提高四聯(lián)動加工中心上葉片加工效率的研究和實現(xiàn)

摘 要：葉片是典型的透平機械零件，廣泛地應(yīng)用于航空、發(fā)電、船舶等行業(yè)。葉片加工的方法常見有精密鍛造、數(shù)控銑加工等，其中數(shù)控加工方法人力成本低、生產(chǎn)周期短和良好的加工質(zhì)量等優(yōu)點而成為首選方法。葉片型面的質(zhì)量則直接影響葉片的工作效果，由于葉片的型面是復(fù)雜的三維曲面，所以一直是葉片加工中的重點，文章CAM的設(shè)計使這種復(fù)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(shù)控編程，使大家對葉片類零件的數(shù)控加工過程有一個整體的了解。

關(guān)鍵詞：扭葉片；四軸聯(lián)動；數(shù)控加工；加工路徑；后處理；仿真加工

引言

四軸聯(lián)動加工技術(shù)主要應(yīng)用于加工具有較為復(fù)雜曲面的零件，與三軸聯(lián)動加工相比，四軸聯(lián)動加工中心在三軸聯(lián)動的基礎(chǔ)上增加了一個A或B軸，因此可以加工出更高質(zhì)量、更復(fù)雜的曲面。目前已經(jīng)普及的國產(chǎn)四聯(lián)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(fā)展中的企業(yè)來說是非常重要的。文章以工業(yè)汽輪機葉片和EUMA、MA650-VB四聯(lián)動加工中心為對象，組織了一定的人力針對葉片數(shù)控加工中的相關(guān)技術(shù)進行研究和開發(fā)，合理的利用軟件，在四聯(lián)動加工中心上成功的實現(xiàn)了葉片的高效加工。

1 研究對象

工業(yè)汽輪機葉片是汽輪機的心臟，其葉片的制造技術(shù)和制造質(zhì)量直接影響機組運行性能和機組的可靠性。葉片是較復(fù)雜的曲面體零件，長期以來采用的電解、仿形、三聯(lián)動等制造工藝，其生產(chǎn)效率非常低下，葉片型面精度難以保證，而且工藝復(fù)雜、勞動強度大、環(huán)境惡劣等特點，已不能滿足技術(shù)進步的要求，也不能有效地保證葉片型面準(zhǔn)確性和制造質(zhì)量，更不能滿足當(dāng)今汽輪機市場競爭的要求。工業(yè)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(lián)動加工中心上的研究與實現(xiàn)。

圖1

2 CAD/CAM軟件的選擇

在對設(shè)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(nèi)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(shè)計的參數(shù)比較多等特點不能滿足葉片數(shù)據(jù)的經(jīng)常變化；MasterCAM軟件在葉片設(shè)計上實現(xiàn)不了參數(shù)的設(shè)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(shù)的發(fā)展，“圖形交互式自動編程”也應(yīng)運而生，它直接將零件的幾何信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工程序。該方法極大地提高了數(shù)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(yōu)點，因此該種方法已成為目前國內(nèi)外先進的CAD/CAM軟件普遍采用的數(shù)控編程方法。TopSoild軟件就具有多種優(yōu)點，它集CAD/CAM為一體，用戶通過TopSoild軟件優(yōu)秀的CAD模塊進行復(fù)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(zhuǎn)換成機床數(shù)控系統(tǒng)能識別的NC程序，并能模擬加工檢查過切現(xiàn)象和計算加工時間。另外該軟件可以很容易地實現(xiàn)與UG、MasterCam、AutoCad等軟件進行數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如下。

4.1 葉片原始型線數(shù)據(jù)的輸入

TopSoild軟件具有較強的型線數(shù)據(jù)處理能力，我們通過產(chǎn)品型線的原始型線數(shù)據(jù)到軟件中，把每個截面分割為內(nèi)弧、背弧、出汽邊、進汽邊四個部分，并轉(zhuǎn)化為曲線（NURBS、SPLINE）。再可以通過軟件的分析來檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、合理性，發(fā)現(xiàn)錯誤時可以很方便的更改錯誤的數(shù)據(jù)，直到曲線光順，通過對每個截面的對應(yīng)關(guān)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(jù)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(jù)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(yīng)機床的設(shè)定、對應(yīng)后處理文件的編寫（此步工作只需完成一次，下次可直接調(diào)用）

TopSoild軟件可以根據(jù)實際機床的各項參數(shù)，比如：機床的結(jié)構(gòu)、機床的部件、機床驅(qū)動軸的功率、行程等參數(shù)一一設(shè)定TopSoild軟件模塊的機床當(dāng)中。當(dāng)選用了該設(shè)計的機床后，生成的NC程序方式在符合機床參數(shù)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(jù)機床相應(yīng)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(jù)對現(xiàn)有EUMA機床的特征及葉片毛坯的情況，設(shè)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(chǎn)四聯(lián)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(lián)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(lián)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(tài)，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(zhuǎn)接R部位加工

由于該葉片轉(zhuǎn)接部位R6，且斜度較大，我們采用了球頭刀具來實現(xiàn)，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(dāng)余量一層一層加工，最后保證型線的準(zhǔn)確性。在加工R時，球頭刀具與側(cè)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(cè)面的粗糙度。

6.3 型面的精加工

（1）機床采用的是A軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)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?guī)в蠷的硬質(zhì)合金立銑刀，采用圓環(huán)面銑刀轉(zhuǎn)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(yè)汽輪機葉片的要求，并且有利于三坐標(biāo)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(zhuǎn)（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(yīng)增加，并且延長刀具的壽命。

7 仿真加工

數(shù)控加工的質(zhì)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(shù)是否適當(dāng)。

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(wǎng)絡(luò)線的連接等通信方式進行方便的傳輸。

9 結(jié)束語

通過此次葉片在四聯(lián)動加工中心上研究和實現(xiàn)，全面實現(xiàn)了葉片在先進制造業(yè)中的展現(xiàn)，從加工的葉片測量數(shù)據(jù)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(shù)的開發(fā)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(jīng)濟效益，對整個汽輪機制造業(yè)的技術(shù)進步，提高汽輪機葉片制造業(yè)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(xué)[Z].

[2]TOPSOLID CAD設(shè)計基礎(chǔ)與CAM輔助加工[Z].

[3]航空發(fā)動機葉片機械加工工藝[Z].

[4]數(shù)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(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：葉片工藝，數(shù)控編程。