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          渦輪機葉片返修過程中的適應性加工
          (時間:來源:易想商務信息中心 時間:2008/12/28 19:29:02)  

          具有實時反應功能的數控系統為難于加工的零件帶來了新的突破。

          圖1在返修渦輪機葉片時,采用適應性加工技術可以自動地修改經過編程的刀具路徑,使其能夠適應零件與零件之間的幾何形狀變化
          圖2在采用適應性加工技術返修葉片和葉輪時,首先需要的對零件進行掃描,激光數字化處理技術為傳統的接觸式探針掃描法提供了一個新的替代方法,對掃描大型零件的表面非常有效
          圖3在這個復原圖例中,該接口界面可以讓壓縮機葉片外形上的壓力面(凹面)和吸氣面(凸面)進行非對稱式外形修正目前,“適應性加工”這一術語應用的十分普遍。一般來說,“適應性加工”是指一種專門的加工技術,它可以根據條件的變化,自動地適應生產數據所需的加工。當每一批需要加工的零件,在幾何形狀都略有不同的情況下,一般會采用適應性加工技術。這些零件往往需要經過倒角加工或拋光操作,這類加工主要依賴于手工技術和靈巧的作業手法。有一些系統具有非常好的適應性功能,實際上特別適合于上述零件的加工。也就是說,它們能夠將一個工件調節較準到一個已知的數據位置上。真正的適應性加工技術可以根據特定的形狀變化,解決不同工件的加工問題。這種技術采用一個掃描系統、專用軟件,還包括一臺服務器,與數控機床的控制系統集成在一起,執行工藝控制,自動地修改經過編程的刀具路徑,以適應零件與零件之間不同的變化。燃氣輪機中使用的葉輪和葉片,其生產和返修工藝非常適合采用適應性加工技術。這是因為此類零件的形狀比較復雜,因此加工時面臨著一系列的挑戰,往往需要采用5軸加工才能解決根本問題。也就是說,有些零件的返修作業,如螺旋槳的外形輪廓,在手工焊接返修以后,還需要重新加工。正是這個原因,燃氣輪機工業成為英國TTL公司的主要研究對象。近20年來,該公司一直在設計和生產專用適應性加工系統,TTL公司是StarragHeckert公司的一個分公司。適應性加工實例為了實現適應性加工技術的超凡功能,TTL公司采用5軸雕刻操作技術,演示了對生雞蛋蛋殼表面的雕刻過程。如同葉片、葉輪和內燃機零件一樣,它們都是構成現代燃氣輪機的基礎元件。第一步,對蛋殼表面進行數字化處理。然后,將捕捉到的數據傳輸到計算機之中,通過計算機處理這些數據,按照雞蛋的尺寸和外形制成一個模型,并生成特別適合于這個雞蛋雕刻的加工刀具路徑。加工用的5軸機床由以上產生的NC數控代碼控制,不管雞蛋表面如何變化,按照預先設定的約0.05mm的雕刻深度雕刻加工雞蛋外殼。在雕刻不同雞蛋外殼過程中所面臨的挑戰,從技術上來說,與加工新的鑄件或鍛件,以及返修汽輪機零件時加工表面涂層或焊接裕量的情況差不多。如果能將工裝夾具的設計,所采用的機床型號和機床的調試適當地結合在一起,就會獲得良好的結果。例如,對于所返修的汽輪機元件而言,返修焊接材料與母材之間的加工精度可以高達+0.00mm/+0.02mm。適應性加工技術也非常適合于葉輪的返修。葉輪的一體化設計代替了傳統的葉片與轉子組合的形式。近年來,葉輪的一體化設計被廣泛應用于轉子的設計,因為整體設計的葉輪比單一設計的葉片具有更大的優越性。葉輪的生產主要采用5軸加工,以達到所要求的加工周期、加工精度和表面質量。葉輪的加工生產比單一葉片的加工更為復雜,加工費用更高。因此,開發具有良好成本效益的返修加工方法將能引起人們極大的興趣。然而,由于它們的幾何形狀復雜,因此,葉輪的返修工藝與生產加工新葉輪同樣困難。當葉輪受到外力損傷(如被飛鳥撞擊)或因日常磨損而不能使用時,返修是非常必要的。葉輪的返修往往從螺旋槳頂端和前緣開始,或者通過電子束焊接,全面更換單一的葉片。不管是采用哪種返修方法,在葉片表面上增加的材料都必須按照葉片原先的輪廓重新加工。采用適應性加工,如弦面修復、葉片前緣外形加工、螺旋槳表面加工,以及材料的復原加工都可以自動執行。此外,在不影響零件厚度和幾何形狀的情況下,要達到一定的混合加工精度是完全有可能的。這一點對于應力要求非常嚴格的渦輪機應用領域來說是非常重要的,因為葉片的厚度必須保持恒定不變。雖然采用手工作業可以生產出一個外形美觀的零件,但元件的幾何精度可能無法滿足規格要求。從掃描開始在加工前,采用接觸式探針掃描或激光掃描,可以讓適應性加工解決元件的塑性形變和磨損問題。與接觸式探針掃描法相比,激光掃描法的數據捕捉速度更快,可以大大降低掃描作業時間。當需要迅速而有效地掃描重建大型零件的表面時,如燃氣輪機元件的返修,采用激光掃描法更為合適。TTL公司的LDS-100型掃描系統采用激光數字化處理頭,安裝于機床的主軸上,同時還安裝了一個高速計算機接口卡。由這個裝置采集的數據經捕捉后直接輸入到服務器中的一個高速模擬-數字轉換器上。數據點可以單獨捕捉,也可以以100000點/s的流動速度連續采集,如轉換成數字化速度,相當于6m/min。激光支持來自客戶軟件的常規數據轉換、過濾和濾波。激光掃描可以處理±0.005mm的結果。機床的必要條件對于適應性加工應用領域而言,機床的CNC數控系統必須能夠提供一種開放式的結構,允許控制系統與服務器之間的雙向通信聯系。這種通信不只是具有上傳和下載功能。例如,適應性系統應該能夠通過機床來確定繁雜的刀具狀態,以及閱讀機床的誤差信息,并迅速做出反應。在采用拋光和磨削介質進行適應性拋光加工時,雙向通信聯絡也是非常必要的。要始終保持對實際砂輪尺寸的跟蹤是十分重要的,因為砂輪的磨損和修整會導致砂輪尺寸的變化。這一點可以通過工藝過程中的激光測量達到,而激光測量由服務計算機與CNC數控系統之間接口的低水平通信聯系控制。由于現在的計算機功能越來越高,計算的速度越來越快,從而可以非常迅速地處理大量的數據。因此,適應性加工所需要的復雜計算實際上可以實時完成。此外,最新的CNC數控系統可以提供必要的高速處理速度,即使在較高的進給速度下,也可以處理復雜的5軸加工數據。適應性軟件視窗適應性加工軟件可以提供一系列的數字化和加工策略,以適應各種加工應用領域和各種機床配置。通過對機床上新元件的調試設定及輸入所有相關的數字化和加工參數,幫助圖表和編程向導可以指導用戶使用操作。

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