Cimatron E加工汽輪T型葉根

吳 越，諶永祥，鐘成明，曾岳飛，江 敏，李小闖

（1.西南科技大學 制造科學與工程學院，綿陽 621010；2.東方汽輪機有限公司，德陽 618000；3.成都工具研究所，成都 610051）

0 引言

葉片是汽輪機的心臟，是極為重要的零件。它直接起著將蒸汽或燃氣的熱能轉變為機械能的作用。葉片的加工工作量很大，約占汽輪機、燃氣機總加工量的四分之一到三分之一。

葉根是將葉片固定在葉輪或轉鼓上的連接部分。它應保證在任何運行條件下的連接牢固，同時力求制造簡單、裝配方便。

四種常見的葉根：1）樅樹型葉根：葉根承載能力大，強度適應性好，拆裝方便，但加工復雜，精度要求高，主要用于載荷較大的葉片；2）菌形葉根：強度高，在大型機上得到廣泛應用；3）叉形葉根：加工簡單，裝配方便，強度高，適應性好；4）T形葉根：加工裝配方便，多用于中長葉片。

1 四軸加工的基本原理

四座標數控機床，此處的四座標機床指的是X、Y、Z三個方向的運動和A軸的旋轉運動。由于A軸可旋轉且有刀具選擇的功能，因此刀具可選擇使用的余地就大了。伴隨A軸的旋轉，一次裝夾就能加工多個工序。這種數控機床的缺點是刀具不能擺動，機床較小，功率較小。圖1為四坐標系。

圖1 四坐標系

2 汽輪機T型葉根的加工

2.1 葉片的造型

葉片的組成：葉片的種類繁多，但各類葉片均主要由兩個部分組成，即裝配面部分和汽道部分，組成如圖2所示。因此葉片的加工也分為裝配面的加工和汽道部分的加工。裝配面部分又包括叫葉根部分和葉冠部分，它們使葉片安全可靠地、準確合理地固定在葉輪上，以保證汽道部分的正常工作。汽道部分又叫型線部分，它形成工作氣流的通道，完成葉片應起的作用，因此汽道部分加工質量的好壞直接影響到機組的效率。汽道部分的橫截面稱為葉型, 其周線稱為型線。一條型線由進汽邊圓弧和背弧、出汽邊圓弧和內弧組成。葉片的葉身是由若干條型線擬合而成的光滑復雜曲面。目前常見的為變截面扭葉片，葉片葉身是由沿葉輪輻射線方向按一定規律給出的多個特征截面擬合而成，一般由兩種方法給出葉片不同的橫截面數據：1）以公式曲線的形式給出，如給出圓弧連接點及圓弧半徑的數據，由各段圓弧圍成截面線；2）以一系列離散點數據用列表型線形式給出。多數葉片的截面型線由若干段不同半徑的圓弧圍成。葉片的三維造型可以通過CIMATRON、Pro/E、UG等三維造型軟件做出。圖2為葉片的組成。

圖2 葉片的組成

2.2 工步的擬定

表1 工步的擬定

2.3 坐標系的建立

數控機床坐標系分為機床坐標系和工件坐標系（編程坐標系）。機床坐標系是以機床原點建立起來的直角坐標系，它是機床本省固有的坐標系，是設置工件坐標系的基礎。

編程時使用的坐標系為工件坐標系，是為了確定零件加工時在機床中的位置而設定的，編程時應首先設定工件坐標系。工件坐標系要與機床運動的坐標系一致。編程人員根據零件的特點選定編程原點，編程時不用考慮工件在機床上的安裝位置，只需根據零件的特點及尺寸來編程。工件原點一般選擇為方便測量或對刀的位置，同時也要便于編程計算。工件坐標系建立如圖3所示，夾具如圖4所示。

圖3 工件坐標系

圖4 夾具

2.4 葉片刀位軌跡生成

2.4.1 創建刀路軌跡

創建一個繞X軸旋轉的四軸加工刀路軌跡，如圖5所示。

圖5 創建刀路軌跡

2.4.2 預銑葉根

預銑葉根是為了去除過多的加工余量，以減少在機床上精銑葉根的時間。Cimatron中采用三軸粗加工平行銑，粗加工平行銑生成一組相互平行的粗加工刀具路徑，它與體積銑傳統加工程序中的平行切削——3D類似。安全平面根據夾具和刀具的高度考慮，在cimatron中設置為坐標系01之上50mm，選擇所有顯示的對象為加工曲面。緩刀距離為1mm，以免直接下刀引起斷刀。為避免工件表面產生刀痕跡，進退刀方式選擇半徑為3mm圓弧進退刀。刀具選用Ф12的平底刀。刀路軌跡設置，為了提高效率，切削方向選用混合銑，固定垂直步近選為50%個刀具直徑，側向步長都選60%刀具直徑。最后保存并計算得出刀具路徑軌跡。圖6為刀具路徑軌跡。

圖6 刀具路徑軌跡

2.4.3 粗銑

葉片粗加工同樣采用大刀具、大步距、大行距、大切削深度，去除毛胚的大部分余量。這樣可以節省加工時間，提高勞動生產率。加工方式仍為粗加工平行銑，安全平面仍然為工件坐標系之上50mm，粗加工為半精加工留1mm的余量。對于局部存在變形的問題的部位采用多層銑。此工序的垂直步進仍為50%刀具直徑，側向步長為60%刀具直徑。在圖7可看出多層銑。

圖7 粗銑

2.4.4 半精銑和精銑

半精加工和精加工的設置基本相同，下面敘述精加工的設置，精加工要滿足設計圖的最終精度。葉片的加工質量與加工設備、裝夾過程、操作者、刀具、冷卻液等許多因素有關，因此為步距、行距、走刀公差的設置要比設計圖紙要求小，以抵消準備過程中的誤差積累。在此處選用cimatron中的航空銑。加工方式選用平行銑，切削方式為單向加工，切削順序為標準，為了減少精加工中刀具的磨損，銑削方式為順銑，設置旋轉軸為X軸，旋轉角度為180°，干涉檢查能避免刀具與工件在加工中的碰撞。在不干涉的情況下，為減少刀具抬刀的次數，從而提高效率，切削間隙、切削連刀、連刀類型都選用直接的方式；同時在快速距離、進給距離、空走刀安全距離上的選擇也會影響到加工效率，因此在保證安全的情況下選擇較小的距離。因為是4軸加工安全區域的類設置為cylinder下的平行于X軸方向的圓柱面，即繞X軸的一個圓柱面為安全區域，因為半精加工為精加工留余量為0.5mm，為提高表面質量，此處采用垂直步距為0.25的2層銑削，加類型為刀路軌跡（層銑）。圖8為刀具的快速運動軌跡。在Cimatron中軸不會旋轉，是刀具繞著軸旋轉，經過后置處理就可以改成軸旋轉。

圖8 刀具的快速走動軌跡

2.4.5 銑葉根凹槽

加工方式選擇開放輪廓銑，開放輪廓銑是考慮到一刀切削的刀具負荷較大或者是形狀要求，需要進行多刀加工時，可以指定多層加工的一種加工方式。開放輪廓銑相當于投影加工，是將開放的輪廓線投影到曲面上生成刀具路徑的一種加工方法，由加工曲面和開放輪廓線來限制。主要用于加工一些圖案、文字和流道等，可做分層加工。圖9、10為凹槽的刀軌。

圖9 凹槽的刀軌

圖10 凹槽的刀軌

2.5 程序后處理

目前CAM高級軟件多采用類計算機高級語言，如APT語言等來編制刀位原文件，然而機床控制系統并不能直接識別這種語言，故必須將這種類計算機高級語言轉換成機床可以識別的NC程序。

程序后處理之前，對于不滿意的刀路軌跡，可在刀軌編輯器中對刀軌做修改，修改后用導航器反復的查看與校驗刀具與工件是否有干涉的問題。通過對視角的轉換、旋轉、放大和平移直接查看生成的刀具路徑，觀察其切削范圍有無越界，以及有無明顯異常的刀具軌跡。確保無干涉，可以后處理生成G代碼文件，該文件可被機床控制系統識讀。然后在仿真軟件WERICUT中設置與實際機床同樣結構的加工環境，對生成的NC程序代碼進行仿真，通過干涉碰撞，加工效果等檢查，優化刀路。最后在機床上進行塑料件的試切削，無誤后進行加工。

3 結束語

本文介紹了用cimatron E軟件對汽輪機T型葉根的部分工序進行加工，所使用的工藝通過實際的加工檢驗。隨著CADCAM技術的不斷發展，對提高零件的加工速度，保證零件的加工質量，提供了技術支持。也對加工工藝的改進提供了更有力的幫助。

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