摘要：本文首先阐述了叶片多轴加工的工艺特点，接着分析了工艺，最后对叶片多轴加工编程中的关键技术进行了探讨。
关键词：叶片；多轴加工
引言
叶片是汽轮机的核心零件之一，汽轮机性能的优劣和效率的高低主要取决于叶片型面的设计和加工水平。汽轮机叶片属于较为复杂的曲面体零件，其加工的重点和难点是叶身的型面铣削。由于大多数叶片的型面是比较复杂的三维扭转曲面，几何要求精度高，加工难度大，目前主要采用多轴加工中心进行叶片型面铣削，这也是当前机械加工中的尖端技术。使用UGNXCAM模块的多轴加工功能，可对叶片型面的刀具轨迹进行合理规划，生成数控加工代码，最终加工出所需产品。
另外，对加工完成的叶片零件进行检测，判断其加工精度是否满足设计要求也是叶片生产中的重点。目前，叶片检测多采用标准样板法，此方法对检测人员技术水平要求较高，因而受人为因素影响大。作者提出利用三维激光扫描技术和逆向软件Geomagic获得叶片零件曲面模型，通过与理论模型进行整体对比，从而检测出零件是否合格。
1叶片多轴加工的工艺特点
（1）型面开槽：在靠近叶根（或叶冠）的一端的型面毛坯上开出一条宽槽，以方便后续加工的刀具落刀。
（2）型面半精加工：在上述工序所开的槽处落刀，沿汽道方向进行扩槽加工。
（3）过渡面清根加工：以叶根（或叶冠）侧面为导向，绕汽道面加工出符合要求的圆弧过渡面。刀具一般采用带锥度球刀，根据余量情况，可采用不同直径的刀具进行多次切削。
（4）汽道面整体精加工：一般使用直径较小的带锥度球刀，以较小的切削量和较大的切削速度完成整个型面的精加工。
2工艺分析
叶片是汽轮机的关键零件，又是最精细、最重要的零件之一。叶片为片状零件，且有一定扭转角度，对型面的轮廓精度和表面粗糙度要求较高。因此，加工时的重点是使用四轴或五轴加工中心完成叶片型面的精铣，使刀具沿着型面的轮廓线条轨迹移动，以保证叶片在形状、位置、粗糙度等方面的高要求。材料为马氏体不锈汽轮机叶片钢1Cr13，长×宽×高约为201mm×136mm×130mm，考虑到加工过程中需要工艺台阶，毛坯尺寸确定为360mm×150mm×145mm。叶片加工流程为：（1）铣四方140.5mm×145mm，长度为360mm。（2）平面磨工艺基准面，厚度140mm，并作好标记。（3）在长度两端面上钻中心孔。（4）在数控铣床上粗铣上型面。（5）在数控铣床上粗铣下型面。（6）在四轴加工中心上精铣型面。（7）线切割两端工艺台阶。（8）打磨，去毛刺。在所有工序中，使用四轴加工中心精铣型面为关键工序。可采用UGNX8.5的CAM模块进行自动数控编程，生成刀具轨迹和加工代码。
3叶片多轴加工编程中的关键技术
汽轮机叶片型面加工涉及到多轴数控加工编程与复杂曲面造型。以下以国产（轴立式加工中心及1轴混联机床为叶片加工设备，以23为叶片多轴加工编程软件，来对应用通用软件解决叶片多轴加工编程中的一些关键技术进行讨论。
3.1叶片型面的高质量几何建模技术
在多轴加工中，曲面的光顺性及曲面间的光滑连接特性对生成多轴数控加工程序的质量影响很大，这就对叶片型面的几何建模提出了更高的要求。叶片型面的高质量几何建模，首先是指型面在各截面型线方向上要保持光顺。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其次，在叶片径向上曲面也要求同样保持光顺。如果型面是分块构造的，则还需保证各曲面片在连接边界上保持至少连续。
型面在截面型线方向上的光顺性，主要由截面型线的质量所决定。每个截面型线一般由内弧、背弧、进汽边圆弧和出汽边圆弧这四段曲线来构成。内、背弧段的数据一般为离散点，而进、出汽边圆弧的数据大多由圆心和半径数据直接给出。曲线在定义之初往往无法直接满足光顺性要求，需要进行适当的编辑处理。，能直观地反映曲线的光顺性，并帮助去除定义数据中可能存在的“坏点”。使编辑形成的曲线曲率梳平滑而没有拐点，同时又不超出曲线允许的拟合误差。根据笔者的经验，比较理想的处理方法为：先定义并调整自由端点矢量条件下的内、背弧样条曲线，然后均匀取圆弧上的数点用样条线或二次曲线来表示进、出汽边圆弧，并控制两端与样条相切。这种方法不仅很好地满足了拟合精度，而且也容易保证曲线的光顺性。型面的定义可于所有截面型线按要求定义完成后进行。为了保证后续处理的灵活性，不妨将型面分块构造，同时特别注意曲面间的连续性要求。并控制边界相切条件。按上述方法构造的型面在叶片径向上也能保持连续，但是否光顺而没有多余拐点，则主要取决于各截面型线给出的质量。鉴于多轴螺旋线刀轨是沿汽道截面方向来生成的，曲面在该方向上的质量对刀轨一般影响不大，在此不展开讨论。
3.2基于法矢分析的汽道面变倾角加工技术
机床驱动轴速度的突变与反向，是引起叶片加工误差的主要原因之一。由于进、出汽边型面在曲率半径上与内、背弧面间相差很大，特别在加工到进汽边曲面时，刀具会在短时间内产生很大的摆角，引起驱动轴速度的突变。如果在进入该位置前采用大前倾角，并逐步过渡到结束该位置加工时的较小前倾角，就能有效减小摆角。另外，由于截面型线中的内弧段为凹曲线，而其余各段则为凸曲线。在等前倾角加工的情况下，刀具在进入内弧面及退出内弧面之前，会出现两次摆动方向的突然反向。要避免或改善上述现象，就需要在加工中实现变前倾角控制。此外，对于大弯扭叶片型面及斜叶根（叶冠）情况，还必须通过变侧倾角控制，才能实现型面全范围的有效加工，避免与叶根、叶冠间可能发生的干涉问题。
在叶片专用编程软件中，可以设定刀具加工到汽道不同截面时，在切入和切出内、背弧段处所采用的不同倾角，还可以在上述各位置上设置不同的切削速度，以获得理想的加工程序。但上述参数无法由软件自动设定。参数设置的合理与否，主要由编程人员对工艺的理解与编程经验所决定。基于法矢分析的汽道面变倾角加工能为编程人员对加工参数的设定提供一些理论依据。由于篇幅关系，这里仅介绍前倾角的变倾角控制方法。
前倾角的取值主要根据刀具的切削状态及干涉条件来定，在叶片多轴加工中通常可在456475间取值，合理的取值可基于对各截面型线的法矢分析为基础来进行。图8-所示为根据某截面型线所生成的法矢，图89所示为定义与出汽边起点处法矢夹一较大偏角的矢量。在其余三个进、出汽边始末点处按同样方法定义不同的偏角的矢量后，插值生成的绕型线的控制矢量，如图8.所示。以这些矢量来控制刀轴，就能使刀具在进、出汽圆弧处的摆角明显减小，并避免刀具在内弧段出现突然摆动反向问题。但该方式只能使刀具与曲面间保持恒定的前倾角和侧倾角，当需要实现变倾角编程时，在驱动面的各关键点上设置刀轴矢量方向。刀轴矢量方向可预先按上述基于法矢分析的方法来确定，型面上其余各处的刀轴矢量就由这些定义的矢量插值得到。
结束语
汽轮机叶片多轴数控加工要求高、难度大。利用UGNX工具软件，通过合理的工艺方案、驱动方式、刀具、切削参数设置、后处理，实现了叶片的高效加工。同时，使用三维扫描技术获取零件点云数据模型，与理论设计模型进行整体匹配对比，得出测量结果。此次研究实现了叶片加工和检测一体化，在企业实际生产中取得了良好效果，对类似叶片零件的制造、检测具有一定的参考价值。
参考文献：
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[2]刘晓丰.汽轮机叶片设计[J].山东工业技术.2018（07）
[3]刘博，王威彪.汽轮机叶片的结构特点与数控加工技术[J].黑龙江科学.2017（12）
论文作者:刘康健
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/3
标签：叶片论文; 加工论文; 倾角论文; 曲面论文; 汽轮机论文; 刀具论文; 截面论文; 《电力设备》2019年第20期论文;