Проектирование турбинной лопатки в современной CAM системе (на примере ADEM САМ) / Журнал «Промышленные страницы Сибири» (№156 январь 2021 год) / Единый промышленный портал Сибири

Традиционный подход к обработке турбинных лопаток заключается в следующем: непрерывная обработка по спирали пера лопатки и после этого доработка замковой части. Но этот подход имеет ряд недостатков.

Во-первых, он требует использования сферического инструмента, так как стандартный концевой инструмент будет «нахлопываться» торцом на припуск при переходе с поверхности корыта на поверхность горба, что приведет к поломке.
Во-вторых, на радиусах скругления будет грубая огранка даже при жёсткой аппроксимации. Причём чем больше кривизна пера, тем более существенными будут дефекты. Кроме того, из-за очень коротких перемещений в кадрах значительно падает реальная подача, что приведёт к ускорению износа («засаливанию») инструмента.

Для получения качественных поверхностей в ADEM присутствует возможность разделять зоны обработки и использовать для каждой зоны оптимальный инструмент (рис. 1).

Обработку поверхностей корыта и радиусов скругления необходимо производить сферическим инструментом с максимально возможным боковым упреждением продольными проходами. Это позволяет:

исключить обработку с нулевой скоростью резания;
увеличить длину перемещений в кадре;
обработать радиус скругления с точностью станка.

Обработку горба пера нужно производить концевой фрезой с радиусом на торце поперечными проходами с минимальным, но отличным от нуля продольным угловым упреждением. Это позволяет получить практически зеркальную поверхность.

В модуле САD создают модель лопатки. Это её выпуклая и вогнутая часть, которые условно называют «горб» и «корыто», и два хвостовика лопатки (рис. 2).

Процесс черновой (предварительной) и чистовой обработки может быть выполнен в рамках одной операции, но в нашем случае для удобства моделирования он выполнен в двух операциях:

спиральная черновая обработка в 4-х координатах с наклоном инструмента;
чистовая обработка поочерёдно выпуклой и вогнутой части лопасти.

Предварительная обработка хвостовика (обработка части, смежной с основной). Эта группа переходов содержит позиционное и предварительное пятикоординатное фрезерование.

Черновая обработка лопасти. Последний тип фрезерования выполняют в пяти координатах с припуском с каждой стороны лопатки (сторона корыта и сторона горба),

Задав параметры фрезерования (конструктивный элемент, инструмент, схему обработки, режимы резания), выполним расчёт траектории движения для первой операции черновой обработки и до передачи УП на станок сможем посмотреть, каким образом будет выглядеть процесс обработки (последовательное моделирование заданных переходов) непосредственно на станке (рис. 4).

Предварительно отформованную заготовку закрепляют в приспособлениях с двух сторон. Такой способ позволяет избежать консольного способа установки, повысить жёсткость всей системы и, соответственно, упростить процесс обработки лопатки (рис. 5).

На первом этапе идет плоская позиционная обработка с поворотом лопатки вдоль оси вращения шпинделей. Снимают большое количество материала для того, чтобы приблизиться к теоретическому профилю лопатки. На каждом переходе остается припуск под чистовую схему.

Далее следует подготовка к обработке непосредственно самой поверхности лопатки в части корыта. За несколько проходов снимают объём припуска, который задан в технологическом объекте маршрута обработки. Инструмент выполняет плоские перемещения с учётом припуска на номинальную поверхность лопатки (рис. 8).

Следующая группа переходов — непрерывная 5-ти координатная обработка замковой части лопатки с левого и правого концов (рис. 9).

Далее происходит черновая пятикоординатная обработка «горба» лопатки с припуском для последующего снятия материала начисто инструментом меньшего диаметра. Здесь же используют концевую фрезу с радиусом скругления. Обработка ведётся с углом опережения, чтобы избежать затирания материала центром фрезы, где скорость резания приближается к нулю. Инструмент «опрокидывается» вперёд на заданный угол, чтобы избежать нежелательных перемещений, а обработка идёт передней кромкой инструмента (рис. 10).

Инструментом меньшего диаметра (сферической фрезой диаметром 5 мм) начерно обрабатывается часть замка лопатки (выбирается материал, который остался на поверхностях перехода замковой части и лопасти, чтобы максимально её разгрузить). Ось инструмента перпендикулярна оси вращения лопатки. В областях соприкосновения поверхности сопряжения с замком происходит обработка боковой стенкой инструмента (рис. 11).

Сначала снимают материал со стороны вогнутой части, где его наибольшее количество. Затем — со стороны выпуклой части, где материала осталось меньше.

Далее обрабатывают непосредственно саму лопасть по схеме «Спираль». Часто этот способ используют для изготовления такого типа деталей по причине его простого задания. Инструмент в зависимости от профиля лопатки изменяет своё положение по оси. Лопатка, закреплённая в шпинделе и контршпинделе, вращается вокруг своей оси.

В данном примере используют обработку лопатки по схеме «Спираль» лишь в качестве вспомогательного инструментария, так как эта схема имеет свои недостатки. Можно видеть, что при переходе с корыта на горб лопатки идёт очень большой перегиб по углу. Соответственно, в местах перегиба образуется ломаная поверхность. Даже если мы максимально аппроксимируем траекторию обработки и установим минимальный шаг, тем не менее за счёт изменения угла и малых линейных перемещений на радиусной части перехода одной поверхности в другую мы получим поверхность, требующую чистовой обработки.

На этом этапе ведётся обработка сферическим инструментом (фрезой диаметром 8 мм) с небольшим углом опережения. Лопатку обрабатывают по всей длине поверхности до областей сопряжения с замком (рис. 12).

Таким образом, в первой программной операции инструментом большого диаметра с высокой жёсткостью был обеспечен предварительный съём материала, а на последующих переходах сферическими фрезами меньших диаметров — могокоординатная черновая обработка с заданным припуском на все указанные поверхности, с учётом приспособлений и деталей станка.

Результат работы может быть сохранен как «полуфабрикат» для последующего моделирования получистовой и чистовой обработки в последующих операциях.

Чистовая обработка концевой скруглённой фрезой областей сопряжения замковой части со стороны «горба» лопатки и непосредственно выпуклой поверхности лопатки (рис. 13).

Нужно отметить, что в отличие от черновой обработки сферическим инструментом по схеме «Спираль» на этих переходах мы используем концевую фрезу со скруглением, что позволяет снимать больший слой материала за проход. А разбивая обработку на отдельные зоны, мы добиваемся более высоких скоростей при перемещениях инструмента за счёт того, что на этом этапе нет необходимости обходить скругления на ребрах лопатки.

Такая схема позволяет использовать максимальные скорости, избегая поперечных перемещений малой длины со значительным перегибом по углу, которые не дают станку разогнаться до оптимальных параметров.

Обработка радиусных частей лопатки (радиуса перехода от выпуклой части к вогнутой и поверхностей между лопастью лопатки и замковой частью).

Доработка этих участков ведётся продольными проходами сферическим инструментом в первом случае и поперечными переходами во втором. Съём материала, который остался после предварительной обработки, в этом случае идёт на небольшие глубины (рис. 14).

Обработка замковой части представляет собой несложное позиционное фрезерование, где инструмент совершает плоские перемещения с учётом дискретного поворота лопатки вокруг оси вращения.

Таким образом, при обработке деталей с такой разнообразной геометрией выделяются отдельные зоны, на которых используют различные схемы фрезерования. На финальных чистовых проходах вогнутая часть обрабатывается сферическим инструментом поперечными перемещениями. Выгнутая часть — аналогичным способом, но концевой фрезой со скруглениями. Области перехода получаются технологически радиусом инструмента, который соответствует номинальной геометрии лопатки (рис. 15).

После завершения моделирования перейдём в более детальный режим отображения полученного результата, который является твёрдотельной моделью. Его можно сравнить с номинальной моделью, полученной от конструктора, оценить качество поверхностей.

Таким образом, мы рассмотрели одну из наиболее сложных задач современного производства — фрезерную обработку лопаток на центрах с ЧПУ от чернового и предварительного фрезерования до получения чистовых перемещений. А предложенная методика используется на большом спектре моделей новейшего оборудования и отвечает самым высоким требованиям современных технологий.

Текст: Алексей Сальников, Андрей Аввакумов, Константин Карабчеев.