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轴流式透平叶片的四轴联动数控加工方法

杨小毅 / 陕西煤业化工集团有限责任公司    

摘要:介绍了轴流式透平用叶片类零件的四轴联动数控加工工艺工程,粗加工及精加工叶形时的编程方法,包括叶形曲面的三维计算机造型,叶形部分粗加工去量大时的装夹方法、分面铣削方法及数控编程、刀具选用和加工参数选择;四轴联动精加工装夹方法、编程方法等。指出编程中应注意的事项。探讨了此类零件的小批量低成本制造的有效途径。
关键词:叶片;四轴联动;数控;加工方法

中图分类号:TH453 文献标志码:A
Four-axis NC Machining Method of Axial Flow Turbine Blade
Abstract:This paper introduces the four-axis NC machining process engineering for the axial flow turbine blade parts, programming method of rough machining and finish machining, including 3D computer modelling of leaf shape, clamping method when rough machining, surface milling method and NC programming, tool selection and processing parameter selection, four-axis machining clamping method, programming methods and so on. And it has pointed out matters should be paid attention in programming, and explored effective ways to this kind of parts with small batch and low-cost manufacturing.
Key words: blade; four-axis; NC; machining method
1 概述
  目前,在世界范围内五坐标联动数控加工轴流式透平类叶片的工艺,以其效率高、质量好等优点,已成为最先进、最高效的工艺[1-2] 。然而,这种工艺加工叶片型面时所用设备较为昂贵,动辄几百万乃至上千万,制造出的叶片成本也较高。对于批量不大,非长期制造这种叶片时,不宜采用这种工艺。本文介绍了这种叶片的一种小批量低成本制造工艺。如图1所示,是一种轴流式透平用静叶片型面的三维曲面造型图。

2 叶片三维曲面计算机造型方法
  这种叶片的横截面一般采用流线型。如图2为某叶片的一个截面曲线(点)形状图,左侧为进气侧,右侧为出气侧。如果放大可以看出左右两端都由一段圆弧组成。背弧侧和内弧侧由光滑的样条曲线组成。由很多这种变化的截面曲线在空间按照一定的规律光滑连接,即形成叶片的型面(空间曲面)。图3为某叶片的一组截面曲线。这些封闭的曲线经光滑连接生成空间曲面后即为图1所示叶片的空间曲面。

  目前可以进行三维空间造型的软件很多。常用的如MASTERCAM、UG NX、CATIA、PROE、HYPERMILL、CIMATRON、中望3D等。

  进行曲面造型时,采用举升曲面(MASTERCAM 软件)连接方法。特别要注意的是选择曲线连接时,尽可能使起点在相同部位,曲线连接的方向也要一致,否则生成的曲面很可能产生扭曲等现象。如果生成的曲面有不光滑之处,说明截面曲线有不光滑的地方,需将其进行放大后,修改数据点坐标值,达到光滑要求即可,然后重新连接成截面曲线和空间曲面。
3 主要制造工艺过程
  为了加工方便,叶形顶端要留出工艺夹头,具体尺寸按叶片尺寸大小确定,方便加工装夹为准。静叶的工艺过程为:下料——锻造——热处理——粗加工(叶形部分)——划线——粗车叶柄——打中心孔——粗铣叶形——精车叶柄——精铣叶形——切掉夹头——叶形抛磨(喷砂)。加工过程中及搬运时,叶柄处精度较高,注意保护,防止磕碰划伤。以下主要介绍叶形的粗加工、精加工工艺及编程。
4 叶形粗加工制造工艺及编程
  粗加工时,先将叶形部位在普通铣床上加工出工艺基准面(大平面),以方便装夹找正,然后再加工两侧面。横截面矩形的尺寸必须保证叶片曲面完全被包络,不可出现缺肉现象。叶形粗加工时,为了降低成本,提高加工效率,采用国产三轴联动数控铣床,分两面加工。预先要在叶顶工艺夹头部位加工出适当的装夹平台面(可与粗加工时加工出的基准面平齐)。在夹头部位下面垫适当的平垫铁,上面压压板。另一端可以用V形铁支承或采用三爪卡盘装卡。然后找正,使工件的轴线与机床X轴平行。X轴向定位基准参照叶片中部圆台背面(圆柄一侧平面)位置,(注意此轴向面留有一定加工余量)。以下所述是先加工背弧侧,再加工内弧侧。
  由于叶形粗加工主要为去掉大量的材料,故采用分层加工法。刀具选用D25R5的圆柱立铣刀(根据叶片尺寸大小定)。编程时采用挖槽加工,并将刀具路径限制在一定范围之内:避开工艺夹头和叶柄圆台处。注意圆台不可过切,见图4。

  根据刀具和工件材料等实际情况,选择合理的切削层厚度、主轴转速和进给速度等。选择和装夹刀具时,刀杆不可过长,否则易产生振动。应使刀杆尽可能短,以不产生干涉为宜。
  为验证编程正确性,预先进行叶片毛坯三维造型,将其按一定格式保存(如STL格式),做为三维加工仿真时的毛坯。这样仿真与实际情况更接近。背弧仿真验证通过后,可将仿真加工的结果同样保存为下一步内弧面三维加工仿真的毛坯,以便进行内弧面的三维实体加工仿真,见图5。

  背弧面加工完后(应将一批叶片加工完),重新调整垫铁等,工件沿轴线(X轴方向)旋转180°,以同样的方法加工内弧面。所用程序也必须经过计算机三维加工仿真后,才能进行试切。图6为内弧面加工计算机仿真时的刀具路径图。

  内弧面三维实体仿真验证时,为了更切近实际,毛坯使用背弧面粗加工时生成的毛坯(保存为三维图形文件),但要进行180°旋转。
  要注意的是:背弧面和内弧面编程时两侧所选择的垂直方向分型面必须注意其深度位置,保证两面加工完成后,分型面处不留飞边。如果深度选择不当,就会留下或多或少的飞边。如图7所示,是局部留有飞边实况图。

  叶片形面粗加工时,形面部位也要留有一定余量,一般留0.5~1mm。粗加工分层的层厚越薄,加工结果与实际曲面越接近,刀痕越细腻,但也会降低粗加工效率。要使效率得到保证,就要提高主轴转速,提高进给速度。这样才能提高粗加工的材料去除率。
  为了减少打刀,提高加工平稳性,下刀时最好采用螺旋下刀的方式。只不过如此会使生成的机床程序变长。但对于现在的数控机床,这已不是问题。下面是FANUC系统数控机床所用的部分机床程序段[3-4]
%
00000(NH_N)
(DATE=DD-MM-YY-10-07-12 TIME=HH:MM-11:35)
(T229 | 20. FLAT ENDMILL | H229 | XY STOCK TO LEAVE - .5 | Z STOCK TO LEAVE - 0.5 )
N10 G21
N12 G0 G17 G40 G49 G80 G90
N14 T229 M6
N16 G0 G90 G54 X-141.843 Y-75.5 A0. S3500 M3
N18 G43 H229 Z150.
N20 Z53.5
N22 G1 Z48.5 F25.
N24 Y-75.591 Z46.993
N26 Y-75.863 Z45.509
N28 Y-76.312 Z44.067
N30 Y-76.932 Z42.691
N32 Y-77.713 Z41.399
N34 Y-78.644 Z40.211
N36 Y-79.711 Z39.144
N38 Y-80.899 Z38.213
N40 Y-82.191 Z37.432
N42 Y-83.567 Z36.812
N44 Y-85.009 Z36.363
N46 Y-86.493 Z36.091
N48 Y-88. Z36.
N50 G2 X-154.343 Y-100.5 I-12.5 J0.
N52 X-166.843 Y-88. I0. J12.5
N54 X-141.843 Y-63. I25. J0.
N56 X-116.843 Y-88. I0. J-25.
N58 X-132.873 Y-111.336 I-25. J0.
N60 G1 X-134.108 Y-111.774 Z35.931
N62 X-135.365 Y-112.147 Z35.863
N64 X-136.639 Y-112.453 Z35.794
N66 X-137.927 Y-112.692 Z35.725
N68 X-139.227 Y-112.863 Z35.656
N70 X-140.533 Y-112.966 Z35.588
N72 X-141.843 Y-113.001 Z35.519
N74 X-143.223 Y-112.962 Z35.447
N76 X-144.598 Y-112.848 Z35.374
N78 X-145.965 Y-112.658 Z35.302
N80 X-147.32 Y-112.393 Z35.23
N82 X-148.658 Y-112.054 Z35.157
……
N2358 X-191.214 Y76.004
N2360 X-191.259 Y76.
N2362 X-192.951
N2364 X-192.996 Y76.004
N2366 G0 Z5.
N2368 Z150.
N2370 M5
N2372 G91 G28 Z0.
N2374 G28 X0. Y0.
N2376 M30
%
  如果机床没有刀库,则要去掉上述程序中的换刀指令。
5 叶形精加工制造工艺及编程
  叶形部位粗加工完成后,先在车床上精加工好叶柄及圆台部位,再进行叶形部位的半精加工、精加工[5] 。叶形的半精加工及精加工在四轴联动的立式数控加工中心上进行。
5.1 装夹找正
  装夹采用叶柄端三爪卡盘装夹,另一端顶尖支承的形式。可以顶尖在左端,卡盘在右端,也可以反过来,但必须与编程坐标系相吻合。三爪卡盘装夹叶柄时,防表面夹伤,另一端顶尖顶中心孔处。要求顶尖与三爪卡盘同轴,公共轴线则与机床X轴平行。公共轴线的高度要保证叶片能够旋转而不产生任何干涉。并且,工件的位置要放在机床工作台的适当位置上,便于加工、观察,且不会超出机床行程。
5.2 刀具选择及对刀
  叶形部分半精加工、精加工都采用四轴联动回转式进刀加工的方法。为提高工效及表面质量,可以采用带圆角的平底刀,或者用球头刀。但是,通用的CAM软件编程时,圆角平底刀易产生干涉而出现过切。如果采用专业的叶片编程软件则较容易避免。常用的刀具是球头铣刀,直径可采用D25、D20等,视叶片尺寸大小而定。
  走刀路径采用沿叶片型面的螺旋形刀路。这种刀路连续进刀,切削平稳,加工出的表面较光滑。图8为某叶片精加工时的刀具路径图。(为了看图清楚,图中缩短了刀轴矢量线长度。)

5.3 编程加工
  精加工采用螺旋走刀方法,最后一刀适当缩小步距,缩短空间点之间的间距。进刀处须有切入过程,并正确选择切入时刀轴矢量的角度,以避免扎刀、断刀等[8] 。下面为某叶片精加工程序的一部分(四轴联动,分别为X、Y、Z、A轴)。
%
00001
N10 G0 G40 G49 G80 G90
N12 G94 G54 X-150. Y-29.982 A63.772 S1000 M3
N14 Z113.401
N16 Z18.401
N18 G1 Z13.401 F100.
N20 Y-28.767 Z13.059 A64.423
N22 Y-27.549 Z12.748 A65.074
N24 Y-26.345 Z12.379 A65.839 F120.4
N26 Y-25.136 Z12.045 A66.604
N28 Y-23.941 Z11.658 A67.485 F138.8
N30 Y-22.739 Z11.31 A68.366
N32 Y-21.55 Z10.912 A69.366 F157.6
N34 Y-20.354 Z10.559 A70.365
N36 Y-19.564 Z10.287 A71.111 F176.5
N38 Y-18.771 Z10.038 A71.858
N40 Y-17.974 Z9.811 A72.604
N42 Y-17.022 Z9.567 A73.355 F151.7
N44 Y-16.067 Z9.35 A74.107
N46 Y-15.109 Z9.16 A74.858
N48 Y-14.145 Z8.955 A75.605
N50 Y-13.178 Z8.777 A76.353
……
N56872 Y-28.854 Z16.239 A23458.234
N56874 Y-29.06 Z15.773 A23459.153
N56876 Y-29.259 Z15.305 A23460.073
N56878 Y-29.45 Z14.835 A23460.992 F328.1
N56880 Y-29.633 Z14.363 A23461.911
N56882 Y-29.809 Z13.889 A23462.829
N56884 Y-29.977 Z13.415 A23463.745
N56886 G0 Z18.415
N56888 Z113.415
N56890 M5
N56892 M30
%
  可以看出,此程序长度达3万多行。图9为三维实体仿真加工图(仿真毛坯为方料)。

5.4 注意事项
5.4.1 叶形表面不光滑
  加工出的叶片表面不光滑,有可能在曲面设计时就有缺陷,必须修改原始设计数据。也可能由于过切挖刀,则必须修改编程[8-9]
5.4.2 叶片薄棱边处加工
  由于是螺旋式回转加工,在薄棱边一侧加工时,由于其曲率很大,转盘会产生快速的旋转,极易打刀。编程时应加密此处数据点,限制其角速度等[10]
5.4.3 进刀不平稳或扎刀、打刀
  由于进刀时的突然切入二产生。这种现象在粗加工时较为突出。应加入合理的进刀切入刀轨。
5.4.4 关于三维实体仿真
  三维实体仿真更能模拟出数控加工的实际情况。但技术上还是较为复杂。如MASTERCAM软件,目前还不能实现工件旋转的实体仿真(X5以下版本)。要实现更切实际的三维实体仿真,可以借助于VeriCut等较专业的仿真软件[11-12] 。要用MASTERCAM软件实现更好的三维实体仿真,可以再粗加工编程仿真时,提取出粗加工后生成的坯料造型,作为精加工的毛坯。如此才可以进行更为真实的三维实体仿真。
6 结论
  五轴联动数控加工此类叶片效果固然好,但硬件、软件投入都较大,编程较专业,对编程人员要求也高。此类软件如RCS、意大利法拉利的Ts35G、Hypermill等。但这些软件价格也较昂贵。
  本文介绍的方法,适合于较小批量、低成本地生产此类叶片。也可以作为五轴精加工前的粗加工工序来用。这样既可以降低此类叶片的制造成本,也可以保证其制造质量及精度。

参 考 文 献

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