汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)葉葉片的數(shù)控模擬加工

王 榜，楊 勇，黃悅峰，張啟鵬，朱婉瑩

（1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530000；2.四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司技術(shù)中心工藝組，四川 資陽(yáng)641301）

汽輪機(jī)風(fēng)葉葉片的工作條件復(fù)雜，葉片的加工質(zhì)量直接影響到機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠性，而葉片的質(zhì)量和壽命與葉片的加工方式有著密切的關(guān)系。因此，葉片的加工方法對(duì)汽輪機(jī)的工作質(zhì)量及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)風(fēng)葉葉片的數(shù)控加工問(wèn)題，利用CAD/CAM軟件Mastercam對(duì)其進(jìn)行了多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的編制，完成了風(fēng)葉葉片多軸加工工藝路徑規(guī)劃和汽輪機(jī)風(fēng)葉葉片四坐標(biāo)數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)葉片的虛擬加工，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，對(duì)數(shù)控加工程序及工藝進(jìn)行優(yōu)化，為風(fēng)葉葉片的加工提供了一種可行性的加工方案[1]。

1　汽輪機(jī)風(fēng)葉結(jié)構(gòu)特征

汽輪機(jī)葉片按照功能不同可分為動(dòng)葉片（如圖1）和靜葉片兩種。動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)一般由葉型、葉冠和葉根三部分組成。

圖1　動(dòng)葉片

（1）葉型：葉型是葉片的工作部分，又稱葉身型面，葉型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為扭轉(zhuǎn)自由曲面。葉片與葉片之間的葉型部分構(gòu)成了氣流通道，當(dāng)蒸汽流過(guò)時(shí)，動(dòng)能便轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。從圖1可看出，葉身型面可分為內(nèi)弧、背弧、進(jìn)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(jī)的短葉片和中長(zhǎng)部分連成葉片組，而長(zhǎng)葉片在葉片中部用拉筋連接成組。

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

本文研究對(duì)象是大型汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)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(jī)葉片零件圖

2　風(fēng)葉數(shù)字模型建立

由UG/CAD建立風(fēng)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?gòu)成，可采用拉伸或剪切命令來(lái)完成造型。對(duì)于葉片的描述只有離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，不具備曲線方程，為此應(yīng)用自由曲線曲面造型技術(shù)進(jìn)行葉輪的幾何造型[2]。

2.1　風(fēng)葉葉片曲面的創(chuàng)建

根據(jù)葉片的坐標(biāo)圖（如圖2）以及給定的坐標(biāo)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(biāo)

當(dāng)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(gòu)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(guò)對(duì)葉片曲面的進(jìn)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(biāo)注圓角為R12.5 mm，葉片與葉柄的實(shí)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(gè)風(fēng)葉的三維加工模型如圖5.

圖5　風(fēng)葉模型

3　多軸加工工藝規(guī)劃

3.1　風(fēng)葉數(shù)控加工參數(shù)的選擇

（1）數(shù)控機(jī)床的選擇

由于風(fēng)葉的三軸數(shù)控加工方式是通過(guò)對(duì)粗加工后的葉片外形進(jìn)行兩次裝夾，存在兩次裝夾誤差，而且對(duì)汽道型面的拋光質(zhì)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(lái)完成葉片的數(shù)控加工。

（2）加工階段的劃分

汽輪機(jī)風(fēng)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(fēng)葉的整個(gè)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(shí)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(fēng)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(biāo)系為機(jī)床旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心，所以工裝在機(jī)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(jī)床工作臺(tái)面；三是拉直工件與工裝的定位平面。為了盡量減小切削時(shí)刀具的懸伸長(zhǎng)度，應(yīng)將工件的中心盡量置于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋心。

3.2　風(fēng)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(zhuǎn)動(dòng)加工即刀具沿著葉片軸線方向來(lái)回?cái)[動(dòng)加工；這樣加工近似沿斜線加工，所以切削效率較高，且機(jī)床的圓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)不頻繁；2）葉片回轉(zhuǎn)加工即刀具沿截面型線繞圈進(jìn)行加工。加工時(shí)工件葉片隨著圓轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)，刀具沿工件葉片截面型線切削一周，縱向進(jìn)刀后再切削下一周。粗加工時(shí)采用方案2）且螺旋型進(jìn)刀（螺旋式走刀的特點(diǎn)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(jìn)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(jìn)方向?yàn)槿~片型線的扭曲方向，所以不能太大。

結(jié)合工件材質(zhì)以及加工成本考慮，粗加工時(shí)刀具選擇普通高速鋼，切削時(shí)的轉(zhuǎn)速設(shè)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(shí)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(zhì)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(shí)的刀中心點(diǎn)計(jì)算非常復(fù)雜，因此葉片精加工時(shí)采用R12.5 mm硬質(zhì)合金球頭銑刀（結(jié)合葉根的圓角來(lái)考慮），此時(shí)切削轉(zhuǎn)速設(shè)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(fēng)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(qiáng)度和剛度，改善使用性能，也能從一定程度上減少機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的磨損和延長(zhǎng)了機(jī)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(gè)風(fēng)葉葉片加工分析中可以發(fā)現(xiàn)加工葉根R時(shí)不能破壞葉柄基座圓弧面，并且加工葉柄基座圓弧面時(shí)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(shí)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(jìn)行加工。

4　風(fēng)葉葉片的虛擬加工

采用Mastercam軟件對(duì)風(fēng)葉葉片進(jìn)行了多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的編制，整個(gè)過(guò)程即是調(diào)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(shè)置刀具的補(bǔ)正方向、切削方向、步進(jìn)方向、起始進(jìn)刀方向。刀具軸線的控制采用樣板曲面，選擇“補(bǔ)正至曲面”選項(xiàng)，且將切削的樣板補(bǔ)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(shè)置加工選項(xiàng)后，然后進(jìn)入刀具選項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)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(lái)完成的，故先完成2D加工的參數(shù)設(shè)置，依次設(shè)置刀具參數(shù)、切削次數(shù)、走刀量、轉(zhuǎn)速等。然后進(jìn)行三軸曲面投影加工路徑選擇，加長(zhǎng)了進(jìn)退刀的引線長(zhǎng)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(shè)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(jìn)行，曲面流線設(shè)置里面將補(bǔ)正方向設(shè)置成葉片長(zhǎng)方向，如圖8.刀具采用的是球頭銑刀，將校刀長(zhǎng)位置改為球心而不是刀尖，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率以及切削余量均需進(jìn)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(fēng)葉葉片的數(shù)控仿真

5.1　風(fēng)葉葉片的數(shù)控加工仿真

采用VERICUT仿真軟件構(gòu)建的數(shù)控加工仿真環(huán)境，經(jīng)過(guò)仿真后的NC程序不用試切削即可直接輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工，這樣就大大的降低了試切削風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了試切削時(shí)間，同時(shí)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(jī)床參數(shù)，對(duì)虛擬數(shù)控機(jī)床進(jìn)行建模，分別對(duì)機(jī)床、工件、碰撞檢測(cè)、機(jī)床行程極限、軸優(yōu)先權(quán)、機(jī)床零點(diǎn)、工件零點(diǎn)、刀具等進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成后，將機(jī)床夾具、毛坯導(dǎo)入仿真樹型目錄下后即可進(jìn)行葉片的加工仿真。按零件實(shí)際加工進(jìn)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(fēng)葉葉片的仿真結(jié)果分析

整個(gè)風(fēng)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(dòng)-比對(duì)”命令對(duì)仿真加工模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行檢測(cè)，仿真加工模型與設(shè)計(jì)模型不相符合之處將以紅色邊界面顯現(xiàn)出來(lái)，以此校核NC程序的正確性。仿真時(shí)可以選擇優(yōu)化控制，對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化。從風(fēng)葉仿真加工結(jié)果分析可知，加工過(guò)程中并未產(chǎn)生干涉或者過(guò)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(jī)床進(jìn)行零件的加工[5-8]。

圖9　風(fēng)葉仿真加工結(jié)果

6　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例闡述如何利用CAD/CAM軟件對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行數(shù)字化建模以及葉片加工的多軸聯(lián)動(dòng)程序的編制。在VERICUT中構(gòu)建了風(fēng)葉數(shù)控加工的仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)葉葉片加工的虛擬仿真。在仿真過(guò)程中，可以對(duì)NC程序進(jìn)行適時(shí)修改，對(duì)進(jìn)給參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)仿真，能夠保證數(shù)控加工程序的正確性，將過(guò)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(guò)仿真與優(yōu)化后的數(shù)控加工程序可直接導(dǎo)入加工機(jī)床，然后直接對(duì)工件進(jìn)行切削加工，而無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行試切削加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊 勇.汽輪發(fā)電機(jī)鋁風(fēng)葉葉片的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程及仿真研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2015.

[2]闕燚彬.葉輪的曲面建模及四軸聯(lián)動(dòng)編程加工葉輪的曲面建模及四軸聯(lián)動(dòng)編程加工[J].裝備制造技術(shù)，2015（1）：41-43.

[3]Kim D S，Jun C S，Park S．Tool path generation for clean-up machining by a curve-based approach[J].Computer-Aided Design，2005，37（9）：967-973.

[4]何縣雄.MasterCAM數(shù)控加工自動(dòng)編程范例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]余碧瓊.基于數(shù)控加工的工藝分析[J].裝備制造技術(shù)，2009（6）：50-58.

[6]陳光明，張旭陽(yáng).汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)控加工技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（9）：36-46.

[7]盧志偉，曹 巖.基于MasterCAMX6的圓柱凸輪的建模與數(shù)控仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（2）：111-116.

[8]H Y Feng，H W Li．Constant Scallop-height Tool Path Gener ation for Three-axis Sculptured Surface Machining[J]．Com puter-Aided Design，2002，34（6）：647-654.