CAD/CAM 技術(shù)在汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)與加工中的研究與應(yīng)用*

沈守國(guó)，徐新成，趙中華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620)

0 引言

汽輪機(jī)葉片是一種包含復(fù)雜曲面特征的零件，是組成汽輪機(jī)的核心部件，起著將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的作用。葉片是汽輪機(jī)中數(shù)量和種類(lèi)最多的零件之一，其組成結(jié)構(gòu)多為自由曲面，設(shè)計(jì)造型和制造難度大。

對(duì)于葉片的設(shè)計(jì)造型和制造，現(xiàn)有的研究主要基于用CAD 軟件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)或?qū)θ~片數(shù)控加工的刀具路徑生成策略原理進(jìn)行研究，沒(méi)有把CAD 和CAM技術(shù)作為一個(gè)系統(tǒng)很好的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行應(yīng)用研究，也沒(méi)有對(duì)其整個(gè)制造工藝和加工策略進(jìn)行系統(tǒng)分析［1-3］。本文將葉片的造型和制造進(jìn)行系統(tǒng)性結(jié)合，研究提出了運(yùn)用CAD 和CAM 技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的系統(tǒng)技術(shù)流程，用UG NX 對(duì)其進(jìn)行了精確的造型設(shè)計(jì)，給出了面向CAM 的葉片五軸聯(lián)動(dòng)加工工藝和加工策略，最后利用POWERMILL 實(shí)現(xiàn)刀具軌跡生成。

1 汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)與加工中CAD/CAM 技術(shù)系統(tǒng)流程

CAD/CAM 技術(shù)包括兩個(gè)方面技術(shù)，一個(gè)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)CAD)，另一個(gè)是計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)CAM)，其中CAD 技術(shù)是基礎(chǔ)，而CAM技術(shù)涉及到產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，是CAD 技術(shù)目標(biāo)。

UG NX CAD 功能在制造業(yè)得到普遍應(yīng)用，可以描述幾乎所有的幾何形狀。POWERMILL，具有刀路計(jì)算速度快，碰撞和過(guò)切檢查功能完善、刀具路徑策略豐富和編輯靈活等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文將UG NX CAD和POWERMILL 進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)合，運(yùn)用CAD 和CAM 技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)與加工進(jìn)行研究，得出如圖1所示的葉片CAD/CAM 系統(tǒng)技術(shù)流程。

2 汽輪機(jī)葉片三維造型研究

2.1 汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

葉片一般由葉身、葉根和葉頂三部分組成。葉身是葉片的工作部分，相鄰葉片的葉型部分之間構(gòu)成氣流通道，蒸汽通過(guò)時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。葉身由背弧、進(jìn)氣邊圓角、出氣邊圓角、內(nèi)弧、葉根圓角和葉頂圓角組成，如圖2 所示。葉身由一組平行截面型線組成的空間曲面，截面型線組成如圖3 所示［4-5］。按葉型部分橫截面的變化規(guī)律，葉片可以分為等截面直葉片、變截面直葉片、扭葉片和彎扭葉片等。

圖1 汽輪機(jī)葉片CAD/CAM 系統(tǒng)流程

圖2 汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)組成

圖3 汽輪機(jī)葉片截面型線

2.2 基于UG 的汽輪機(jī)葉片三維造型

葉片的葉根和葉頂部分主要起固定連接葉片的作用，主要根據(jù)和其連接配合的其他部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)和造型都比較簡(jiǎn)單。由于葉片型面由復(fù)雜的空間曲面組成，為滿足使用要求，其設(shè)計(jì)要求和制造精度高，是整個(gè)葉片的設(shè)計(jì)和加工難點(diǎn)。

葉片設(shè)計(jì)的過(guò)程如圖4 所示，即采用逆向工程技術(shù)或者根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算獲取不同界面處的截面型值點(diǎn)，然后再根據(jù)對(duì)型值點(diǎn)進(jìn)行樣條擬合成葉面截型線，最后利用截型線構(gòu)造葉身。葉身與葉根和葉頂進(jìn)行布爾運(yùn)算等操作后完成葉片造型。

利用UG NX CAD 功能模塊，構(gòu)造如圖所示葉片，其造型步驟為［6］:

(1)依據(jù)流體力學(xué)原理和邊值條件，得到直紋葉片導(dǎo)線輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)。導(dǎo)入數(shù)據(jù)到UG NX 中，繪制樣條曲線。在菜單欄中選擇［插入］、［曲線］［樣條］命令，繪制如圖4a 所示葉型截面線。

(2)依據(jù)截面型線，生成葉身曲面。在UG NX菜單欄中選擇［插入］|［網(wǎng)格曲面］|［通過(guò)曲線］命令，對(duì)葉身曲面進(jìn)行造型。

(3)用補(bǔ)片體方法封閉已生成的葉身曲面兩端面，縫合片體成實(shí)體。在UG NX 菜單欄中選擇［插入］|［網(wǎng)格曲面］|［N 邊曲面］命令，依次選取葉身曲面的兩端面截型線，在葉身曲面兩端面生成片體。選擇［分析］|［檢查幾何體］|［片體邊界］命令檢查縫隙，通過(guò)后選擇［插入］|［組合］|［縫合］命令對(duì)生成的葉身曲面和兩端面片體進(jìn)行縫合得到葉身實(shí)體如圖4b 所示。

(4)葉頂和葉根三維造型。在UG NX 中通過(guò)設(shè)計(jì)特征的一些命令創(chuàng)建葉頂和葉根實(shí)體。

(5)完成汽輪機(jī)葉片造型。利用UG NX 的布爾運(yùn)算和倒圓角特征操作構(gòu)建葉輪整體造型，如圖4c、4d 所示。

圖4 汽輪機(jī)葉片CAD 造型過(guò)程

3 汽輪機(jī)葉片數(shù)控加工技術(shù)研究

3.1 汽輪機(jī)葉片數(shù)控加工工藝分析

由于汽輪機(jī)葉片的頁(yè)根和葉頂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而葉片葉身是由復(fù)雜的三維自由曲面組成，幾何精度要求高，技術(shù)難度大，傳統(tǒng)的加工方法無(wú)法滿足葉片的精度要求，本文主要對(duì)葉身的加工方法進(jìn)行研究。應(yīng)用五軸機(jī)床進(jìn)行加工，可以減少裝夾次數(shù)，保證定位精度，可以有效的提高葉片表面質(zhì)量。葉身屬于薄壁零件，加工過(guò)程極易變形，葉身曲面的加工質(zhì)量直接影響其工作性能和整機(jī)性能。根據(jù)上述特點(diǎn)制定葉身加工工藝如表1 所示。

表1 葉身加工工藝規(guī)程

3.2 基于POWERMILL 的汽輪機(jī)葉片數(shù)控加工策略

PowerMill 一款面向制造業(yè)的數(shù)控銑削自動(dòng)編程系統(tǒng)，針對(duì)葉輪、葉片和螺旋槳，自動(dòng)生成3 軸、3 +2軸和5 軸聯(lián)動(dòng)粗加工和精加工刀具路徑。對(duì)于如圖所示的葉片根據(jù)表2 所示的加工工序，其葉身部分自動(dòng)編程步驟如下［7］:

(1)導(dǎo)入STL 格式模型。將圖—UG NX 造型的模型另存為STL 格式后，在PowerMill 菜單欄中選擇［文件］|［輸入模型］命令導(dǎo)入葉輪零件。在Power-Mill 中設(shè)置好毛坯、切削速度、快進(jìn)高度和刀具類(lèi)型、直徑等參數(shù)

(2)根據(jù)加工工藝流程選擇相應(yīng)的加工策略。每個(gè)工序根據(jù)表選用對(duì)應(yīng)加工策略并設(shè)置主要的加工參數(shù)，生成刀具路徑如圖5 所示。

圖5 葉身數(shù)控加工刀路

表2 葉身數(shù)控加工策略

(3)刀具路徑過(guò)切、碰撞檢查和自動(dòng)加工仿真。利用PowerMll 的刀具路徑“檢查”功能對(duì)刀具路徑進(jìn)行過(guò)切、碰撞檢查。沒(méi)有問(wèn)題后，打開(kāi)“Viewmill”工具條進(jìn)行加工仿真。

(4)生成葉身加工程序。對(duì)前面生成的刀具路徑選擇機(jī)床系統(tǒng)文件進(jìn)行后置處理，完成葉身自動(dòng)加工程序生成。

4 結(jié)論

本文針對(duì)汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)與加工中的難點(diǎn)，研究提出了葉片設(shè)計(jì)與加工中CAD 和CAM 技術(shù)系統(tǒng)化流程，給出了面向CAM 技術(shù)的葉片數(shù)控加工工藝和刀具軌跡生成策略，本文研究已運(yùn)用于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程一體化，提高了葉片設(shè)計(jì)制造精度，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造時(shí)間，使汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)與加工技術(shù)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。

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