汽輪機葉片四軸數控加工工藝研究范文

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葉片是汽輪機組成的核心部件之一，其加工制造水平很大程度上影響著汽輪機的工作性能與效率。隨著汽輪機行業技術的不斷發展，葉片的加工方法由傳統的手工加工發展到現在的數控加工，其加工質量與精度得到了很大的提高。目前，根據葉片型面的復雜程度可以分別選擇三軸、四軸、五軸數控機床進行加工。三軸數控機床只能加工型面簡單、扭曲較小的葉片，且毛坯需要二次裝夾，影響加工精度。五軸數控機床可以很好地加工復雜型面的葉片，但由于價格昂貴，國內應用尚不廣泛。四軸數控機床很好地解決了利用三軸與五軸加工葉片所帶來的問題，所以研究如何利用四軸數控機床高效地加工出合格的葉片，對工業生產具有一定的參考意義。

1三維模型的建立

三維模型的獲得通常有兩種途徑:一是通過已知數據或者圖紙信息直接建立三維CAD模型，即我們通常所說的正向設計;二是只有實物卻沒有數據信息，需通過測量或掃描系統獲得實物數據信息，然后利用成熟的CAD/CAM技術，快速、準確地建立實體幾何模型，即逆向設計。本文以汽輪機的某一級T型葉根動葉片為模型，利用激光掃描技術獲取葉片截面數據，對數據優化處理后建立三維CAD模型。圖1為葉片原型與通過逆向技術獲得的三維CAD模型。

2加工工藝設計

2．1材料與毛坯的選擇汽輪機葉片是在高溫高壓的工況下使用，通常采用高強鋼、不銹鋼、高錳鋼材料加工。汽輪機葉片毛坯的選擇與其結構特點有關，常用的汽輪機葉片毛坯形式主要有:方鋼，模鍛、精鍛、高速鍛、半精鍛、軋制、精密鑄造。由文獻［6］可知，T型外包葉根等截面直葉片，汽道長度在100mm以內且生產批量較小時，選用方鋼毛坯，大批量生產選用高速鍛毛坯;T型外包葉根變截面動葉片，汽道長度在100mm～200mm之間，生產批量較小時選用方鋼毛坯，大批量生產時，選用半精鍛毛坯。本文試驗所用葉片長度為186mm，在工業生產中應選用方鋼毛坯，試驗加工采用鋁合金棒狀毛坯。

2．2加工方案的確定

2．2．1加工過程分析試驗葉片的毛坯一端用機床第四旋轉軸的卡盤裝夾，另一端用頂尖定位。葉片只有葉身部分屬于復雜型面，因此本試驗只研究葉身型面的加工。圖2走刀方式擬定兩種切削加工方案:方案一是沿著葉片的軸線方向往復式走刀加工，如圖2a所示，方案二是沿葉片截面輪廓線螺旋走刀加工，如圖2b所示。對兩種加工方案進行數控編程并仿真加工，綜合對比分析，選擇最優方案，并應用于試驗加工。

2．2．2編程設置流程試驗葉片的數控編程及仿真加工均在CimatronE8．5環境下進行，葉身的加工過程分為粗加工、半精加工、精加工三道工序。編程設置流程:(1)創建刀路軌跡:進入CimatronE8．5的加工模式，選定機床坐標軸類型為“4”軸，設定旋轉軸為“X”軸，然后按照葉片模型建立毛坯，根據毛坯幾何尺寸設定刀具的安全高度。(2)創建加工程序:為了提高加工效率，葉片的整個加工過程要按照零件曲面形狀銑削材料，所以從粗加工到半精加工，最后到精加工都要將加工程序設置界面主選擇設為“流線銑”，二級選擇設為“四軸零件曲面”。(3)設定零件:根據不同的加工方案分別將零件的外表面分為若干部分，在編程過程中根據加工順序選擇相應的零件曲面。(4)設定刀具:在刀具和卡頭設置窗口中，要根據加工工序設置刀具種類和刀桿長度。刀具的選擇原則:平底銑刀是以線接觸的方式加工，加工效率高，所以粗加工應選擇平底銑刀;球頭銑刀是以點接觸的方式加工，切削效率低，應用于半精加工和精加工。本試驗兩種加工方案編程時粗加工都選擇14mm平底銑刀，半精加工和精加工均選用8mm的球頭銑刀。(5)設置刀路參數和機床參數:根據粗加工、半精加工、精加工工序的不同設置不同的刀路參數與機床參數。在刀路參數設置中，可以對進退刀點和進退刀方式、安全平面、精度與曲面偏移量、刀路軌跡等選項進行設置，需要將切削材料合理進行分層設置。刀路軌跡設置選項中，選擇基于等殘留高度法的沿X軸往復型走刀方式，即方案一走刀方式，如果將“加工方向”設置為“反向”，即為方案二走刀方式。機床的各項參數根據實際需要進行設置。葉片型面的粗加工目的是快速切除毛坯上多余的材料，加工出葉片大致輪廓，注重的是加工效率，所以應盡可能選擇大的切削深度和進給量;半精加工的目的是為了比較準確加工出的葉片型面形狀，但要為精加工留有加工余量;葉片精加工的目的是準確加工出葉片型面，需要選取較小的走刀行距和切削寬度、進給速度，以提高表面的加工質量。圖3為方案一半精加工時部分刀路參數和機床參數的設置。(6)保存設置:保存各項設置，利用軟件自動計算生成每種加工方案的粗加工、半精加工、精加工的刀具軌跡。圖4為方案一粗加工的刀具軌跡。

2．2．3CimatronE8．5環境下的仿真加工CimatronE8．5的高級仿真功能是通過計算機來驗證所生成刀具軌跡的正確性。仿真加工主要是模擬零件的加工過程，由于它可以動態描述葉片三維模型、刀具軌跡、刀具在加工過程中的變化，可以從不同角度觀察加工情況，具有實時性。通過仿真加工，可以觀察到走刀路線是否合理，刀具與工件表面是否發生過切、干涉，進退刀的高度與方式是否合適以及加工時間的長短，省去零件材料試切環節，節約成本，減少了加工檢查時間，提高了生產效率。CimatronE8．5仿真步驟如下:在CAM模式下，點擊“高級仿真”，進入“模擬檢驗窗口”，選中要模擬的程序，確定后進入CimatronE的仿真器Verifier模擬加工過程，從而檢驗程序的正確性。圖5是兩種方案仿真加工過程示意圖。經過仿真加工驗證了兩種方案編程設置的正確性，在相同參數設置的情況下，方案二所耗時是方案一的3倍。

2．2．4走刀方式的選擇及分析方案一沿葉片的軸線方向往復加工，刀具軌跡近似直線，可以采用較大步長生成刀具軌跡，而且不會產生過切現象，可以有效減小加工程序，使加工效率得到提高，此種走刀方式適用于方鋼毛坯，但在變截面大扭曲葉片的加工過程中，易出現空走刀現象。此外，如果葉片邊緣薄，切削邊緣時由于剛度較小，易出現毛刺，圓滑度較差。方案二是沿著葉片截面線螺旋走刀加工，該方案符合葉片的結構特點，所加工的葉片葉型準確度高，但沿葉片截面方向曲率較大，這樣就必須采用較小的步長生成刀具軌跡，否則在加工時會出現過切現象，數控編程計算量較大，程序較長，加工效率低。此種走刀方式適用于模鍛、精鍛毛坯。對比兩種方案仿真加工時間分析，在相同參數設置情況下，方案二所耗時是方案一的3倍，考慮葉片應用到汽輪機之前，還需要經過拋光處理，即使邊緣圓滑度較差也可以通過拋光方法來解決。綜合上述分析，為了提高加工效率，選定方案一進行葉片實際加工。

3葉片加工試驗

3．1試驗設備與材料試驗設備:試驗使用型號為FV-800A的四軸加工中心，該機床數控系統為FNAUC-0imB，主軸可無級調速，最高轉速8000r/min，最大進給速度10m/min。試驗材料:為了保護機床和減少刀具的磨損，使用硬度相對較小70mm的7075鋁合金材料進行加工。

3．2參數設置加工順序:結合葉片的結構特點和實際加工情況，選擇分層銑削工藝，順序為:葉身凹面粗加工、葉身凸面粗加工、葉身半精加工、葉身精加工、葉根加工。采用硬質合金刀具加工，切削液采用乳化液。各項工藝參數設定如表1所示。

3．3加工試驗葉片型面以及葉根的加工均在四軸加工中心上完成，從粗加工到精加工耗時2．5h。加工過程中未發生過切、碰刀、干涉現象，從而驗證了刀具軌跡計算的合理性。葉片表面刀具軌跡分布比較均勻，邊緣較薄處出現輕微毛刺現象，與理論分析吻合。圖6為葉片加工試驗過程圖，圖7為加工后的鋁合金葉片。

4結論

通過對汽輪機葉片四軸數控加工方法的研究，得出如下結論:(1)四軸數控加工葉片解決了三軸數控機床加工時需要兩次裝夾的問題，提高了葉片的加工精度;(2)葉片毛坯應根據其結構特點來選擇;加工過程中，合理地選擇走刀方式能夠顯著提高工作效率;(3)試驗驗證了CimatronE8．5軟件四軸加工自動編程和仿真加工的可靠性。

作者：邢健 程艷艷 單位：東北電力大學 工程訓練中心 吉林工業職業技術學院 化工機械系