提高四聯動加工中心上葉片加工效率的研究和實現

摘 要：葉片是典型的透平機械零件，廣泛地應用于航空、發電、船舶等行業。葉片加工的方法常見有精密鍛造、數控銑加工等，其中數控加工方法人力成本低、生產周期短和良好的加工質量等優點而成為首選方法。葉片型面的質量則直接影響葉片的工作效果，由于葉片的型面是復雜的三維曲面，所以一直是葉片加工中的重點，文章CAM的設計使這種復雜型面的加工變得相對容易。文章通過對某型葉片的造型及數控編程，使大家對葉片類零件的數控加工過程有一個整體的了解。

關鍵詞：扭葉片；四軸聯動；數控加工；加工路徑；后處理；仿真加工

引言

四軸聯動加工技術主要應用于加工具有較為復雜曲面的零件，與三軸聯動加工相比，四軸聯動加工中心在三軸聯動的基礎上增加了一個A或B軸，因此可以加工出更高質量、更復雜的曲面。目前已經普及的國產四聯動機床，機床價格低廉，并且維護成本低于進口機床，這對一個發展中的企業來說是非常重要的。文章以工業汽輪機葉片和EUMA、MA650-VB四聯動加工中心為對象，組織了一定的人力針對葉片數控加工中的相關技術進行研究和開發，合理的利用軟件，在四聯動加工中心上成功的實現了葉片的高效加工。

1 研究對象

工業汽輪機葉片是汽輪機的心臟，其葉片的制造技術和制造質量直接影響機組運行性能和機組的可靠性。葉片是較復雜的曲面體零件，長期以來采用的電解、仿形、三聯動等制造工藝，其生產效率非常低下，葉片型面精度難以保證，而且工藝復雜、勞動強度大、環境惡劣等特點，已不能滿足技術進步的要求，也不能有效地保證葉片型面準確性和制造質量，更不能滿足當今汽輪機市場競爭的要求。工業汽輪機動葉片主要以扭葉片和直葉片（圖1）兩種，文章以扭葉片為重點，著重講述該扭葉片在四聯動加工中心上的研究與實現。

圖1

2 CAD/CAM軟件的選擇

在對設備功能、刀具性能和葉片成本等要素進行分析后，我們對目前國內國際流行的UG、Pro/E、MasterCAM等軟件進行了各方面的實踐和考評。UG、Pro/E相對葉片加工來說性價比不合理，設計的參數比較多等特點不能滿足葉片數據的經常變化；MasterCAM軟件在葉片設計上實現不了參數的設計功能，在型面加工時只能采用球頭刀、加工時球頭刀與型面垂直等弱點，影響了加工的效率和成本。在多方的努力實踐下，我們選擇了TopSoild軟件。

3 TopSoild軟件的特點

隨著計算機技術的發展，“圖形交互式自動編程”也應運而生，它直接將零件的幾何信息轉化為數控加工程序。該方法極大地提高了數控編程的效率，并且具有精度高、直觀性好、使用簡便、便于檢查等優點，因此該種方法已成為目前國內外先進的CAD/CAM軟件普遍采用的數控編程方法。TopSoild軟件就具有多種優點，它集CAD/CAM為一體，用戶通過TopSoild軟件優秀的CAD模塊進行復雜的幾何圖形造型，通過CAM模塊編制各種方式的加工路徑，在通過后處理轉換成機床數控系統能識別的NC程序，并能模擬加工檢查過切現象和計算加工時間。另外該軟件可以很容易地實現與UG、MasterCam、AutoCad等軟件進行數據交換，大大提高了TopSoild軟件的通用性。

4 葉片的CAD造型

典型扭葉片的造型分為葉根、型面、圍帶三個部分，具體結構如下。

4.1 葉片原始型線數據的輸入

TopSoild軟件具有較強的型線數據處理能力，我們通過產品型線的原始型線數據到軟件中，把每個截面分割為內弧、背弧、出汽邊、進汽邊四個部分，并轉化為曲線（NURBS、SPLINE）。再可以通過軟件的分析來檢查數據的準確性、合理性，發現錯誤時可以很方便的更改錯誤的數據，直到曲線光順，通過對每個截面的對應關系，放樣、舉升各個截面的型線生成曲面光滑為止。

4.2 葉根及圍帶

葉根及圍帶的造型使用軟件的拉伸功能，合理的選擇角度快速的拉伸葉片的投影截面形狀。

4.3 葉根的倒角

TopSoild軟件有很方便的倒角功能，根據葉片的零件要求倒出葉根與型面之間的倒角R，由于圍帶最終鋸斷，此處R將不考慮。在一些葉片中葉根處可以不倒角，可根據實際尺寸、加工刀具來保證R的大小。但在此處倒角在加工時可防止粗加工在R處過切。

5 TopSoild軟件模塊中相應機床的設定、對應后處理文件的編寫（此步工作只需完成一次，下次可直接調用）

TopSoild軟件可以根據實際機床的各項參數，比如：機床的結構、機床的部件、機床驅動軸的功率、行程等參數一一設定TopSoild軟件模塊的機床當中。當選用了該設計的機床后，生成的NC程序方式在符合機床參數的情況下加工。在機床滿足的情況下，編寫后處理配置文件，使生成的NC文件完全符合機床的NC格式。在機床的模擬上可根據機床相應部件的運動與實際一致，這樣在軟件模擬時仿真性能較好。

6 加工工藝路線的指定、加工方式的選擇

根據對現有EUMA機床的特征及葉片毛坯的情況，設定如表1加工工藝路線并對個工藝路線選擇合理的加工方式。

表1

6.1 粗加工

由于國產四聯動機床有其自身不可避免的弱點，剛性差、A軸速度低、四軸聯動性能較差、刀具性能的影響較大，為此我們特地選用三軸聯動的方式來完成粗加工，刀具的直徑為50mm，加工時符合刀具按層切削使用的狀態，選用合適的線速度、每齒進給量。加工后的效果圖見圖2。

圖2

6.2 葉根轉接R部位加工

由于該葉片轉接部位R6，且斜度較大，我們采用了球頭刀具來實現，在葉片較大或粗加工刀具較大的情況下，此處余量往往比較多，考慮刀具性能和加工效率等因素，可按適當余量一層一層加工，最后保證型線的準確性。在加工R時，球頭刀具與側面往往會接觸，所以光潔度不是很好，只有通過小余量來切削或刀具的剛性來保證型面、側面的粗糙度。

6.3 型面的精加工

（1）機床采用的是A軸連續旋轉的加工方式，加工路徑如圖3。由于精加工采用的刀具為直徑>20mm且帶有R的硬質合金立銑刀，采用圓環面銑刀轉角度（Lead Angle）的加工方式加工，加出葉片的光潔度可以完全符合工業汽輪機葉片的要求，并且有利于三坐標測量儀的測量。

（2）在實際加工中，型面加工時利用刀具來回縱向切削，該方法可以避免由于A軸速度低而帶來的速度慢等特點，在加工時，型面與葉根接刀部位已加工，在圍帶處可旋轉（1至2圈）加工去除余量，這樣在加工型面切削時進給量可相應增加，并且延長刀具的壽命。

7 仿真加工

數控加工的質量與效率很大程度上取決于所編程序的合理性。TopSoild軟件在仿真加工時，可以很清楚的看見加工的葉片有沒有過切、刀具與工裝、機床是否干涉、刀具的參數是否適當。

8 生成NC程序

TopSoild軟件的后處理采用靈活的方式，以VB、C++語言為主的MachineToolConfigurationFile（機床配置文件）可以方便的更改，生成滿足機床的NC文件格式，再通過PC的RS232接口、網絡線的連接等通信方式進行方便的傳輸。

9 結束語

通過此次葉片在四聯動加工中心上研究和實現，全面實現了葉片在先進制造業中的展現，從加工的葉片測量數據分析，加工精度已達到國際先進水平，從加工過程看，加工效率也已接近國際先進水平。該技術的開發成功，對葉片的加工能力有了更高層次的提高，具有很好的社會和經濟效益，對整個汽輪機制造業的技術進步，提高汽輪機葉片制造業的市場競爭力都有著重要的意義。

參考文獻

[1]透平機械制造工藝學[Z].

[2]TOPSOLID CAD設計基礎與CAM輔助加工[Z].

[3]航空發動機葉片機械加工工藝[Z].

[4]數控加工中心編程實例精萃[Z].

作者簡介：張新苗（1980，9-），男，浙江省杭州市，現職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：葉片工藝，數控編程。