5)步骤所说的加工程序，通过a个工位的装卡，直至逐一完成所有叶片内部与背部曲面的加工。

2.按照权利要求1所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法，其特征在于，当叶片n+m与工位n主轴夹角为m×ɑ大于90°时，叶片n+m不能进行加工。

3.按照权利要求1所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法，其特征在于，调用第5)步骤所说的加工程序，即调用加工叶片背部曲面与内部曲面区域1～m的程序，在工位n，铣削叶片n的背部曲面及叶片n+1的内部曲面区域1、叶片n+2内部曲面区域2，叶片n+m内部曲面区域m。

4.按照权利要求1所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法，其特征在于，定位工装由底座、定位轴、导向轴三部分组成，定位轴设置在底座上，导向轴设置在定位轴的顶端；底座用于将定位工装固定在回转工作台上，定位轴用于将工件中心与回转工作台回转中心重合固定。

5.按照权利要求1所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法，其特征在于，起吊装卡工装由底座、紧固螺钉、紧固螺母、螺杆、压板五部分组成；底座上设置有U型槽、螺孔及等高柱；底座由紧固螺钉配合U型槽紧固在回转工作台上，工件安置于设置在底座上的等高柱上，工件上的工艺孔与底座上的螺杆安装孔对应，压板上设置有穿螺杆的孔，压板设置在工件上，用螺杆和螺母对工件进行紧固。

6.按照权利要求1或4或5所说的多叶片转轮曲面的三轴联动加工方法，其特征在于，先将定位工装置于回转工作台上，按定位工装上的定位轴基准找正工装与回转工作台重合，用紧固装置将定位工装紧固在回转工作台上，定表卡压。