汽輪發(fā)電機風扇葉片的三維造型和數(shù)控加工工藝

李樹偉

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

汽輪發(fā)電機風葉的需求量大，加工精度要求高，單件重量控制嚴格，形狀復雜。早期采用鑄造成型，手工修磨的加工工藝，成品質量不好，單件的重量不均勻，給產品配重和整體質量帶來很大的影響。風葉的加工成為影響產品質量的關鍵。為解決這個問題，進行了數(shù)控加工方案的研究。

早期汽輪發(fā)電機的風葉圖紙是手工繪制的圖紙，要進行數(shù)控加工，必須進行三維造型，將二維圖紙轉變成三維的模型。通過三維模型，計算并生成加工的刀路軌跡，再通過后置處理程序，將刀路軌跡轉變成數(shù)控機床可以識別的代碼，通過數(shù)控機床的控制系統(tǒng)驅動機床運動來完成數(shù)控加工。

1 三維造型的方法

汽輪發(fā)電機風葉的形狀是曲面的，在二維圖紙使用的是七個截面表示，每個截面有一組XY的數(shù)據(jù)列表和R/r的數(shù)據(jù)，分別表示樣條曲線通過的點坐標和葉型前后緣的圓弧半徑值。每個截面又有角度說明葉片截面旋轉的角度，Z值表示截面的相對高度。

1.1 截面線的繪制

截面線在二維圖紙上是在一個相同的平面內，根據(jù)XY的數(shù)據(jù)列表點形成樣條曲線。工程應用上采用的是三次樣條曲線，保證樣條曲線的連續(xù)性和二次可導性。根據(jù)R/r的數(shù)值繪制圓弧，確定圓弧的兩端分別與樣條曲線和水平直線相切約束(如圖1所示)。

圖1 風葉截面在平面上的截面線投影

1.2 截面線的分析和調整

截面線的構造質量直接決定風葉型面的質量，關鍵是對樣條曲線的控制。一般表示樣條曲線連續(xù)性有三個概念［1］:G0位置連續(xù)，兩組曲線在端點重合，連接處的切線方向和曲率均不一致，這種連續(xù)性會有一個很尖銳的撓角。G1切線連續(xù)，兩組曲線端點重合且切線方向一致，可以看到曲率梳在接觸點位置在一條直線上，不會有尖銳的連接縫。但是，連接處曲率有突變，在視覺上還有明顯的差異。G2曲率連續(xù)，在G0、G1的基礎上，相接觸的曲率也相同，曲率梳在接觸處的刺長度和方向都一致，沒有尖銳的連接縫和曲率突變，視覺光滑流暢。G3曲率變化率連續(xù)，具有G0、G1、G2的特征，在連接處曲率的變化是連續(xù)的。同時，曲率變化可以用一次方程表示為一條直線。事實上，切線連續(xù)點的連續(xù)性能夠滿足大部分基礎工業(yè)(航空和航天、制造業(yè)、造船業(yè))?；谶@些應用，通常并無曲率連續(xù)的需求。

對于風葉的截面線而言，要求截面線的曲率梳的方向一致(如圖2所示)，并且所有刺均向外。這種理論性的要求可以有效保障風葉的型面沒有凹陷處，防止風葉在工作中出現(xiàn)氣蝕等表面缺陷。由于圖紙是早期手工繪制的二維圖紙，必然有些數(shù)據(jù)點不準確，要進行修改來保證曲線的曲率梳合理性。調整范圍必須小于0.03 mm精度，確保在設計數(shù)據(jù)的公差范圍內。

圖2 截面線的曲率梳

1.3 風葉的型面造型

將各個平面截面線根據(jù)圖紙的旋轉角度和Z方向的相對距離，變換成為三維空間的曲線，利用通過曲線功能，將各個截面連接三維空間上的型面(如圖3所示)。確定各個截面線的方向一致，使用參數(shù)對齊的模式，形成光順的型面。

圖3 風葉的三維型面

1.4 風葉理論型面分析

為了驗證風葉型面的構造質量，檢查型面的連續(xù)性，可以通過斑馬線(也叫做高光測試)分析。斑馬線實際上是模擬一組平行的光源照射到所要檢測的表面上所觀察到的反光效果。G0的斑馬線在連接處毫不相關，線和線之間不連續(xù)，通常是錯開的。G1的斑馬線雖然在相接處是相連的，但是，從一個表面到另一個表面就會發(fā)生很大的變形，通常會在相接的地方產生尖銳的拐角。G2的斑馬線則是相連的，并且在連接處也有一個過渡，通常不會產生尖銳的拐角，也不會錯位。

從斑馬線分析圖中可以看出，所有的斑馬線平滑，在拐角處有尖角，達到G1的標準。在數(shù)學上的解釋是曲面處處連續(xù)，并且二階導數(shù)連續(xù)。達到了風葉型面的質量要求(如圖4所示)。

圖4 風葉的斑馬線分析

1.5 風葉三維實體模型

通過拉伸、剪切、增加材料、去除材料、倒圓角等操作細化模型，最終完成汽輪發(fā)電機風葉三維模型的構造(如圖5所示)，作為數(shù)控加工的模型依據(jù)。

圖5 三維理論模型和實際工件

2 風葉的數(shù)控加工

風葉質量要求較高，采用整體加工完成。首先利用車床完成風葉短軸部分的加工，以加工好的風葉短軸作為基準來加工風葉的型面。采用圓筒夾具固定風葉，使用帶轉臺的數(shù)控機床一次性裝夾完成風葉型面的全序數(shù)控加工。正是采用了數(shù)控技術整體一次性裝夾加工完成，可以在實現(xiàn)大批量生產的同時，保證單件的質量相一致，避免出現(xiàn)重量不均勻的現(xiàn)象風葉的裝夾方式(如圖6所示)。

圖6 風葉的裝夾方式

2.1 風葉的開粗加工

由于是整鑄造的材料，已經(jīng)將短軸端車削完成，頂部是整塊的方料，必須進行快速的開粗加工，去除多余的材料，提高加工的效率。依據(jù)高速切削理論，采用等高型腔銑削的方式進行高速切削。風葉本身的結構是下部加工的空間比上部大，底部是夾具固定，切削刀路的干涉區(qū)域相對較大，會出現(xiàn)四周刀路的不可預測性。為了保證刀路的安全，采用封閉輪廓的控制方式，限定刀路在制定的區(qū)間內。

高速切削要保證刀路的平穩(wěn)和連續(xù)［2］。所以，設定刀具進入方式是隨型斜向切入工件的模式，避免出現(xiàn)直接切入工件的撞擊和刀路方向的突變(刀具進入的設定見圖7)?？刂泼繉忧猩钍?.5 mm，實現(xiàn)較小的切削量，較大的進給量高速切削要求。

圖7 刀具進入的設定

高速切削(HSM或HSC)是20世紀90年代向實際應用迅速推廣的先進加工技術。通常指高主軸轉速和高進給速度下的銑削，可以提高生產率。銑削速度和進給速度的提高，可提高材料的去除率，對復雜的型面加工可以直接達到零件表面質量的要求，縮短手工打磨工序和工藝路線，進而大大提高加工的生產率。國際上在航空航天制造業(yè)、模具加工業(yè)、精密零件加工行業(yè)得到廣泛的應用。高速銑削的切削力小，有較高的穩(wěn)定性，可以高質量地加工出薄壁的零件。風葉型面的出風邊理論厚度小，容易變形，非常不利于加工，造型上有小圓弧過渡減少變形量。通過高速切削技術可以完成薄壁的加工，實現(xiàn)立式安裝(模擬仿真如圖8所示)。

圖8 模擬仿真

2.2 風葉的半精加工

半精加工的目的是去除工件在開粗切削完成后，對風葉型面帶來的尺寸影響。由于開粗加工的主要目的是去除多余材料，必然出現(xiàn)一些剩余的階梯狀材料。半精加工就是將這些階梯狀多余材料去掉，同時保證精加工的余量均勻(半精加工的模擬仿真如圖9示)。半精加要避免出現(xiàn)跳刀的現(xiàn)象。跳刀會在風葉型面上形成痕跡，刀路不連續(xù)，對加工的質量會產生較大的影響。半精加工的數(shù)控編程采用區(qū)域銑削策略，有效地避免了跳刀的問題。

圖9 半精加工的模擬仿真

2.3 風葉的精加工

由于高速切削的特殊性和控制的復雜性，在高速切削的條件下，傳統(tǒng)的NC程序已經(jīng)不能適應要求。因此，必須認真考慮加工過程中的每一個細節(jié)，深入研究高速切削狀態(tài)下的數(shù)控編程。高速切削中的NC編程不僅僅局限于切削速度、切削深度和進給量的不同數(shù)值。編程時必須改變加工策略，以創(chuàng)建有效、精確、安全的刀路，從而得到預期的表面質量。在精加工時要求保持恒定的切削載荷。首先保持金屬去除量的恒定，其次要平滑地切入工件，讓刀具沿著一定坡度切入工件而不是直接插入。經(jīng)過了開粗和半精加工的操作，材料余量均勻，客觀上保證去除量的均勻。精加工編程時，還要保證刀路軌跡的平滑性。刀路軌跡的平滑性是保證切削負載恒定的重要條件。在尖角處要有平滑的刀路軌跡，消除機床的運動急速換向，保證切削穩(wěn)定(精加工的模擬仿真和高速平滑刀路見圖10)。設定進入和跨越是光順方式，調整編程加工參數(shù)實現(xiàn)平滑的刀路，完成高速切削加工。

3 結語

汽輪發(fā)電機風葉三維造型滿足了產品設計圖紙的要求，并能滿足生產工藝需求。數(shù)控加工工藝采用整體一次裝夾，機床轉臺換位的方式，一次性加工完成風葉的全部型面，有效地保證了風葉的加工精度，簡化了裝夾方式，減少了加工工序，實現(xiàn)了大批量生產的質量要求，降低了生產成本和周期。

圖10 精加工的模擬仿真和高速平滑刀路

［1］楊勝群.UG NX數(shù)控加工技術［M］.北京:清華大學出版社.

［2］何晶晶.UGS NX7.5自動編程實例［M］.西安:西安交通大學出版社.