Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt zunächst kurz die Grundlagen von Vier-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen und die Formmerkmale zweier Schaufeltypen. Anschließend werden die Funktion und die Grenzen der Schaufelfußbearbeitung im Fräsmodul der UG-Software erläutert. Abschließend werden die Probleme bei der Schaufelfußbearbeitung durch Parameteranpassung gelöst. 1 Einleitung Die Schaufel wird auf einer Vier-Achs-CNC-Werkzeugmaschine bearbeitet. Die Schaufelform erfüllt die Bearbeitungsanforderungen, jedoch reicht die Wurzelbearbeitungsfunktion der UG-Software nicht aus, um die Anforderungen zu erfüllen. Daher ist eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich. 2 Einspannverfahren der Vier-Achs-Werkzeugmaschine und Schaufel 2.1 Maschinenbedingungen Die Vier-Achs-CNC-Werkzeugmaschine ist eine relativ wirtschaftliche Lösung für die Bearbeitung gekrümmter Schaufeloberflächen. Sie kann jedoch die räumlich gekrümmte Oberfläche der Schaufelfußverbindungsfläche nicht bearbeiten. Die Vier-Achs-Werkzeugmaschine verfügt lediglich über die Achsen X, Y, Z und A, jedoch nicht über eine C-Achse, und die Spindel ist nicht drehbar. 2.2 Schaufelklemmverfahren Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird die Schaufel durch die Unterseite des Zapfens, die Rückseite und die Kappenfläche positioniert und die Schaufelspitze durch den Mittelpunkt geklemmt. Die Schaufelform verläuft senkrecht zur Spindelrichtung (Z-Achse), daher muss die Schaufelwurzel-Anschlussfläche mit der Seitenkante des Werkzeugs bearbeitet werden. Bei diesem Klemmverfahren können mit einer Vier-Achs-Werkzeugmaschine, deren Spindel nicht rotieren kann, keine räumlich gekrümmten Oberflächen bearbeitet werden. Abbildung 1: Schaufelklemmung 3: Zustand der Schaufelwurzel Es gibt im Allgemeinen zwei Schaufeltypen, die eine Wurzelbearbeitung erfordern: Dampfturbinenschaufeln und Verdichterschaufeln. 3.1 Dampfturbinenschaufeln Dampfturbinenschaufeln weisen einen großen Profilverwindungswinkel sowie eine starke Krümmung an Schaufelkopf und -rückseite auf. Die Schaufelwurzelverbindung ist in der Regel eine geneigte Ebene, wie beispielsweise bei der dritten Stufe von Dongfang Electric und der elften Stufe von Nanjing Electric. Es gibt auch Bauteile mit konischen Flächenverbindungen, wie beispielsweise bei den Schaufeln der dritten und vierten Stufe von Shanghai Electric. 3.2 Verdichterschaufeln Verdichterschaufeln sind Statorschaufeln mit kleinen Wurzelverdrehwinkeln, minimaler Änderung des Verdrehwinkels zwischen Wurzel und Spitze sowie einem sanft abfallenden Schaufelprofil. Die Krümmung der Schaufelfläche und -rückseite ist gering, und die Wurzelverbindung bildet eine Kegelfläche. Die Rotationsachse liegt oberhalb des Schaufelprofils, was zu einer tieferen Mitte und höheren Flanken der Verbindungsfläche führt. Ein anderer Typ ist die Rotorschaufel mit größeren Wurzelverdrehwinkeln, einem größeren Verdrehwinkel zwischen Wurzel und Spitze und einem stärker verdrehten Schaufelprofil. Die Krümmung der Schaufelfläche und -rückseite ist gering, und die Wurzelverbindung bildet ebenfalls eine Kegelfläche. Die Rotationsachse liegt jedoch unterhalb des Schaufelzapfens, was zu einer höheren Mitte und niedrigeren Flanken der Verbindungsfläche führt. 4. Funktion und Grenzen der Schaufelwurzelreinigung in der UG-Software Die UG-Software ist eine leistungsstarke Software, die CAD/CAM/CAE integriert, aber letztendlich eine Allzwecksoftware mit Einschränkungen und Schwächen. Um die Anforderungen der Schaufelbearbeitung zu erfüllen, kann dies durch eine Modifizierung des Programms erreicht werden. Die Wurzelreinigung erfolgt mithilfe der Bearbeitungsmethoden mit variabler oder fester Kontur im Bearbeitungsmodul der Software. 4.1 Mehrachsiges Fräsen: Das mehrachsige Fräsen eignet sich für die beiden zuvor beschriebenen Kompressorschaufeltypen. Für die Programmierung muss jedoch das Wurzelprofil des Bauteils neu erstellt werden. Dazu wird die Schaufelwurzelfläche in Richtung des Schaufelprofils um drei bis vier Flächen äquidistant versetzt. Die Schnittlinien mit dem Schaufelprofil werden mithilfe der Funktion „Durchlaufkurven“ der Fläche zu einer Fläche verbunden. Diese Fläche geht vom Schaufelprofil aus und muss mit diesem übereinstimmen, um als Geometrie für die Wurzelreinigung zu dienen. Vorgehensweise: Öffnen Sie das Modul für das mehrachsige Fräsen, wählen Sie den Bearbeitungsmodus „Flächenbearbeitung“, klicken Sie auf die neu erstellte Bearbeitungsfläche und wählen Sie Bearbeitungsrichtung, Neigungswinkel (Richtung und Größe), Bearbeitungsgenauigkeit und Anzahl der Umdrehungen. 4.2 Festachsiges Fräsen: Das festachsige Fräsen eignet sich für die zuvor beschriebenen Turbinenschaufeln. Es verwendet die Konturbearbeitung, wobei Schaufelkopf und Schaufelrückseite separat auf einer Seite bearbeitet werden. Daher müssen Begrenzungslinien erstellt werden, deren Form und Größe parallel zum Konturverlauf des Schaufelprofils verlaufen. Außerdem muss das Schneidwerkzeug während der Bearbeitung über die Werkstückoberfläche hinausragen können. Arbeitsablauf: Rufen Sie das Modul für das Fräsen mit fester Achse auf, wählen Sie den Begrenzungsantriebsmodus und klicken Sie nacheinander auf die Begrenzungskurve, um einen geschlossenen Begrenzungsrahmen zu erstellen. Wählen Sie den Parallellinienmodus, die Schrittweite, den Winkel und die Projektionsrichtung und anschließend die Schaufelform als Bearbeitungsgeometrie. Dadurch wird ein Werkzeugwegprogramm generiert. Bei großen Verbindungsflächen können die durch sukzessive Änderung der Bearbeitungszugabe generierten Werkzeugwegprogramme zu einem Bearbeitungsprogramm verknüpft werden, um ein schichtweises Abtragen zu erreichen. 4.3 Bearbeitungseffekt und Defekte: Da die Wurzel als Bearbeitungsbezugspunkt dient, ist die Zugabe in der Regel groß. Daher ist es nicht möglich, die Wurzelbearbeitung mit nur einem Werkzeug abzuschließen. Es ist notwendig, eine Schrupp- und eine Vorschlichtbearbeitung der Wurzel zu berücksichtigen, d. h. die Zugaben mehrerer Programme müssen konsistent sein und die Werkzeugweglinien müssen verbunden sein. Der Radius des letzten Wurzelreinigungswerkzeugs sollte dem Wurzelradius und den Abmessungen in der Zeichnung entsprechen. Die Höhe der durch das Festachsen-Fräsprogramm bearbeiteten Schaufelanschlussfläche erfüllt im Allgemeinen die Anforderungen der Prozessspezifikation. Der Oberflächenunterschied am Übergang zwischen Becken- und Rückwerkzeugweg ist jedoch groß, was den nachfolgenden Polierprozess erschwert. Das vom Fräsen mit variabler Achse generierte Werkzeugwegprogramm verwendet eine zweidimensionale Werkzeugdarstellung, um Überbearbeitungen anzuzeigen. Im Allgemeinen liegt bei einem achtförmigen Werkzeugweg einige Position bei Überbearbeitung noch weit von der gekrümmten Oberfläche entfernt. Der höchste Punkt der Wurzel des gefrästen Teils liegt noch 2–3 mm vom Endmaß entfernt und erfüllt somit die Bearbeitungsanforderungen nicht. Je größer das Werkzeug, desto größer ist zudem der Fehlerwert. 5. Lösung: Nach umfangreichen Untersuchungen wurde eine praktikablere Verbesserungsmethode für die Wurzelreinigung verschiedener Schaufeln entwickelt, sodass das Vierachsen-Wurzelreinigungsgut bestmöglich den Anforderungen der Prozessspezifikation entspricht. Im Folgenden werden einige Klassifizierungen des verbesserten Programms vorgestellt. Alle Verfahren werden mit der UG-Software und der Simulationssoftware Vericut durchgeführt. (1) Bei Kompressorstatorschaufeln kann aufgrund der relativ geraden Schaufelform der Wert von X in der *.cls-Werkzeugwegdatei direkt angepasst werden, um ein Überschneiden des Werkzeugwegs zu vermeiden und die Bearbeitungsanforderungen zu erfüllen. Abbildung 2: Simulation des Schaufelüberschneidens. (2) Bei Kompressorrotorschaufeln ist die Schaufelform relativ verdrillt. Eine alleinige Änderung des Wertes von X in der Werkzeugwegdatei führt zwar zu einer Absenkung des Schaufelfußes, aber gleichzeitig zu einem Überschneiden der Schaufelform. Daher reicht es nicht aus, nur den Wert von X zu ändern; die Werte von Y, Z, I, J und K müssen ebenfalls angepasst werden. Dies bedeutet, dass das Programm, das zu Überschneiden führt, durch ein Programm ersetzt werden muss, das kein Überschneiden verursacht. Der Wert von X (Absolutwert) sollte größer sein, während die Werte von Y, Z, I, J und K ähnlich sein und dem vertikalen Verlauf entsprechen sollten. Das Überschneiden kann an derselben Position im vorherigen Zyklus oder in einem anderen Programm auftreten, sofern der Unterschied zwischen den vorhergehenden und nachfolgenden Schritten nicht zu groß ist. Große Werkzeugwechsel können aufgrund der plötzlichen Erhöhung der Schnitttiefe zu Werkzeugbruch bei der Bearbeitung führen. Im Folgenden wird die Methode zur Modifizierung des Programms für die Wurzelbearbeitung mit einem φ10-Kugelkopffräser auf einer 117E3547 beschrieben. Ohne Modifizierung wird, wie in Abbildung 2 dargestellt, während der Simulation Überschneiden erkannt. Das zugehörige Programm ist in * zu finden. Suchen Sie den folgenden Codeabschnitt in der .cls-Datei: GOTO/-4.6887, 57.5805, 0.7579656, 0.6522945 GOTO/-4.6094, 61.7648, GOTO/-4.6509, 76.2829, -9.0689, 0.0000000, 0.9715582, 0.2368009 Nach der Kombination von Simulations- und Benutzerführungssoftware wurde der gesamte Code durch einen Code ersetzt, bei dem der X-Wert anstieg, der Y-Wert jedoch annähernd gleich blieb. Der endgültige, modifizierte Code lautet: GOTO/-4.7033, 57.5793, -1.4600, 0.0000000, 0.7579389, 0.6523255 GOTO/-4.7076, 61.7631, -3.3113, 0.0000000, 0.7677878, 0.6407042 GOTO/-4.7481, 76.2821, -9.0410, 0.0000000, 0.9713565, 0.2376270 6. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Obwohl das mit den oben genannten Methoden erzielte modifizierte Programm noch nicht die Realität eines Fünf-Achs-Koordinatensystems erreicht, hat es die Schnittzugabe minimiert, die Häufigkeit von Werkzeugbrüchen reduziert und die Arbeitsbelastung der Polierer verringert. Die Fräsfunktion des Vier-Achs-Koordinatensystems wird genutzt. Darüber hinaus kann das Programm nach der Kompilierung ohne weitere Änderungen wiederholt verwendet werden, wodurch eine einmalige Lösung entsteht.