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分体式叶片零件的数控加工 |
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作者：山西平阳重工机械公司 耿小强 丁勇 卫太成 |
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叶片是汽轮机、水轮机压汽机、推进器等装置的关键部件。叶片的型面的质量则直接影响叶片的工作效果，进而直接影响整机的工作性能。由于叶片的型面是复杂的空间曲面，所以一直是叶片加工中的难点，高性能CAM软件的出现，使这种复杂型面的加工变得相对容易。本文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。
一、叶片结构特点
叶片材料为30CrMnSiA，经热处理后，其强度相当大，且从零件的结构看，后缘的导圆半径仅为0.1mm，属于典型的薄壁件，易产生加工变形，如图1所示。
叶片的曲面部分由7个截面数据确定，各叶片截面之间扭曲比较大，由于在流体中工作，所以曲面的本身和曲面与叶柄之间的过渡面的光顺程度要求较高，对数控加工精度提出了很高的要求。
图1 叶片实体模型
根据笔者的总结，叶片的加工工艺流程如图2所示。
图2 加工工艺流程
二、叶片的CAD造型
根据不同的需求叶片可以表示为曲面模型、实体模型、特征模型，曲面模型适用于数控加工，实体模型可用于几何参数分析，特征模型可用于设计、加工、产品管理集成。建立叶片的曲面模型是其在造型最基本的要求，更进一步则是建立实体模型，建立特征模型是生产管理上更高层次的需求。根据设计提供的截面数据不同，叶片曲面可以分为直纹面以及自由曲面，其造型方法也有所不同。该叶片属于自由曲面叶片，造型过程比较复杂，而且其加工精度要求也较高。其设计数据是按几个截面给出的，各个截面为以轮毂轴线为轴线的一组同心圆柱面，数据为圆柱面展开平面，沿弦线为水平方向给出。曲面造型过程分为构造展开平面内的各段曲线、编辑构造空间截面线、构造曲面以及过渡区域R面建立等4个步骤。
1. 构造平面曲线
设计给定的数据为各截面的展开平面上的曲线型值，平面线是由叶面曲线、前缘、叶背曲线、后缘四段曲线组成。其中叶面线和叶背线为自由曲线，前缘、后缘为一段圆弧。将给定的数据输入软件中，采用三阶NURBS曲线连成光顺的样条曲线，由于前、后缘处曲线为圆弧，叶面、叶背曲线连接处曲线可能不光顺。在高速旋转的流场中，对叶片的型面有很高的要求，否则会影响叶片的流体动力性能，故四段曲线在相连接处要求保持连续，如图3所示。
图3 各截面平面曲线
2. 构造截面线
得到平面曲线后，根据图纸给定的数据计算其螺旋角，通过旋转、缠绕，得到各截面的空间截面曲线，如图4所示。
图4 各截面空间曲线
3. 构造曲面
由所得的各截面线通过扫描操作可以得到叶片的叶面、前缘面、叶背面、后缘面曲面造型。因为要求四张曲面是光滑连接的，所以在扫描操作中，对生成的曲面限制在边界处与相邻曲面相切，而在造型过程中可能存在由于截面线的不光滑，截面线数量太少，截面线变化不规则，选择对齐点方式不恰当等原因导致最后的曲面发生不光顺、扭曲现象，所以需要不断调整数据点以及对齐点方式，来生成高质量的曲面。
得到合格的叶片各个曲面模型以后，还需要用叶稍面、叶片底端面等对其进行剪裁操作，最终得到完整的叶片的各个曲面。
4. 叶片与柄部、前缘与后缘过渡区域的造型
叶片与柄部过渡区域在设计上是按变圆角规律光滑过渡的。过渡区域是沿着叶片与其他各个曲面交线作的与交线两旁曲面相切的过渡曲面，与许多曲面具有边界相切限制，因此构造过渡区域是较复杂的过程。该叶片过渡区域为变圆角过渡，可以事先将圆角变化规律转换到沿过渡线指定相应点的过渡圆角值，再通过过渡面操作得到变圆角过渡面。将得到的各个曲面经过缝合裁减后得到叶片的实体。
三、叶片的的CAM加工
1. 坐标系的确定
UG的坐标系包括绝对坐标系、工作坐标系、加工坐标系。一般数控加工时要求加工坐标系与工作坐标系一致，工作坐标系由工艺决定，在叶片的加工中根据工艺的需求，选择基准孔轴线与叶柄轴线的交点为加工坐标系的零点。
2. 刀具的选择
数控机床使用的铣刀种类包括：盘铣刀、立铣刀、球头立铣刀、球头锥铣刀及其他成型刀。各种刀具有其不同的用途。
由于该叶片采用模锻件毛坯，留量较为均匀，故轮廓的加工采用12平头立铣刀，型面的加工考虑过渡面的曲率大小，所以采用12球头铣刀来完成。
3. 加工参数的设置
数控加工参数的设置较多，主要包括设置主轴转速、走刀进给速度、步距、加工余量、走刀方向和进退刀方式等。
切削参数包括切削速度(主轴转速)、进给速度、步距和加工余量等。数控加工时切削参数的选择目标是在刀具的耐用度和机床、夹具和工件的刚度允许的情况下，在保证零件的加工精度的同时，获得最大的材料去除率。在程序编制前，切削宽度和切削深度两个参数必须确定下来，而切削速度和进给速度可以根据机床的倍率来调整。因此，首先根据工件材料的切削性能、刀具的耐用度及机床的性能结合粗精加工的情况，确定径向切削宽度和轴向深度，以获得最大的切削效率，在叶片的加工中根据半精加工和精加工区分选择。通过查阅相关的资料和实际的切削对比摸索出了合理的切削用量。
4. 叶片形面的加工
叶片型面为自由曲面，因为毛坯为模锻件，所以只需要进行半精加工和精加工。基本原理：首先根据要加工的表面生成偏置面，因为叶片型面是经过修剪的曲面，所以参数方向与想要的加工方向不一致，因此需要进行重新构造。
在UG固定轴加工模块中，对于叶片形面的加工，通常采用面驱动的方法来进行，可以灵活的控制驱动面的大小来控制加工区域的大小，还可以控制刀具的入刀点和步距，走刀方向，走刀方式等，达到很好的加工效果。对于半精加工，采用步距为1mm，双向走刀，这样有较高的加工效率。对于精加工，采用步距为0.3mm，单向走刀，这样加工的表面质量好。精加工叶面的刀具轨迹如图5所示。
图5 叶片型面刀具轨迹
5. 过渡面的加工
叶片形面与叶柄处的过渡面为变R曲面，与形面的参数方向不一致，而且要根据余量情况分层加工，因此无法在形面加工时一次加工完成，需要采用专门的过渡曲面加工程序。
过渡面的加工可以采用多刀清根的方式进行，但对于叶根部圆柱面产生的刀具路径效果不好，所以通常才用线驱动方式进行加工。基本原理为：先根据加工表面粗糙度的要求，生成驱动线，然后投影到被加工表面上，生成加工轨迹。在UG中用固定轴加工方式，采用线驱动来进行。方法为在偏置面上生成所需要的刀具中心路径的曲线，然后采用线驱动方式选取各曲线，投影到过渡面上，生成加工轨迹。如图6所示。
图6 过渡面的刀具轨迹
四、加工仿真与后置处理
为了缩短程序调试周期和有效避免实际加工中的过切现象，在做加工仿真中选择具有机床方针功能的软件，或采用UG软件系统进行加工仿真，调用三维造型做毛坯，利用生成的数控程序进行模拟加工，可以直观的看出干涉和过切现象，及时修改程序，这样节省了大量的时间，避免了刀具的浪费。
在UG软件中生成刀具路径后，进行后置处理，从而生成数控机床可用的NC代码。因为不同的数控设备结构及数控系统各不相同，需要专门配置后置处理文件，作者使用UG软件提供的PostBuilder工具，编制出适用的后置处理文件，成功得到使用。
五、结束语
通过对叶片的数控加工方法的研究，较好的解决了该零件批量生产的质量和效率问题，在生产中取得了很好的效果。本文提出的叶片的编程方法，不仅对叶片类零件的造型及加工，也对其他自由曲面类零件的数控编程有一定的借鉴意义。(end)
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(11/21/2005) |
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