汽轮机叶片四轴数控加工工艺研究范文

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叶片是汽轮机组成的核心部件之一，其加工制造水平很大程度上影响着汽轮机的工作性能与效率。随着汽轮机行业技术的不断发展，叶片的加工方法由传统的手工加工发展到现在的数控加工，其加工质量与精度得到了很大的提高。目前，根据叶片型面的复杂程度可以分别选择三轴、四轴、五轴数控机床进行加工。三轴数控机床只能加工型面简单、扭曲较小的叶片，且毛坯需要二次装夹，影响加工精度。五轴数控机床可以很好地加工复杂型面的叶片，但由于价格昂贵，国内应用尚不广泛。四轴数控机床很好地解决了利用三轴与五轴加工叶片所带来的问题，所以研究如何利用四轴数控机床高效地加工出合格的叶片，对工业生产具有一定的参考意义。

1三维模型的建立

三维模型的获得通常有两种途径:一是通过已知数据或者图纸信息直接建立三维CAD模型，即我们通常所说的正向设计;二是只有实物却没有数据信息，需通过测量或扫描系统获得实物数据信息，然后利用成熟的CAD/CAM技术，快速、准确地建立实体几何模型，即逆向设计。本文以汽轮机的某一级T型叶根动叶片为模型，利用激光扫描技术获取叶片截面数据，对数据优化处理后建立三维CAD模型。图1为叶片原型与通过逆向技术获得的三维CAD模型。

2加工工艺设计

2．1材料与毛坯的选择汽轮机叶片是在高温高压的工况下使用，通常采用高强钢、不锈钢、高锰钢材料加工。汽轮机叶片毛坯的选择与其结构特点有关，常用的汽轮机叶片毛坯形式主要有:方钢，模锻、精锻、高速锻、半精锻、轧制、精密铸造。由文献［6］可知，T型外包叶根等截面直叶片，汽道长度在100mm以内且生产批量较小时，选用方钢毛坯，大批量生产选用高速锻毛坯;T型外包叶根变截面动叶片，汽道长度在100mm～200mm之间，生产批量较小时选用方钢毛坯，大批量生产时，选用半精锻毛坯。本文试验所用叶片长度为186mm，在工业生产中应选用方钢毛坯，试验加工采用铝合金棒状毛坯。

2．2加工方案的确定

2．2．1加工过程分析试验叶片的毛坯一端用机床第四旋转轴的卡盘装夹，另一端用顶尖定位。叶片只有叶身部分属于复杂型面，因此本试验只研究叶身型面的加工。图2走刀方式拟定两种切削加工方案:方案一是沿着叶片的轴线方向往复式走刀加工，如图2a所示，方案二是沿叶片截面轮廓线螺旋走刀加工，如图2b所示。对两种加工方案进行数控编程并仿真加工，综合对比分析，选择最优方案，并应用于试验加工。

2．2．2编程设置流程试验叶片的数控编程及仿真加工均在CimatronE8．5环境下进行，叶身的加工过程分为粗加工、半精加工、精加工三道工序。编程设置流程:(1)创建刀路轨迹:进入CimatronE8．5的加工模式，选定机床坐标轴类型为“4”轴，设定旋转轴为“X”轴，然后按照叶片模型建立毛坯，根据毛坯几何尺寸设定刀具的安全高度。(2)创建加工程序:为了提高加工效率，叶片的整个加工过程要按照零件曲面形状铣削材料，所以从粗加工到半精加工，最后到精加工都要将加工程序设置界面主选择设为“流线铣”，二级选择设为“四轴零件曲面”。(3)设定零件:根据不同的加工方案分别将零件的外表面分为若干部分，在编程过程中根据加工顺序选择相应的零件曲面。(4)设定刀具:在刀具和卡头设置窗口中，要根据加工工序设置刀具种类和刀杆长度。刀具的选择原则:平底铣刀是以线接触的方式加工，加工效率高，所以粗加工应选择平底铣刀;球头铣刀是以点接触的方式加工，切削效率低，应用于半精加工和精加工。本试验两种加工方案编程时粗加工都选择14mm平底铣刀，半精加工和精加工均选用8mm的球头铣刀。(5)设置刀路参数和机床参数:根据粗加工、半精加工、精加工工序的不同设置不同的刀路参数与机床参数。在刀路参数设置中，可以对进退刀点和进退刀方式、安全平面、精度与曲面偏移量、刀路轨迹等选项进行设置，需要将切削材料合理进行分层设置。刀路轨迹设置选项中，选择基于等残留高度法的沿X轴往复型走刀方式，即方案一走刀方式，如果将“加工方向”设置为“反向”，即为方案二走刀方式。机床的各项参数根据实际需要进行设置。叶片型面的粗加工目的是快速切除毛坯上多余的材料，加工出叶片大致轮廓，注重的是加工效率，所以应尽可能选择大的切削深度和进给量;半精加工的目的是为了比较准确加工出的叶片型面形状，但要为精加工留有加工余量;叶片精加工的目的是准确加工出叶片型面，需要选取较小的走刀行距和切削宽度、进给速度，以提高表面的加工质量。图3为方案一半精加工时部分刀路参数和机床参数的设置。(6)保存设置:保存各项设置，利用软件自动计算生成每种加工方案的粗加工、半精加工、精加工的刀具轨迹。图4为方案一粗加工的刀具轨迹。

2．2．3CimatronE8．5环境下的仿真加工CimatronE8．5的高级仿真功能是通过计算机来验证所生成刀具轨迹的正确性。仿真加工主要是模拟零件的加工过程，由于它可以动态描述叶片三维模型、刀具轨迹、刀具在加工过程中的变化，可以从不同角度观察加工情况，具有实时性。通过仿真加工，可以观察到走刀路线是否合理，刀具与工件表面是否发生过切、干涉，进退刀的高度与方式是否合适以及加工时间的长短，省去零件材料试切环节，节约成本，减少了加工检查时间，提高了生产效率。CimatronE8．5仿真步骤如下:在CAM模式下，点击“高级仿真”，进入“模拟检验窗口”，选中要模拟的程序，确定后进入CimatronE的仿真器Verifier模拟加工过程，从而检验程序的正确性。图5是两种方案仿真加工过程示意图。经过仿真加工验证了两种方案编程设置的正确性，在相同参数设置的情况下，方案二所耗时是方案一的3倍。

2．2．4走刀方式的选择及分析方案一沿叶片的轴线方向往复加工，刀具轨迹近似直线，可以采用较大步长生成刀具轨迹，而且不会产生过切现象，可以有效减小加工程序，使加工效率得到提高，此种走刀方式适用于方钢毛坯，但在变截面大扭曲叶片的加工过程中，易出现空走刀现象。此外，如果叶片边缘薄，切削边缘时由于刚度较小，易出现毛刺，圆滑度较差。方案二是沿着叶片截面线螺旋走刀加工，该方案符合叶片的结构特点，所加工的叶片叶型准确度高，但沿叶片截面方向曲率较大，这样就必须采用较小的步长生成刀具轨迹，否则在加工时会出现过切现象，数控编程计算量较大，程序较长，加工效率低。此种走刀方式适用于模锻、精锻毛坯。对比两种方案仿真加工时间分析，在相同参数设置情况下，方案二所耗时是方案一的3倍，考虑叶片应用到汽轮机之前，还需要经过抛光处理，即使边缘圆滑度较差也可以通过抛光方法来解决。综合上述分析，为了提高加工效率，选定方案一进行叶片实际加工。

3叶片加工试验

3．1试验设备与材料试验设备:试验使用型号为FV-800A的四轴加工中心，该机床数控系统为FNAUC-0imB，主轴可无级调速，最高转速8000r/min，最大进给速度10m/min。试验材料:为了保护机床和减少刀具的磨损，使用硬度相对较小70mm的7075铝合金材料进行加工。

3．2参数设置加工顺序:结合叶片的结构特点和实际加工情况，选择分层铣削工艺，顺序为:叶身凹面粗加工、叶身凸面粗加工、叶身半精加工、叶身精加工、叶根加工。采用硬质合金刀具加工，切削液采用乳化液。各项工艺参数设定如表1所示。

3．3加工试验叶片型面以及叶根的加工均在四轴加工中心上完成，从粗加工到精加工耗时2．5h。加工过程中未发生过切、碰刀、干涉现象，从而验证了刀具轨迹计算的合理性。叶片表面刀具轨迹分布比较均匀，边缘较薄处出现轻微毛刺现象，与理论分析吻合。图6为叶片加工试验过程图，图7为加工后的铝合金叶片。

4结论

通过对汽轮机叶片四轴数控加工方法的研究，得出如下结论:(1)四轴数控加工叶片解决了三轴数控机床加工时需要两次装夹的问题，提高了叶片的加工精度;(2)叶片毛坯应根据其结构特点来选择;加工过程中，合理地选择走刀方式能够显著提高工作效率;(3)试验验证了CimatronE8．5软件四轴加工自动编程和仿真加工的可靠性。

作者：邢健 程艳艳 单位：东北电力大学 工程训练中心 吉林工业职业技术学院 化工机械系