機(jī)翼型葉片的五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)銑削加工

　　機(jī)翼型葉片，截面呈機(jī)翼型，空間呈三維扭曲造型，在軸流式透平壓縮機(jī)中有廣泛的應(yīng)用，其加工制造已普遍采用五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床來完成。

　　一、加工方式概述

　　五坐標(biāo)加工中心對(duì)葉片及葉根的加工，通常采用如圖1所示的方式進(jìn)行。葉片毛坯裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)A軸上作360°的旋轉(zhuǎn)，主軸銑頭則在C軸方向擺動(dòng)。實(shí)際加工過程中，氣動(dòng)頂尖對(duì)其頂部進(jìn)行頂緊。葉片的加工可分粗加工、半精加工和精加工三步來完成。葉片的精加工的最佳方式是由五軸聯(lián)動(dòng)，以高速螺旋式切削法來完成，這種加工方式的效率最高，加工出的葉型也最理想。

　　葉片型面部分通常用面銑刀加工，面銑刀切削效率較高，但面銑刀在C軸方向不能有固定擺角，加工至葉根部分時(shí)，為避免干涉，靠近葉根部分的葉型通常用球頭銑刀加工，在C軸方向偏轉(zhuǎn)一固定角度，以避開刀具與葉根的干涉。在C軸方向的這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度太小無法避免干涉，太大則有可能在另一面的葉型處產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。對(duì)于扭曲度較大的動(dòng)葉片，這一點(diǎn)尤其重要。

　　二、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

　　透平機(jī)械中的軸流壓縮機(jī)和TRT軸流式能量回收膨脹葉片的葉型，設(shè)計(jì)圖樣對(duì)型面的表述，通常是幾個(gè)截面的葉型數(shù)據(jù)，可能是空間點(diǎn)陣，也可能是多段圓弧線。須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理，主要工作內(nèi)容是光順、旋轉(zhuǎn)、平移，使設(shè)計(jì)坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)一起來，即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一。采用高速螺旋式切削法加工葉片，對(duì)葉片的型面曲線光滑連續(xù)性設(shè)計(jì)要求很高。葉片型面(背弧面、內(nèi)弧面、進(jìn)出氣邊圓角)不得有尖點(diǎn)、折點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)，否則在高速切削狀態(tài)下，刀具極易在瞬間產(chǎn)生較大振動(dòng)，造成設(shè)備事故。葉型不光順的另外一種情況是在造型過程中，雖然每個(gè)截面的型線是光滑連續(xù)的函數(shù)曲線，但沿軸形成三維造型時(shí)，型面不光順，中間有“波浪”狀起伏，這種情況通常要經(jīng)過對(duì)各截面基準(zhǔn)的調(diào)整來修正。

　　對(duì)同一截面內(nèi)數(shù)據(jù)無法形成光順的樣條曲線的情況，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。具體方法是在截面曲線上，取n個(gè)點(diǎn)，曲率大的地方取點(diǎn)密，曲率小的地方取點(diǎn)疏，分別作這些點(diǎn)的法線，如圖2和圖3所示。圖3的光滑連續(xù)曲線各點(diǎn)法線方向變化平緩，圖2為較差的原始數(shù)據(jù)形成的截面曲線，其不同節(jié)點(diǎn)的法線方向變化劇烈，截面曲線顯然是不光滑的，如果以這樣的截面曲線生成三維空間造型，葉片型面凹凸不平，加工中不能實(shí)現(xiàn)。

圖1 對(duì)葉片、葉根的加工方式     圖2 原始數(shù)據(jù)形成的截面曲線     圖3 修改數(shù)據(jù)后的截面曲線

　　三、數(shù)學(xué)建模

　　機(jī)翼型葉片各截面數(shù)據(jù)列表表述，沿機(jī)翼周向各截面均勻布點(diǎn)給出，軸向沿直素母線對(duì)應(yīng)給出。

　　基于上述情況，葉片造型第一步是在二維平面內(nèi)進(jìn)行，每一個(gè)截面都在平面內(nèi)形成一條封閉的曲線，每條曲線在葉片長(zhǎng)度方向都有一個(gè)固定的位置。按照固定的位置將各個(gè)截面先旋轉(zhuǎn)，然后平移。葉片的葉型一般來說有兩種形式，一是由樣條曲線組成，進(jìn)氣邊和出氣邊分別有兩段圓弧過渡;二是由多段圓弧組成的一條封閉曲線。在造型時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。

　　1、葉型的截面曲線必須光滑連續(xù)封閉

　　對(duì)于葉型曲線不封閉的情況，譬如進(jìn)出氣邊的圓弧與內(nèi)背弧曲線不相切，就要改變圓弧圓心的位置，或是改變圓弧圓心的半徑，或是對(duì)內(nèi)背弧曲線的端點(diǎn)作相應(yīng)的調(diào)整要保證葉片弦長(zhǎng)不變。為保證弦長(zhǎng)不變，可作一條與弦長(zhǎng)相切，且與已知進(jìn)氣邊(或出氣邊)圓弧相切的直線，然后分別作兩條過內(nèi)背弧曲線端點(diǎn)，且與內(nèi)背弧曲線相切的直線，這樣就形成三條直線，作一與這三條直線相切的圓，這個(gè)圓即與內(nèi)背弧相切，起光滑過渡作用，同時(shí)也保證了弦長(zhǎng)不變。

　　2、刀具過切的計(jì)算

　　避免刀具過切的方法有兩種，即改變刀具直徑或改變切削角度。曲率較大的葉片型面，過切情況比較容易發(fā)生，對(duì)于凸型曲面加工時(shí)，刀簇沿型面法矢切削時(shí)，過切現(xiàn)象不易發(fā)生;對(duì)于凹型曲面用刀簇仍沿型面法矢切削，會(huì)受曲率半徑的影響產(chǎn)生過切，這時(shí)避免刀具過切應(yīng)優(yōu)選改變刀具半徑的方法。在造型的同時(shí)計(jì)算刀具直徑和切削角度，可以大大提高編程效率。如圖5所示，其方法是，在已經(jīng)造型好的封閉的葉片截面曲線上，均勻地取n個(gè)點(diǎn)，然后在第一個(gè)點(diǎn)上，定義一把假想的刀具和一個(gè)假想的切削角度，以遞次循環(huán)的方式使刀具按確定的切削角度依次通過截面上的每一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有，則修改刀具直徑和切削角度。由于這時(shí)觀察到的切削情況是在二維空間中，只是針對(duì)某一個(gè)截面，并不能反映出實(shí)際的三維加工情況，因此還需作進(jìn)一步技術(shù)上的處理，即將相鄰兩個(gè)葉片截面投影在同一個(gè)平面內(nèi)，如果截面距大于刀具直徑，在投影圖上，刀具與相鄰兩個(gè)葉片截面也不產(chǎn)生過切，那么就可以認(rèn)為假想中的刀具直徑和切削角度是合適的。為了提高切削效率，在不產(chǎn)生過切的情況下，盡可能采用大直徑的刀具。

　　3、坐標(biāo)系的建立

　　任何一個(gè)零部件在數(shù)控機(jī)床上加工，都要建立一個(gè)三維坐標(biāo)系。實(shí)際加工中，合理地建立坐標(biāo)系可以簡(jiǎn)化編程，方便對(duì)刀。通常要保證設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)相統(tǒng)一，在加工中心上盡可能將X坐標(biāo)系建立在葉片軸線上，即X軸與葉片軸心重合，這樣就等于確定了Y軸和Z軸的原點(diǎn)。對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片來說，葉片葉型與葉根有一段光滑連接的部分，叫做過渡弧。過渡弧位于葉根的部分通常是一個(gè)圓柱面或是球面，可將X軸的原點(diǎn)確定在上述圓柱或是圓球的球心上。對(duì)于轉(zhuǎn)子的靜葉來說，過渡弧位于葉根的部分可能是圓柱面或是球面，也可能是斜面。如果是圓柱面或是球面，X軸原點(diǎn)的確定方法與動(dòng)葉相同;如果是斜面，X軸原點(diǎn)的確定方法可根據(jù)對(duì)刀情況確定。

　　4、葉型的延伸和截取

　　在通常情況下，機(jī)翼型葉片的設(shè)計(jì)圖中，只給出幾個(gè)截面的列表曲線數(shù)據(jù)，而實(shí)際的葉型有可能比給定的截面確定的葉型長(zhǎng)，也有可能比它短。如果是第一種情況，就要對(duì)葉型進(jìn)行延伸，如果是第二種情況，就要對(duì)葉型截取。相對(duì)來說，對(duì)葉型的截取要好處理一些，只需用一個(gè)平面或復(fù)合曲面在特定的位置截取葉型，獲得一個(gè)新的截面，采用新截面的數(shù)據(jù)便可形成所需的葉型實(shí)體。對(duì)葉型延伸時(shí)，還需對(duì)葉型作一次光順處理，上述做法線方法的光順僅為平面曲線，葉型延長(zhǎng)以后為空間曲線，即分別對(duì)其在兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)的投影曲線進(jìn)行光順。實(shí)際上一般只需要將空間曲線投影到兩個(gè)平面上，對(duì)得到的兩條平面曲線分別光順后，再合成空間曲線(即將三維作為二維處理)。實(shí)踐證明，一般情況下，一條空間曲線在各坐標(biāo)平面內(nèi)的投影曲線是光順的，該空間曲線也是光順的。

圖5 刀具過切計(jì)算                        圖6 調(diào)整擬合曲線的參數(shù)

　　四、切削參數(shù)的確定

　　1、擬合曲線的參數(shù)

　　刀具加工葉片型面時(shí)，需要將三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)合成，以實(shí)現(xiàn)所需輪廓的運(yùn)動(dòng)軌跡。在實(shí)際計(jì)算過程中可適當(dāng)調(diào)整如圖6所示的三個(gè)參數(shù)，來滿足葉片的技術(shù)條件。MND是用以確定控制葉型誤差的角度，每個(gè)截面葉型曲線都可分為無數(shù)個(gè)小段，每一小段內(nèi)都可認(rèn)為其曲率是相同的，MND的數(shù)值大小直接決定插補(bǔ)時(shí)相鄰兩點(diǎn)的疏密，MND的數(shù)值越小，相鄰兩點(diǎn)之間越密，加工出的葉型精度越高。MCD是控制相鄰兩點(diǎn)間的直線距離，ERRCDR是控制相鄰兩點(diǎn)之間的弦高差，與MND的數(shù)值一樣，不同的MCD和ERRCDR值確定不同的疏密。

　　切削參數(shù)中，由于空間曲面一般都采用行切法加工，故都必須計(jì)算或確定行距與步長(zhǎng)。

　　行距S

　　行距S的大小直接關(guān)系到加工后曲面上殘留溝紋高度的大小，大了則表面粗糙度大，但S選得太小，雖然能提高加工精度，減小鉗修困難，但程序冗長(zhǎng)，占機(jī)加工時(shí)間成倍增加，效率降低。因此，行距S的選擇應(yīng)力求做到恰到好處。

　　切削角度

　　用面銑刀加工葉型時(shí)，面銑刀的底面與葉片型面切削點(diǎn)的切線方向之間的夾角的選取非常重要，如有不當(dāng)，極易產(chǎn)生過切現(xiàn)象。確定切削角度在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用作圖法。具體方法是用繪圖法作出如圖5所示的葉片某一截面的輪廓圖，然后在截面上均勻地取n個(gè)點(diǎn)，以其中的某一個(gè)點(diǎn)為假想切削點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定一個(gè)任意的切削角度，并作出刀具截面圖，然后用循環(huán)語句使刀具依此走過n 個(gè)點(diǎn)，同時(shí)觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有，調(diào)整切削角度，并重復(fù)上述工作，直至無過切時(shí)為止。

　　主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及切削深度

　　具體采用多大的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度，要視葉片材料、刀具直徑、加工方式等情況綜合考慮。五坐標(biāo)葉片加工中心通常采用高速切削。

　　五、刀具軌跡模擬

　　計(jì)算機(jī)模擬加工仿真顯示，還可以提示過切及殘留情況;同時(shí)將機(jī)床實(shí)體的參數(shù)進(jìn)行程序化處理后，還可顯示機(jī)床刀具夾具的實(shí)際加工狀態(tài)，檢查干涉情況，避免發(fā)生意外。

　　六、葉根的加工

　　葉根的加工是葉片加工的一個(gè)重要組成部分，在這之前，通常葉根是在葉根銑床上，用成形刀具進(jìn)行加工的。既然葉型的加工可以通過一次裝夾，完成從粗加工到半精加工再到精加工的全部過程，而且整個(gè)加工過程全部都由數(shù)控程序保證，那么葉根的加工也完全可以采用這種方式。大型TRT葉根的結(jié)構(gòu)通常為圖9所示。

圖9 大型TRT葉根結(jié)構(gòu)

　　葉根的加工和葉型的加工一樣，通常也分為粗加工半精加工和精加工三部分。為了提高效率，粗加工通常采用較大直徑的模具銑刀加工，僅給葉根齒型留0.2mm的余量。半精加工的主要目的除了清根以外，還需保證精加工的余量要均勻，根據(jù)掌握的現(xiàn)有資料，為精加工留0.1mm余量。精加工是最關(guān)鍵的加工工序，為提高效率和保證表面粗糙度，其切削參數(shù)的確定非常重要。為了減小表面粗糙度值，精加工通常采用單向加工，單向加工雖說增加了刀具的空行程，延長(zhǎng)了加工時(shí)間，但單向加工所取得的加工質(zhì)量是有保證的。