汽輪機(jī)葉片四軸數(shù)控加工工藝研究范文

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葉片是汽輪機(jī)組成的核心部件之一，其加工制造水平很大程度上影響著汽輪機(jī)的工作性能與效率。隨著汽輪機(jī)行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，葉片的加工方法由傳統(tǒng)的手工加工發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)控加工，其加工質(zhì)量與精度得到了很大的提高。目前，根據(jù)葉片型面的復(fù)雜程度可以分別選擇三軸、四軸、五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。三軸數(shù)控機(jī)床只能加工型面簡(jiǎn)單、扭曲較小的葉片，且毛坯需要二次裝夾，影響加工精度。五軸數(shù)控機(jī)床可以很好地加工復(fù)雜型面的葉片，但由于價(jià)格昂貴，國內(nèi)應(yīng)用尚不廣泛。四軸數(shù)控機(jī)床很好地解決了利用三軸與五軸加工葉片所帶來的問題，所以研究如何利用四軸數(shù)控機(jī)床高效地加工出合格的葉片，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有一定的參考意義。

1三維模型的建立

三維模型的獲得通常有兩種途徑:一是通過已知數(shù)據(jù)或者圖紙信息直接建立三維CAD模型，即我們通常所說的正向設(shè)計(jì);二是只有實(shí)物卻沒有數(shù)據(jù)信息，需通過測(cè)量或掃描系統(tǒng)獲得實(shí)物數(shù)據(jù)信息，然后利用成熟的CAD/CAM技術(shù)，快速、準(zhǔn)確地建立實(shí)體幾何模型，即逆向設(shè)計(jì)。本文以汽輪機(jī)的某一級(jí)T型葉根動(dòng)葉片為模型，利用激光掃描技術(shù)獲取葉片截面數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后建立三維CAD模型。圖1為葉片原型與通過逆向技術(shù)獲得的三維CAD模型。

2加工工藝設(shè)計(jì)

2．1材料與毛坯的選擇汽輪機(jī)葉片是在高溫高壓的工況下使用，通常采用高強(qiáng)鋼、不銹鋼、高錳鋼材料加工。汽輪機(jī)葉片毛坯的選擇與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，常用的汽輪機(jī)葉片毛坯形式主要有:方鋼，模鍛、精鍛、高速鍛、半精鍛、軋制、精密鑄造。由文獻(xiàn)［6］可知，T型外包葉根等截面直葉片，汽道長(zhǎng)度在100mm以內(nèi)且生產(chǎn)批量較小時(shí)，選用方鋼毛坯，大批量生產(chǎn)選用高速鍛毛坯;T型外包葉根變截面動(dòng)葉片，汽道長(zhǎng)度在100mm～200mm之間，生產(chǎn)批量較小時(shí)選用方鋼毛坯，大批量生產(chǎn)時(shí)，選用半精鍛毛坯。本文試驗(yàn)所用葉片長(zhǎng)度為186mm，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)選用方鋼毛坯，試驗(yàn)加工采用鋁合金棒狀毛坯。

2．2加工方案的確定

2．2．1加工過程分析試驗(yàn)葉片的毛坯一端用機(jī)床第四旋轉(zhuǎn)軸的卡盤裝夾，另一端用頂尖定位。葉片只有葉身部分屬于復(fù)雜型面，因此本試驗(yàn)只研究葉身型面的加工。圖2走刀方式擬定兩種切削加工方案:方案一是沿著葉片的軸線方向往復(fù)式走刀加工，如圖2a所示，方案二是沿葉片截面輪廓線螺旋走刀加工，如圖2b所示。對(duì)兩種加工方案進(jìn)行數(shù)控編程并仿真加工，綜合對(duì)比分析，選擇最優(yōu)方案，并應(yīng)用于試驗(yàn)加工。

2．2．2編程設(shè)置流程試驗(yàn)葉片的數(shù)控編程及仿真加工均在CimatronE8．5環(huán)境下進(jìn)行，葉身的加工過程分為粗加工、半精加工、精加工三道工序。編程設(shè)置流程:(1)創(chuàng)建刀路軌跡:進(jìn)入CimatronE8．5的加工模式，選定機(jī)床坐標(biāo)軸類型為“4”軸，設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸為“X”軸，然后按照葉片模型建立毛坯，根據(jù)毛坯幾何尺寸設(shè)定刀具的安全高度。(2)創(chuàng)建加工程序:為了提高加工效率，葉片的整個(gè)加工過程要按照零件曲面形狀銑削材料，所以從粗加工到半精加工，最后到精加工都要將加工程序設(shè)置界面主選擇設(shè)為“流線銑”，二級(jí)選擇設(shè)為“四軸零件曲面”。(3)設(shè)定零件:根據(jù)不同的加工方案分別將零件的外表面分為若干部分，在編程過程中根據(jù)加工順序選擇相應(yīng)的零件曲面。(4)設(shè)定刀具:在刀具和卡頭設(shè)置窗口中，要根據(jù)加工工序設(shè)置刀具種類和刀桿長(zhǎng)度。刀具的選擇原則:平底銑刀是以線接觸的方式加工，加工效率高，所以粗加工應(yīng)選擇平底銑刀;球頭銑刀是以點(diǎn)接觸的方式加工，切削效率低，應(yīng)用于半精加工和精加工。本試驗(yàn)兩種加工方案編程時(shí)粗加工都選擇14mm平底銑刀，半精加工和精加工均選用8mm的球頭銑刀。(5)設(shè)置刀路參數(shù)和機(jī)床參數(shù):根據(jù)粗加工、半精加工、精加工工序的不同設(shè)置不同的刀路參數(shù)與機(jī)床參數(shù)。在刀路參數(shù)設(shè)置中，可以對(duì)進(jìn)退刀點(diǎn)和進(jìn)退刀方式、安全平面、精度與曲面偏移量、刀路軌跡等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，需要將切削材料合理進(jìn)行分層設(shè)置。刀路軌跡設(shè)置選項(xiàng)中，選擇基于等殘留高度法的沿X軸往復(fù)型走刀方式，即方案一走刀方式，如果將“加工方向”設(shè)置為“反向”，即為方案二走刀方式。機(jī)床的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。葉片型面的粗加工目的是快速切除毛坯上多余的材料，加工出葉片大致輪廓，注重的是加工效率，所以應(yīng)盡可能選擇大的切削深度和進(jìn)給量;半精加工的目的是為了比較準(zhǔn)確加工出的葉片型面形狀，但要為精加工留有加工余量;葉片精加工的目的是準(zhǔn)確加工出葉片型面，需要選取較小的走刀行距和切削寬度、進(jìn)給速度，以提高表面的加工質(zhì)量。圖3為方案一半精加工時(shí)部分刀路參數(shù)和機(jī)床參數(shù)的設(shè)置。(6)保存設(shè)置:保存各項(xiàng)設(shè)置，利用軟件自動(dòng)計(jì)算生成每種加工方案的粗加工、半精加工、精加工的刀具軌跡。圖4為方案一粗加工的刀具軌跡。

2．2．3CimatronE8．5環(huán)境下的仿真加工CimatronE8．5的高級(jí)仿真功能是通過計(jì)算機(jī)來驗(yàn)證所生成刀具軌跡的正確性。仿真加工主要是模擬零件的加工過程，由于它可以動(dòng)態(tài)描述葉片三維模型、刀具軌跡、刀具在加工過程中的變化，可以從不同角度觀察加工情況，具有實(shí)時(shí)性。通過仿真加工，可以觀察到走刀路線是否合理，刀具與工件表面是否發(fā)生過切、干涉，進(jìn)退刀的高度與方式是否合適以及加工時(shí)間的長(zhǎng)短，省去零件材料試切環(huán)節(jié)，節(jié)約成本，減少了加工檢查時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。CimatronE8．5仿真步驟如下:在CAM模式下，點(diǎn)擊“高級(jí)仿真”，進(jìn)入“模擬檢驗(yàn)窗口”，選中要模擬的程序，確定后進(jìn)入CimatronE的仿真器Verifier模擬加工過程，從而檢驗(yàn)程序的正確性。圖5是兩種方案仿真加工過程示意圖。經(jīng)過仿真加工驗(yàn)證了兩種方案編程設(shè)置的正確性，在相同參數(shù)設(shè)置的情況下，方案二所耗時(shí)是方案一的3倍。

2．2．4走刀方式的選擇及分析方案一沿葉片的軸線方向往復(fù)加工，刀具軌跡近似直線，可以采用較大步長(zhǎng)生成刀具軌跡，而且不會(huì)產(chǎn)生過切現(xiàn)象，可以有效減小加工程序，使加工效率得到提高，此種走刀方式適用于方鋼毛坯，但在變截面大扭曲葉片的加工過程中，易出現(xiàn)空走刀現(xiàn)象。此外，如果葉片邊緣薄，切削邊緣時(shí)由于剛度較小，易出現(xiàn)毛刺，圓滑度較差。方案二是沿著葉片截面線螺旋走刀加工，該方案符合葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所加工的葉片葉型準(zhǔn)確度高，但沿葉片截面方向曲率較大，這樣就必須采用較小的步長(zhǎng)生成刀具軌跡，否則在加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)過切現(xiàn)象，數(shù)控編程計(jì)算量較大，程序較長(zhǎng)，加工效率低。此種走刀方式適用于模鍛、精鍛毛坯。對(duì)比兩種方案仿真加工時(shí)間分析，在相同參數(shù)設(shè)置情況下，方案二所耗時(shí)是方案一的3倍，考慮葉片應(yīng)用到汽輪機(jī)之前，還需要經(jīng)過拋光處理，即使邊緣圓滑度較差也可以通過拋光方法來解決。綜合上述分析，為了提高加工效率，選定方案一進(jìn)行葉片實(shí)際加工。

3葉片加工試驗(yàn)

3．1試驗(yàn)設(shè)備與材料試驗(yàn)設(shè)備:試驗(yàn)使用型號(hào)為FV-800A的四軸加工中心，該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為FNAUC-0imB，主軸可無級(jí)調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速8000r/min，最大進(jìn)給速度10m/min。試驗(yàn)材料:為了保護(hù)機(jī)床和減少刀具的磨損，使用硬度相對(duì)較小70mm的7075鋁合金材料進(jìn)行加工。

3．2參數(shù)設(shè)置加工順序:結(jié)合葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際加工情況，選擇分層銑削工藝，順序?yàn)?葉身凹面粗加工、葉身凸面粗加工、葉身半精加工、葉身精加工、葉根加工。采用硬質(zhì)合金刀具加工，切削液采用乳化液。各項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)定如表1所示。

3．3加工試驗(yàn)葉片型面以及葉根的加工均在四軸加工中心上完成，從粗加工到精加工耗時(shí)2．5h。加工過程中未發(fā)生過切、碰刀、干涉現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了刀具軌跡計(jì)算的合理性。葉片表面刀具軌跡分布比較均勻，邊緣較薄處出現(xiàn)輕微毛刺現(xiàn)象，與理論分析吻合。圖6為葉片加工試驗(yàn)過程圖，圖7為加工后的鋁合金葉片。

4結(jié)論

通過對(duì)汽輪機(jī)葉片四軸數(shù)控加工方法的研究，得出如下結(jié)論:(1)四軸數(shù)控加工葉片解決了三軸數(shù)控機(jī)床加工時(shí)需要兩次裝夾的問題，提高了葉片的加工精度;(2)葉片毛坯應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來選擇;加工過程中，合理地選擇走刀方式能夠顯著提高工作效率;(3)試驗(yàn)驗(yàn)證了CimatronE8．5軟件四軸加工自動(dòng)編程和仿真加工的可靠性。

作者：邢健 程艷艷 單位：東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工機(jī)械系