Cimatron E加工汽輪T型葉根

吳 越，諶永祥，鐘成明，曾岳飛，江 敏，李小闖

（1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621010；2.東方汽輪機(jī)有限公司，德陽(yáng) 618000；3.成都工具研究所，成都 610051）

0 引言

葉片是汽輪機(jī)的心臟，是極為重要的零件。它直接起著將蒸汽或燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的作用。葉片的加工工作量很大，約占汽輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)總加工量的四分之一到三分之一。

葉根是將葉片固定在葉輪或轉(zhuǎn)鼓上的連接部分。它應(yīng)保證在任何運(yùn)行條件下的連接牢固，同時(shí)力求制造簡(jiǎn)單、裝配方便。

四種常見的葉根：1）樅樹型葉根：葉根承載能力大，強(qiáng)度適應(yīng)性好，拆裝方便，但加工復(fù)雜，精度要求高，主要用于載荷較大的葉片；2）菌形葉根：強(qiáng)度高，在大型機(jī)上得到廣泛應(yīng)用；3）叉形葉根：加工簡(jiǎn)單，裝配方便，強(qiáng)度高，適應(yīng)性好；4）T形葉根：加工裝配方便，多用于中長(zhǎng)葉片。

1 四軸加工的基本原理

四座標(biāo)數(shù)控機(jī)床，此處的四座標(biāo)機(jī)床指的是X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和A軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于A軸可旋轉(zhuǎn)且有刀具選擇的功能，因此刀具可選擇使用的余地就大了。伴隨A軸的旋轉(zhuǎn)，一次裝夾就能加工多個(gè)工序。這種數(shù)控機(jī)床的缺點(diǎn)是刀具不能擺動(dòng)，機(jī)床較小，功率較小。圖1為四坐標(biāo)系。

圖1 四坐標(biāo)系

2 汽輪機(jī)T型葉根的加工

2.1 葉片的造型

葉片的組成：葉片的種類繁多，但各類葉片均主要由兩個(gè)部分組成，即裝配面部分和汽道部分，組成如圖2所示。因此葉片的加工也分為裝配面的加工和汽道部分的加工。裝配面部分又包括叫葉根部分和葉冠部分，它們使葉片安全可靠地、準(zhǔn)確合理地固定在葉輪上，以保證汽道部分的正常工作。汽道部分又叫型線部分，它形成工作氣流的通道，完成葉片應(yīng)起的作用，因此汽道部分加工質(zhì)量的好壞直接影響到機(jī)組的效率。汽道部分的橫截面稱為葉型, 其周線稱為型線。一條型線由進(jìn)汽邊圓弧和背弧、出汽邊圓弧和內(nèi)弧組成。葉片的葉身是由若干條型線擬合而成的光滑復(fù)雜曲面。目前常見的為變截面扭葉片，葉片葉身是由沿葉輪輻射線方向按一定規(guī)律給出的多個(gè)特征截面擬合而成，一般由兩種方法給出葉片不同的橫截面數(shù)據(jù)：1）以公式曲線的形式給出，如給出圓弧連接點(diǎn)及圓弧半徑的數(shù)據(jù)，由各段圓弧圍成截面線；2）以一系列離散點(diǎn)數(shù)據(jù)用列表型線形式給出。多數(shù)葉片的截面型線由若干段不同半徑的圓弧圍成。葉片的三維造型可以通過CIMATRON、Pro/E、UG等三維造型軟件做出。圖2為葉片的組成。

圖2 葉片的組成

2.2 工步的擬定

表1 工步的擬定

2.3 坐標(biāo)系的建立

數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系分為機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系（編程坐標(biāo)系）。機(jī)床坐標(biāo)系是以機(jī)床原點(diǎn)建立起來(lái)的直角坐標(biāo)系，它是機(jī)床本省固有的坐標(biāo)系，是設(shè)置工件坐標(biāo)系的基礎(chǔ)。

編程時(shí)使用的坐標(biāo)系為工件坐標(biāo)系，是為了確定零件加工時(shí)在機(jī)床中的位置而設(shè)定的，編程時(shí)應(yīng)首先設(shè)定工件坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系要與機(jī)床運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系一致。編程人員根據(jù)零件的特點(diǎn)選定編程原點(diǎn)，編程時(shí)不用考慮工件在機(jī)床上的安裝位置，只需根據(jù)零件的特點(diǎn)及尺寸來(lái)編程。工件原點(diǎn)一般選擇為方便測(cè)量或?qū)Φ兜奈恢茫瑫r(shí)也要便于編程計(jì)算。工件坐標(biāo)系建立如圖3所示，夾具如圖4所示。

圖3 工件坐標(biāo)系

圖4 夾具

2.4 葉片刀位軌跡生成

2.4.1 創(chuàng)建刀路軌跡

創(chuàng)建一個(gè)繞X軸旋轉(zhuǎn)的四軸加工刀路軌跡，如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建刀路軌跡

2.4.2 預(yù)銑葉根

預(yù)銑葉根是為了去除過多的加工余量，以減少在機(jī)床上精銑葉根的時(shí)間。Cimatron中采用三軸粗加工平行銑，粗加工平行銑生成一組相互平行的粗加工刀具路徑，它與體積銑傳統(tǒng)加工程序中的平行切削——3D類似。安全平面根據(jù)夾具和刀具的高度考慮，在cimatron中設(shè)置為坐標(biāo)系01之上50mm，選擇所有顯示的對(duì)象為加工曲面。緩刀距離為1mm，以免直接下刀引起斷刀。為避免工件表面產(chǎn)生刀痕跡，進(jìn)退刀方式選擇半徑為3mm圓弧進(jìn)退刀。刀具選用Ф12的平底刀。刀路軌跡設(shè)置，為了提高效率，切削方向選用混合銑，固定垂直步近選為50%個(gè)刀具直徑，側(cè)向步長(zhǎng)都選60%刀具直徑。最后保存并計(jì)算得出刀具路徑軌跡。圖6為刀具路徑軌跡。

圖6 刀具路徑軌跡

2.4.3 粗銑

葉片粗加工同樣采用大刀具、大步距、大行距、大切削深度，去除毛胚的大部分余量。這樣可以節(jié)省加工時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。加工方式仍為粗加工平行銑，安全平面仍然為工件坐標(biāo)系之上50mm，粗加工為半精加工留1mm的余量。對(duì)于局部存在變形的問題的部位采用多層銑。此工序的垂直步進(jìn)仍為50%刀具直徑，側(cè)向步長(zhǎng)為60%刀具直徑。在圖7可看出多層銑。

圖7 粗銑

2.4.4 半精銑和精銑

半精加工和精加工的設(shè)置基本相同，下面敘述精加工的設(shè)置，精加工要滿足設(shè)計(jì)圖的最終精度。葉片的加工質(zhì)量與加工設(shè)備、裝夾過程、操作者、刀具、冷卻液等許多因素有關(guān)，因此為步距、行距、走刀公差的設(shè)置要比設(shè)計(jì)圖紙要求小，以抵消準(zhǔn)備過程中的誤差積累。在此處選用cimatron中的航空銑。加工方式選用平行銑，切削方式為單向加工，切削順序?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，為了減少精加工中刀具的磨損，銑削方式為順銑，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸為X軸，旋轉(zhuǎn)角度為180°，干涉檢查能避免刀具與工件在加工中的碰撞。在不干涉的情況下，為減少刀具抬刀的次數(shù)，從而提高效率，切削間隙、切削連刀、連刀類型都選用直接的方式；同時(shí)在快速距離、進(jìn)給距離、空走刀安全距離上的選擇也會(huì)影響到加工效率，因此在保證安全的情況下選擇較小的距離。因?yàn)槭?軸加工安全區(qū)域的類設(shè)置為cylinder下的平行于X軸方向的圓柱面，即繞X軸的一個(gè)圓柱面為安全區(qū)域，因?yàn)榘刖庸榫庸ち粲嗔繛?.5mm，為提高表面質(zhì)量，此處采用垂直步距為0.25的2層銑削，加類型為刀路軌跡（層銑）。圖8為刀具的快速運(yùn)動(dòng)軌跡。在Cimatron中軸不會(huì)旋轉(zhuǎn)，是刀具繞著軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過后置處理就可以改成軸旋轉(zhuǎn)。

圖8 刀具的快速走動(dòng)軌跡

2.4.5 銑葉根凹槽

加工方式選擇開放輪廓銑，開放輪廓銑是考慮到一刀切削的刀具負(fù)荷較大或者是形狀要求，需要進(jìn)行多刀加工時(shí)，可以指定多層加工的一種加工方式。開放輪廓銑相當(dāng)于投影加工，是將開放的輪廓線投影到曲面上生成刀具路徑的一種加工方法，由加工曲面和開放輪廓線來(lái)限制。主要用于加工一些圖案、文字和流道等，可做分層加工。圖9、10為凹槽的刀軌。

圖9 凹槽的刀軌

圖10 凹槽的刀軌

2.5 程序后處理

目前CAM高級(jí)軟件多采用類計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，如APT語(yǔ)言等來(lái)編制刀位原文件，然而機(jī)床控制系統(tǒng)并不能直接識(shí)別這種語(yǔ)言，故必須將這種類計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成機(jī)床可以識(shí)別的NC程序。

程序后處理之前，對(duì)于不滿意的刀路軌跡，可在刀軌編輯器中對(duì)刀軌做修改，修改后用導(dǎo)航器反復(fù)的查看與校驗(yàn)刀具與工件是否有干涉的問題。通過對(duì)視角的轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)、放大和平移直接查看生成的刀具路徑，觀察其切削范圍有無(wú)越界，以及有無(wú)明顯異常的刀具軌跡。確保無(wú)干涉，可以后處理生成G代碼文件，該文件可被機(jī)床控制系統(tǒng)識(shí)讀。然后在仿真軟件WERICUT中設(shè)置與實(shí)際機(jī)床同樣結(jié)構(gòu)的加工環(huán)境，對(duì)生成的NC程序代碼進(jìn)行仿真，通過干涉碰撞，加工效果等檢查，優(yōu)化刀路。最后在機(jī)床上進(jìn)行塑料件的試切削，無(wú)誤后進(jìn)行加工。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了用cimatron E軟件對(duì)汽輪機(jī)T型葉根的部分工序進(jìn)行加工，所使用的工藝通過實(shí)際的加工檢驗(yàn)。隨著CADCAM技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)提高零件的加工速度，保證零件的加工質(zhì)量，提供了技術(shù)支持。也對(duì)加工工藝的改進(jìn)提供了更有力的幫助。

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