王 榜，楊 勇，黃悅峰，張啟鵬，朱婉瑩

（1.廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室，廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530000；2.四川中車玉柴發(fā)動機股份有限公司技術中心工藝組，四川 資陽641301）

汽輪機風葉葉片的工作條件復雜，葉片的加工質量直接影響到機組的運行效率和可靠性，而葉片的質量和壽命與葉片的加工方式有著密切的關系。因此，葉片的加工方法對汽輪機的工作質量及生產(chǎn)經(jīng)濟性有很大的影響。針對實際生產(chǎn)風葉葉片的數(shù)控加工問題，利用CAD/CAM軟件Mastercam對其進行了多軸聯(lián)動數(shù)控加工程序的編制，完成了風葉葉片多軸加工工藝路徑規(guī)劃和汽輪機風葉葉片四坐標數(shù)控加工動態(tài)仿真，實現(xiàn)了汽輪機葉片的虛擬加工，通過對仿真結果的分析，對數(shù)控加工程序及工藝進行優(yōu)化，為風葉葉片的加工提供了一種可行性的加工方案[1]。

1　汽輪機風葉結構特征

汽輪機葉片按照功能不同可分為動葉片（如圖1）和靜葉片兩種。動葉片的結構一般由葉型、葉冠和葉根三部分組成。

圖1　動葉片

（1）葉型：葉型是葉片的工作部分，又稱葉身型面，葉型結構復雜，多為扭轉自由曲面。葉片與葉片之間的葉型部分構成了氣流通道，當蒸汽流過時，動能便轉化為了機械能。從圖1可看出，葉身型面可分為內(nèi)弧、背弧、進汽邊、出汽邊、葉根、葉冠等。

（2）葉冠：葉片外端的固定部分稱之為葉頂（葉冠）。葉頂部分通常裝有圍帶，將汽輪機的短葉片和中長部分連成葉片組，而長葉片在葉片中部用拉筋連接成組。

（3）葉根：葉片通過葉根固定在葉輪或者轉鼓上。葉根的作用是緊固動葉片，它需要保證在任何運行條件下葉片都應連接牢固。

本文研究對象是大型汽輪發(fā)電機組轉子的葉片、毛坯為鍛造鋁合金LD10，零件圖如圖2所示。

圖2　某汽輪機葉片零件圖

2　風葉數(shù)字模型建立

由UG/CAD建立風葉的數(shù)字模型可以分為兩部分：葉片曲面和基座?；怯善胀ㄆ矫鏄嫵桑刹捎美旎蚣羟忻顏硗瓿稍煨?。對于葉片的描述只有離散的數(shù)據(jù)點，不具備曲線方程，為此應用自由曲線曲面造型技術進行葉輪的幾何造型[2]。

2.1　風葉葉片曲面的創(chuàng)建

根據(jù)葉片的坐標圖（如圖2）以及給定的坐標值（如表1所示）畫出葉片的G-G截面。利用UG/CAD模塊下的曲線-樣條曲線命令，可得葉片的G-G封閉截面圖。

表1　葉片輪廓坐標

當所有截面樣條曲線都繪制完畢后，在UG/CAD模塊下選擇自由形式特征依次選擇構造的樣條曲線，這樣即可形成葉片曲面的基本形狀（如圖3），通過對葉片曲面的進一步處理，利用偏置表面命令，可以完成葉片的造型（如圖4）[3]。

圖3　葉片曲面基本形狀

圖4　葉片造型

2.2　葉根R圓弧面的創(chuàng)建

葉根R面為葉片與葉柄圓弧面的相切面，且圖紙標注圓角為R12.5 mm，葉片與葉柄的實體模型可以看出有陡峭邊緣，在此先做出葉片曲面在葉柄面上向外偏置距離為12.5 mm的曲面，再在UG模型中選擇“面圓角命令”，畫出葉根R圓弧面。最終，整個風葉的三維加工模型如圖5.

圖5　風葉模型

3　多軸加工工藝規(guī)劃

3.1　風葉數(shù)控加工參數(shù)的選擇

（1）數(shù)控機床的選擇

由于風葉的三軸數(shù)控加工方式是通過對粗加工后的葉片外形進行兩次裝夾，存在兩次裝夾誤差，而且對汽道型面的拋光質量也很難保證。綜合考慮加工精度和成本的條件下，選擇四軸臥式加工中心DMC60H來完成葉片的數(shù)控加工。

（2）加工階段的劃分

汽輪機風葉的數(shù)控加工主要包括葉根、葉片、葉頂?shù)你娤骷叭~柄圓弧槽等。本課題將風葉的整個數(shù)控加工階段分為在同一工裝上完成的兩道工序：工序一為葉柄圓弧槽的加工；工序二為葉片、葉頂、葉根、葉柄基座圓弧面的加工，同時工序二的加工又分為粗銑、半精銑和精銑。

（3）工裝夾具的選用

風葉工件與夾具的定位方式采用普遍使用的一面兩銷的定位方式：一圓柱銷與一菱形銷分別定位工件上的兩孔，定位面為B面。由于零件的加工坐標系為機床旋轉臺的中心，所以工裝在機床上的定位為：一是旋心孔的定位芯軸；二是工裝的底平面與機床工作臺面；三是拉直工件與工裝的定位平面。為了盡量減小切削時刀具的懸伸長度，應將工件的中心盡量置于旋轉工作臺的旋心。

3.2　風葉葉片的加工路徑規(guī)劃

（1）葉片的粗加工路徑規(guī)劃

葉型曲面的多軸加工常用兩種加工方案：1）葉片只作微小轉動加工即刀具沿著葉片軸線方向來回擺動加工；這樣加工近似沿斜線加工，所以切削效率較高，且機床的圓轉臺轉動不頻繁；2）葉片回轉加工即刀具沿截面型線繞圈進行加工。加工時工件葉片隨著圓轉臺回轉，刀具沿工件葉片截面型線切削一周，縱向進刀后再切削下一周。粗加工時采用方案2）且螺旋型進刀（螺旋式走刀的特點是切削路徑是一段整體光順的路徑，不分切削行，只有一次進刀與退刀路徑，刀具路徑能保持連續(xù)），使刀具從上往下沿葉片繞一圈一層（即行距）均勻、逐漸切削。這種加工路徑行距均勻，切削就比較穩(wěn)定。其步進方向為葉片型線的扭曲方向，所以不能太大。

結合工件材質以及加工成本考慮，粗加工時刀具選擇普通高速鋼，切削時的轉速設定為800 r/min.為了提高葉片加工的生產(chǎn)效率，刀具采用平底立銑刀，在加工時盡量采用大的切削量和大的走刀行距[4]。

（2）葉片的半精加工與精加工路徑規(guī)劃

由于精加工要求得到好的表面加工質量以及較高精度的曲面形狀誤差，所以需提高各誤差加工精度值，縮小殘脊高度值。用平底刀銑削葉片時的刀中心點計算非常復雜，因此葉片精加工時采用R12.5 mm硬質合金球頭銑刀（結合葉根的圓角來考慮），此時切削轉速設定為1 500 r/min.路徑采用上述葉型曲面多軸加工方案（1），此路徑符合葉片的受力方向，即這樣加工的刀軌跡也是與風葉工作的氣流方向一致。選擇這種加工路徑可以增加葉片的強度和剛度，改善使用性能，也能從一定程度上減少機床轉臺的磨損和延長了機床的使用壽命。

（3）葉根與葉柄圓弧面加工路徑規(guī)劃

從整個風葉葉片加工分析中可以發(fā)現(xiàn)加工葉根R時不能破壞葉柄基座圓弧面，并且加工葉柄基座圓弧面時也不能破壞葉根R面。由于葉片、葉根、葉柄需在同一工序，至少是同一安裝定位下加工完成。采取的是同時加工葉根R與葉柄基座圓弧面。擬其粗、精加工路徑均為三軸加工中的投影加工：葉根中心線投影至葉片曲面進行加工。

4　風葉葉片的虛擬加工

采用Mastercam軟件對風葉葉片進行了多軸聯(lián)動數(shù)控加工程序的編制，整個過程即是調用軟件的CAM數(shù)控編程模板，確定加工參數(shù)，生成刀具軌跡[2]。

4.1　葉片的粗銑

在“切削的樣板”選擇葉片曲面后，設置刀具的補正方向、切削方向、步進方向、起始進刀方向。刀具軸線的控制采用樣板曲面，選擇“補正至曲面”選項，且將切削的樣板補正至新選的加工面。干涉面選取葉根R以及葉柄基座的圓弧面。設置加工選項后，然后進入刀具選項參數(shù)設置，進行模擬仿真，粗加工葉片的刀具路徑模擬畫面如圖6.

圖6　葉片外形粗加工刀具路徑模擬圖

4.2　葉根R面與基座圓弧面的粗精加工

由于模型加工是利用三軸曲面加工路徑投影加工來完成的，故先完成2D加工的參數(shù)設置，依次設置刀具參數(shù)、切削次數(shù)、走刀量、轉速等。然后進行三軸曲面投影加工路徑選擇，加長了進退刀的引線長度，即是刀具從外圍切入，切出后從葉片的外圍退出；其投影方式是基于前面的外形（2D）的NCI上。完成上述參數(shù)設置后，可以形成葉根R面與基座圓弧面加工的走刀軌跡圖，如圖7.

圖7　葉根R面與基座圓弧面加工軌跡

4.3　葉片的半精加工與精加工

葉片的半精加工與精加工仍然采用流線加工方式進行，曲面流線設置里面將補正方向設置成葉片長方向，如圖8.刀具采用的是球頭銑刀，將校刀長位置改為球心而不是刀尖，主軸轉速、進給率以及切削余量均需進行更改。半精加工與精加工要求較小的殘脊高度值，切削方式改為雙向。葉根R精加工仍然采用三軸投影加工方式，同樣需提高各誤差精度值。

圖8　精加工葉片刀軌示意圖

5　風葉葉片的數(shù)控仿真

5.1　風葉葉片的數(shù)控加工仿真

采用VERICUT仿真軟件構建的數(shù)控加工仿真環(huán)境，經(jīng)過仿真后的NC程序不用試切削即可直接輸入對應的數(shù)控機床進行實際加工，這樣就大大的降低了試切削風險，節(jié)省了試切削時間，同時還提高了產(chǎn)品加工的安全性。

根據(jù)確定的葉片加工的工藝規(guī)劃和機床參數(shù)，對虛擬數(shù)控機床進行建模，分別對機床、工件、碰撞檢測、機床行程極限、軸優(yōu)先權、機床零點、工件零點、刀具等進行設置。參數(shù)設置完成后，將機床夾具、毛坯導入仿真樹型目錄下后即可進行葉片的加工仿真。按零件實際加工進行仿真：加工葉片頂端部—粗加工葉片—粗加工葉根—半精加工葉片—半精加工葉根—精加工葉片—精加工葉根。

5.2　風葉葉片的仿真結果分析

整個風葉仿真加工完成后的模型如圖9.加工仿真完成后，可以采用分析下的“自動-比對”命令對仿真加工模型與設計模型進行檢測，仿真加工模型與設計模型不相符合之處將以紅色邊界面顯現(xiàn)出來，以此校核NC程序的正確性。仿真時可以選擇優(yōu)化控制，對NC程序進行優(yōu)化。從風葉仿真加工結果分析可知，加工過程中并未產(chǎn)生干涉或者過切現(xiàn)象，所以，仿真后的NC程序不用試切、可直接輸入數(shù)控機床進行零件的加工[5-8]。

圖9　風葉仿真加工結果

6　結束語

通過實例闡述如何利用CAD/CAM軟件對風葉進行數(shù)字化建模以及葉片加工的多軸聯(lián)動程序的編制。在VERICUT中構建了風葉數(shù)控加工的仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風葉葉片加工的虛擬仿真。在仿真過程中，可以對NC程序進行適時修改，對進給參數(shù)進行優(yōu)化。通過仿真，能夠保證數(shù)控加工程序的正確性，將過切與干涉等不安全因素消除在加工之前，這樣不僅優(yōu)化了加工工藝，而且提高了零件的生產(chǎn)效率。經(jīng)過仿真與優(yōu)化后的數(shù)控加工程序可直接導入加工機床，然后直接對工件進行切削加工，而無需對工件進行試切削加工。

參考文獻：

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