Σχεδιασμός της κατεργασίας πτερωτών ακτινικών συμπιεστών σε κέντρα κατεργασιών CNC 4 αξόνων με τη βοήθεια λογισμικού CAM

Abstract

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία ασχολείται με την κοπή πτερωτής ακτινικού (φυγοκεντρικού) συμπιεστή σε Κέντρο Κατεργασιών CNC τεσσάρων αξόνων με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού CAD/CAM (Dassault SolidWorks & SolidCAM). Η πτερωτή αποτελεί ένα από τα τρία κύρια μέρη των ακτινικών συμπιεστών που χρησιμοποιούνται για τη συμπίεση και μεταφορά ρευστού υπό υψηλή ταχύτητα, πίεση και θερμοκρασία και περιστρέφεται με μεγάλες ταχύτητες. Σκοπός των συμπιεστών είναι η αύξηση της πίεσης του ρευστού με την πρόσδοση κινητικής ενέργειας/ταχύτητας σε μια συνεχή ροή ρευστού μέσω της πτερωτής. Η κινητική ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε αύξηση της δυναμικής ενέργειας/στατικής πίεσης με επιβράδυνση της ροής μέσω ενός διαχύτη. Τα τελευταία χρόνια αρκετά συστήματα CAD/CAM έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες κατασκευαστικές εφαρμογές. Η αυξανόμενη και βελτιωμένη διαθεσιμότητα πανίσχυρων λογισμικών CAD/CAM παρέχει εξαιρετική ικανότητα μοντελοποίησης επιφανειών, καθιστώντας δυνατή την κατασκευή μεγάλης ποικιλίας εξαρτημάτων συμπεριλαμβανομένων αυτών για αεροπλάνα, πλοία και αυτοκίνητα. Επιφάνειες περίπλοκης μορφής συχνά κατασκευάζονται με τη χρήση 5-αξονικών εργαλειομηχανών. Η ικανότητα κατεργασίας των 5-αξονικών εργαλειομηχανών είναι πολύ καλύτερη από αυτή των παραδοσιακών 3-αξονικών η 4-αξονικών εργαλειομηχανών. Για αυτό το λόγο προτιμώνται συνήθως για την κατασκευή τεμαχίων με επιφάνειες περίπλοκων χαρακτηριστικών, όπως είναι οι πτερωτές φυγοκεντρικών συμπιεστών. Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια να ανακαλυφθούν τα όρια στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μιας πτερωτής μέσα στα οποία μπορεί αυτή να κατασκευαστεί με τη χρήση εργαλειομηχανής τεσσάρων αξόνων συντεταγμένων. Βασικό περιορισμό κάτω από τον οποίο τελέστηκε η μελέτη αποτελεί η έλλειψη αρκετής ελευθερίας κίνησης του κοπτικού εργαλείου ώστε να επιτύχει την επιθυμητή γεωμετρία των πτερυγίων της πτερωτής. Αναπτύχθηκε μεθοδολογία για τη σχεδίαση και την δημιουργία κατεργασίας για διάφορα μοντέλα πτερωτής βαθμιαία αυξανόμενης πολυπλοκότητας της γεωμετρίας με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού CAD/CAM. Στη συνέχεια επιλέχθηκε η πολυπλοκότερη γεωμετρία πτερωτής για κοπή στο κέντρο κατεργασιών OKUMA του μηχανουργικού εργαστηρίου της Σχολής και τέλος επιχειρήθηκε γενίκευση της γεωμετρίας της πτερωτής με το μετασχηματισμό του G κώδικα ώστε να ταιριάξει στο κλιμακοποιημένο μοντέλο.

This study deals with the machining of a centrifugal (radial) impeller on a four-Axis CNC Machining Center by using appropriate CAD/CAM software (Dassault SolidWorks & SolidCAM). Impeller is one of the three basic parts of centrifugal compressors that are used to compress and transfer a fluid by high speed rotation under high velocity, pressure and temperature. Compressor achieves a pressure rise by adding kinetic energy/velocity to a continuous flow of fluid through the rotor or impeller. This kinetic energy is then converted to an increase in potential energy/static pressure by slowing the flow through a diffuser. In recent years, many CAD/CAM systems have been used in various manufacturing applications. The increasing and improving availability of powerful CAD/CAM software provides excellent surface modeling ability, making it possible to manufacture a wide range of components, including those for aero planes, mold cavities, ship bodies and cars. Complex shaped surfaces are often machined using a five-axis machine tool. The machining ability of a five-axis machine tool is much better than that of the traditional three or four-axis machine tool. Therefore, five-axis machine tools are usually adopted for the machining of a component with complicated surface features, such as a centrifugal impeller. In this study, is presented an attempt to discover the limits of geometric features of an impeller within which it can be manufactured with the use of a four-axis machine tool. Basic limitation under which the study was performed is the lack of sufficient tool motion freedom to achieve the desired shape of the impeller blades. Methodology was developed for designing and machining of various impeller models with gradually increasing complicity of geometry by using suitable CAD/CAM software. Then, the most complex geometry was chosen for machining in the OKUMA Machining Centre of the Machining Laboratory of the University and in the end, and it was attempted to generalize the geometry of the impeller by transforming the G-code so that it matches the scaled model.