提高四联动加工中心上叶片加工效率的研究和实现

摘 要：叶片是典型的透平机械零件，广泛地应用于航空、发电、船舶等行业。叶片加工的方法常见有精密锻造、数控铣加工等，其中数控加工方法人力成本低、生产周期短和良好的加工质量等优点而成为首选方法。叶片型面的质量则直接影响叶片的工作效果，由于叶片的型面是复杂的三维曲面，所以一直是叶片加工中的重点，文章CAM的设计使这种复杂型面的加工变得相对容易。文章通过对某型叶片的造型及数控编程，使大家对叶片类零件的数控加工过程有一个整体的了解。

关键词：扭叶片；四轴联动；数控加工；加工路径；后处理；仿真加工

引言

四轴联动加工技术主要应用于加工具有较为复杂曲面的零件，与三轴联动加工相比，四轴联动加工中心在三轴联动的基础上增加了一个A或B轴，因此可以加工出更高质量、更复杂的曲面。目前已经普及的国产四联动机床，机床价格低廉，并且维护成本低于进口机床，这对一个发展中的企业来说是非常重要的。文章以工业汽轮机叶片和EUMA、MA650-VB四联动加工中心为对象，组织了一定的人力针对叶片数控加工中的相关技术进行研究和开发，合理的利用软件，在四联动加工中心上成功的实现了叶片的高效加工。

1 研究对象

工业汽轮机叶片是汽轮机的心脏，其叶片的制造技术和制造质量直接影响机组运行性能和机组的可靠性。叶片是较复杂的曲面体零件，长期以来采用的电解、仿形、三联动等制造工艺，其生产效率非常低下，叶片型面精度难以保证，而且工艺复杂、劳动强度大、环境恶劣等特点，已不能满足技术进步的要求，也不能有效地保证叶片型面准确性和制造质量，更不能满足当今汽轮机市场竞争的要求。工业汽轮机动叶片主要以扭叶片和直叶片（图1）两种，文章以扭叶片为重点，着重讲述该扭叶片在四联动加工中心上的研究与实现。

图1

2 CAD/CAM软件的选择

在对设备功能、刀具性能和叶片成本等要素进行分析后，我们对目前国内国际流行的UG、Pro/E、MasterCAM等软件进行了各方面的实践和考评。UG、Pro/E相对叶片加工来说性价比不合理，设计的参数比较多等特点不能满足叶片数据的经常变化；MasterCAM软件在叶片设计上实现不了参数的设计功能，在型面加工时只能采用球头刀、加工时球头刀与型面垂直等弱点，影响了加工的效率和成本。在多方的努力实践下，我们选择了TopSoild软件。

3 TopSoild软件的特点

随着计算机技术的发展，“图形交互式自动编程”也应运而生，它直接将零件的几何信息转化为数控加工程序。该方法极大地提高了数控编程的效率，并且具有精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点，因此该种方法已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件普遍采用的数控编程方法。TopSoild软件就具有多种优点，它集CAD/CAM为一体，用户通过TopSoild软件优秀的CAD模块进行复杂的几何图形造型，通过CAM模块编制各种方式的加工路径，在通过后处理转换成机床数控系统能识别的NC程序，并能模拟加工检查过切现象和计算加工时间。另外该软件可以很容易地实现与UG、MasterCam、AutoCad等软件进行数据交换，大大提高了TopSoild软件的通用性。

4 叶片的CAD造型

典型扭叶片的造型分为叶根、型面、围带三个部分，具体结构如下。

4.1 叶片原始型线数据的输入

TopSoild软件具有较强的型线数据处理能力，我们通过产品型线的原始型线数据到软件中，把每个截面分割为内弧、背弧、出汽边、进汽边四个部分，并转化为曲线（NURBS、SPLINE）。再可以通过软件的分析来检查数据的准确性、合理性，发现错误时可以很方便的更改错误的数据，直到曲线光顺，通过对每个截面的对应关系，放样、举升各个截面的型线生成曲面光滑为止。

4.2 叶根及围带

叶根及围带的造型使用软件的拉伸功能，合理的选择角度快速的拉伸叶片的投影截面形状。

4.3 叶根的倒角

TopSoild软件有很方便的倒角功能，根据叶片的零件要求倒出叶根与型面之间的倒角R，由于围带最终锯断，此处R将不考虑。在一些叶片中叶根处可以不倒角，可根据实际尺寸、加工刀具来保证R的大小。但在此处倒角在加工时可防止粗加工在R处过切。

5 TopSoild软件模块中相应机床的设定、对应后处理文件的编写（此步工作只需完成一次，下次可直接调用）

TopSoild软件可以根据实际机床的各项参数，比如：机床的结构、机床的部件、机床驱动轴的功率、行程等参数一一设定TopSoild软件模块的机床当中。当选用了该设计的机床后，生成的NC程序方式在符合机床参数的情况下加工。在机床满足的情况下，编写后处理配置文件，使生成的NC文件完全符合机床的NC格式。在机床的模拟上可根据机床相应部件的运动与实际一致，这样在软件模拟时仿真性能较好。

6 加工工艺路线的指定、加工方式的选择

根据对现有EUMA机床的特征及叶片毛坯的情况，设定如表1加工工艺路线并对个工艺路线选择合理的加工方式。

表1

6.1 粗加工

由于国产四联动机床有其自身不可避免的弱点，刚性差、A轴速度低、四轴联动性能较差、刀具性能的影响较大，为此我们特地选用三轴联动的方式来完成粗加工，刀具的直径为50mm，加工时符合刀具按层切削使用的状态，选用合适的线速度、每齿进给量。加工后的效果图见图2。

图2

6.2 叶根转接R部位加工

由于该叶片转接部位R6，且斜度较大，我们采用了球头刀具来实现，在叶片较大或粗加工刀具较大的情况下，此处余量往往比较多，考虑刀具性能和加工效率等因素，可按适当余量一层一层加工，最后保证型线的准确性。在加工R时，球头刀具与侧面往往会接触，所以光洁度不是很好，只有通过小余量来切削或刀具的刚性来保证型面、侧面的粗糙度。

6.3 型面的精加工

（1）机床采用的是A轴连续旋转的加工方式，加工路径如图3。由于精加工采用的刀具为直径>20mm且带有R的硬质合金立铣刀，采用圆环面铣刀转角度（Lead Angle）的加工方式加工，加出叶片的光洁度可以完全符合工业汽轮机叶片的要求，并且有利于三坐标测量仪的测量。

（2）在实际加工中，型面加工时利用刀具来回纵向切削，该方法可以避免由于A轴速度低而带来的速度慢等特点，在加工时，型面与叶根接刀部位已加工，在围带处可旋转（1至2圈）加工去除余量，这样在加工型面切削时进给量可相应增加，并且延长刀具的寿命。

7 仿真加工

数控加工的质量与效率很大程度上取决于所编程序的合理性。TopSoild软件在仿真加工时，可以很清楚的看见加工的叶片有没有过切、刀具与工装、机床是否干涉、刀具的参数是否适当。

8 生成NC程序

TopSoild软件的后处理采用灵活的方式，以VB、C++语言为主的MachineToolConfigurationFile（机床配置文件）可以方便的更改，生成满足机床的NC文件格式，再通过PC的RS232接口、网络线的连接等通信方式进行方便的传输。

9 结束语

通过此次叶片在四联动加工中心上研究和实现，全面实现了叶片在先进制造业中的展现，从加工的叶片测量数据分析，加工精度已达到国际先进水平，从加工过程看，加工效率也已接近国际先进水平。该技术的开发成功，对叶片的加工能力有了更高层次的提高，具有很好的社会和经济效益，对整个汽轮机制造业的技术进步，提高汽轮机叶片制造业的市场竞争力都有着重要的意义。

参考文献

[1]透平机械制造工艺学[Z].

[2]TOPSOLID CAD設计基础与CAM辅助加工[Z].

[3]航空发动机叶片机械加工工艺[Z].

[4]数控加工中心编程实例精萃[Z].

作者简介：张新苗（1980，9-），男，浙江省杭州市，现职称：工程师，学历：本科，研究方向：叶片工艺，数控编程。