Определение траектории перемещения заготовки и инструмента для пятикоординатной высокоскоростной обработки поверхностей лопатки компрессора

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРГ11 ТА МАШИНОБУДУВАНН1

УДК 621.452

Н. В. Сахнюк1, Ю. В. Грачев2, д-р техн. наук А. Я. Качан1

Национальный технический университет, 2ГП ЗМКБ «Ивченко-Прогресс»,

г. Запорожье

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗАГОТОВКИ И ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ПЯТИКООРДИНАТНОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА

Получены аналитические уравнения для определения траектории перемещения заготовки и инструмента при пятикоординатной обработке поверхностей лопаток высокоскоростным фрезерованием.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Формообразование сложнопрофильных поверхностей лопаток является одной из самых сложных проблем современного двигателестроения. Эту проблему можно решить методом спирального высокоскоростного фрезерования, в соответствии с которым профиль лопатки образуют путем многопроходного огибания фрезой с постоянным перемещением по ее высоте. При этом в процессе фрезерования осуществляется точечный контакт инструмента и обрабатываемой поверхности лопатки.

Основной особенностью многокоординатных фрезерных станков с ЧПУ, которые применяются для обработки сложных фасонных поверхностей, с образующими переменного вида, является автоматизация формообразующих движений по трем взаимно перпендикулярным направлениях, кроме этого осуществляется поворот инструмента вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, что позволяет ось инструмента устанавливать в оптимальное положение для конкретного случая обработки.

Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем

В работах [1-3] представлены особенности технологии обработки сложнопрофильных поверхностей деталей ГТД, где указано, что точность и качество обработки зависит от принятых математических моделей и разработки управляющих программ.

В работе [4] проанализированы вопросы создания пятикоординатной обработкой траектории режущего инструмента для обработки несущих поверхностей одиночных лопаток и моноколес авиационных ГТД. Рассмотрены также различные методы управления вектором фрезы и способы обработки, позволяющие более качественно определять траекторию.

В работе [5] рассмотрена методика определения закона движения заготовки и инструмента при трехкоор-динатной обработке фасонных поверхностей на станках с ЧПУ Однако в указанных работах не показана методика и не получены уравнения для определения траектории перемещения заготовки и инструмента при пятикоординатной высокоскоростной обработке, что сдерживает разработку управляющих программ для обрабатывающих центров при обработке сложнопро-фильных поверхностей лопаток компрессора.

Цель исследований - определение траектории перемещения заготовки и инструмента при обработке поверхностей лопатки компрессора высокоскоростным фрезерованием на 5-ти координатном обрабатывающем центре фирмы Starrag модели SX-05 1В/С.

Содержание и результаты исследования

При определении траектории перемещения заготовки и инструмента при обработке заданной фасонной поверхности - пера лопатки компрессора, выбирается форма и размер выходной инструментальной поверхности, т. е. выбирается режущий инструмент. Выбираем относительно простую выходную инструментальную поверхность, например в форме сферы. Определение траектории движения заготовки и инструмента основывается на том, что в процессе обработки выходная инструментальная поверхность должна касаться поверхности пера лопатки. В точках контакта нормали и касательные плоскости к поверхности лопатки и выходной инструментальной поверхности должны быть общими.

Считаем, что обработка ведется фрезой со сферической режущей частью. Фреза вращается вокруг своей оси и своими режущими кромками описывает выходную инструментальную поверхность в форме шара. Это движение кинематически не связано с другими движениями и производит к трению выходной инструментальной поверхности «самой по себе».

© Н. В. Сахнюк, Ю. В. Грачев, А. Я. Качан, 2007

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007

139

Поверхность лопатки описываем как сплайн NURBS поверхность. Это поверхность, форма которой описывается математическими выражениями -неоднородными рациональными сплайнами Безье (В-сплайнами). Используя функции NURBS поверхности, можем определить в любой точке касательные в U и V нормаль.

С деталью свяжем прямоугольную систему координат XJZd (рис. 1), где F - ось инструмента; B - точка контакта инструмента с деталью; A - точка пересечения оси инструмента со сферой инструмента - расчетная точка для формирования траектории движения инструмента.

Точка B (рис. 2) лежит на поверхности пера лопатки, которая создана на базе сетки кривых в U и V направлениях. В точке B нам известны вектора касательных в U и V направлениях и вектор нормали N к поверхности.

Координаты точки B - Xb, Yb, Zb Вектор U описывается - Iu, Ju, Ku Вектор V описывается - Iv, Jv, Kv Вектор N описывается - In, Jn, Kn.

F

Рис. 1. Положение инструмента относительно детали в системе координат детали

F

Рис. 2. Контакт инструмента с деталью

Положение фрезы задаем наклонами в U и V направлениях. Методом векторного преобразования находим положение оси инструмента в виде проекций единичного вектора в системе координат детали:

- на ось Xd - ^

- на ось Yd - Jf

- на ось Zd - К/.

Находим координаты центра инструмента О:

Xo = Xb + R • 1п

Yo = Yb + R • Jn

Zo = Zb + R • Кп.

Находим координаты расчетной точки инструмента А:

Xa = Xo + R • ^

Ya = Yo + R • (

Za = Zo + R • К/.

В результате первого этапа получаем координаты расчетной точки А на инструменте в системе координат детали Xa, Ya, Za.

Траектория движения инструмента в независимом от оборудования в формате СЬ БЛТЛ (инструмент движется, деталь неподвижна) выглядит следующим образом: GOTO/X, Y, Z, I, J, K.

Следующим шагом необходимо преобразовать проекции вектора-оси инструмента в углы поворотных столов станка, координаты расчетной точки А из системы координат детали в систему координат станка с компенсацией, возникших при поворотах столов приращений координат.

Рассмотрим схему станка (рис. 3). На оси Zm находится поворотный стол В. На поворотном столе В находится поворотный стол Л. Шпиндель перемещается в двух направлениях Xm и Ym.

Значения углов поворотных осей определяются из необходимости установки оси инструмента F параллельно оси шпинделя станка (рис. 4).

Первым находим значение угла поворота вокруг оси Xm (стол Б): Б = агС£ (/К).

Далее определяем значение угла поворота стола А: А = агсБш (I).

После двух поворотов система координат детали, деталь и ось инструмента занимают следующее положение относительно системы координат станка (рис. 5).

Поворотный стол А ось х

Рис. 3. Схема станка

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРПТ ТА МАШИНОБУДУВАНН1

Рис.4. Системы координат детали и система координат станка

Рис. 5. Положение системы координат детали относительно системы координат станка

Координаты расчетной точки инструмента А определяем по формулам:

Xm = Yd • cos

Ym = Zd • sin (A) - Xd •cos (A) Zm = (Zd • cos (A) + Xd • sin (A)) • cos (B) +Yd • sin (B).

Используя эти формулы преобразования, получаем управляющую программу, состоящую из блоков типа - G1X Y Z A B.

В результате расчетов получены значения углов поворотных осей и координаты расчетной точки инструмента. По этим формулам рассчитываются перемещения S1, S2 столов А и В, а также перемещения S S4, S5 инструмента относительно заготовки, которые обеспечивают обработку поверхности пера лопатки.

Траектории движения сферического инструмента

относительно поверхности пера лопатки могут быть разными. Фрезерование сложных фасонных поверхностей выполняется за несколько переходов с множеством проходов.

Параметрами управления траекторией перемещения заготовки и инструмента при 5-ти координатном высокоскоростном фрезеровании могут быть: геометрические параметры инструмента; углы наклона инструмента; расстояния между точками в направлении движения; расстояние между строками.

Перспективы дальнейших исследований

Дальнейшие исследования должны быть направлены на определение погрешности обработки, связанной с неточностью перемещений в соответствии с полученными зависимостями и оптимизации процесса с целью получения минимальной геометрической погрешности.

Выводы

Полученные аналитические выражения для определения траектории перемещения заготовки и инструмента позволяют разрабатывать управляющую программу при обработке несущих поверхностей лопатки компрессора высокоскоростным фрезерованием.

Перечень ссылок

1. Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Карась В.П. Формообразование сложнопрофильных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Газотурбинные технологии, 2003. - №5(26). - С. 18-21.

2. Зиличихис С.Д., Леонтьев В.А., Сахнюк Н.В. Влияние погрешностей настройки станка и приспособления на точность обработки при высокоскоростном фрезеровании // Вестник двигателестроения. - 2004. - № 3. -С. 25-27.

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.

4. Петров С. А., Карась Г. П., Мозговой С. В., Качан А. Я. Определение траектории режущего инструмента для пятикоординатной высокоскоростной обработки несущих поверхностей лопаток и моноколес авиационных ГТД на станках с ЧПУ // Вестник двигателе строения. -2006.- №4 - С. 67-72.

5. Равська Н.С., Родш П.Р., Нжолаенко Т.П., Мельничук П.П. Основи формоутворення поверхонь при ме-хашчнш обробщ: Навчальний поабник для студента спещальностей 7.090202 «Технолопя машинобудуван-ня», 7.090203 «Металорiзальнi верстати та системи», 7.090204 «1нструментальне виробництво». - Житомир: ЖГП, 2000. - 332 с.

Одержано 06.06.2007

Отриман аналтичн рiвняння для визначення траектори перемщення заготовки та тструменту при п 'ятикоординатнш обробцi поверхонь лопаток високошвидкiснiм фрезеруванням.

The analytical equations for definition of bar moving pathway and tool are obtained atfive-coordinate processing of blades surfaces using high-velocity milling.

ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудуванш №2, 2007 141