機翼型葉片的五坐標聯(lián)動銑削加工

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

　　一、加工方式概述

　　五坐標加工中心對葉片及葉根的加工，通常采用如圖1所示的方式進行。葉片毛坯裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺A軸上作360°的旋轉(zhuǎn)，主軸銑頭則在C軸方向擺動。實際加工過程中，氣動頂尖對其頂部進行頂緊。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，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，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。對于扭曲度較大的動葉片，這一點尤其重要。

　　二、數(shù)據(jù)準備

　　透平機械中的軸流壓縮機和TRT軸流式能量回收膨脹葉片的葉型，設(shè)計圖樣對型面的表述，通常是幾個截面的葉型數(shù)據(jù)，可能是空間點陣，也可能是多段圓弧線。須對數(shù)據(jù)進行前期處理，主要工作內(nèi)容是光順、旋轉(zhuǎn)、平移，使設(shè)計坐標系與機床坐標系統(tǒng)一起來，即設(shè)計基準與加工基準的統(tǒng)一。采用高速螺旋式切削法加工葉片，對葉片的型面曲線光滑連續(xù)性設(shè)計要求很高。葉片型面(背弧面、內(nèi)弧面、進出氣邊圓角)不得有尖點、折點、節(jié)點，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，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，型面不光順，中間有“波浪”狀起伏，這種情況通常要經(jīng)過對各截面基準的調(diào)整來修正。

　　對同一截面內(nèi)數(shù)據(jù)無法形成光順的樣條曲線的情況，必須對原始數(shù)據(jù)進行修改。具體方法是在截面曲線上，取n個點，曲率大的地方取點密，曲率小的地方取點疏，分別作這些點的法線，如圖2和圖3所示。圖3的光滑連續(xù)曲線各點法線方向變化平緩，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，加工中不能實現(xiàn)。

圖1 對葉片、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)學建模

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

　　基于上述情況，葉片造型第一步是在二維平面內(nèi)進行，每一個截面都在平面內(nèi)形成一條封閉的曲線，每條曲線在葉片長度方向都有一個固定的位置。按照固定的位置將各個截面先旋轉(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。在造型時必須注意以下幾點。

　　1、葉型的截面曲線必須光滑連續(xù)封閉

　　對于葉型曲線不封閉的情況，譬如進出氣邊的圓弧與內(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，或是對內(nèi)背弧曲線的端點作相應(yīng)的調(diào)整要保證葉片弦長不變。為保證弦長不變，可作一條與弦長相切，且與已知進氣邊(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，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，這個圓即與內(nèi)背弧相切，起光滑過渡作用，同時也保證了弦長不變。

　　2、刀具過切的計算

　　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，對于凸型曲面加工時，刀簇沿型面法矢切削時，過切現(xiàn)象不易發(fā)生;對于凹型曲面用刀簇仍沿型面法矢切削，會受曲率半徑的影響產(chǎn)生過切，這時避免刀具過切應(yīng)優(yōu)選改變刀具半徑的方法。在造型的同時計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個點，然后在第一個點上，定義一把假想的刀具和一個假想的切削角度，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點，同時觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有，則修改刀具直徑和切削角度。由于這時觀察到的切削情況是在二維空間中，只是針對某一個截面，并不能反映出實際的三維加工情況，因此還需作進一步技術(shù)上的處理，即將相鄰兩個葉片截面投影在同一個平面內(nèi)，如果截面距大于刀具直徑，在投影圖上，刀具與相鄰兩個葉片截面也不產(chǎn)生過切，那么就可以認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、坐標系的建立

　　任何一個零部件在數(shù)控機床上加工，都要建立一個三維坐標系。實際加工中，合理地建立坐標系可以簡化編程，方便對刀。通常要保證設(shè)計基準與加工基準相統(tǒng)一，在加工中心上盡可能將X坐標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。對于轉(zhuǎn)子動葉片來說，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圓柱面或是球面，可將X軸的原點確定在上述圓柱或是圓球的球心上。對于轉(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軸原點的確定方法與動葉相同;如果是斜面，X軸原點的確定方法可根據(jù)對刀情況確定。

　　4、葉型的延伸和截取

　　在通常情況下，機翼型葉片的設(shè)計圖中，只給出幾個截面的列表曲線數(shù)據(jù)，而實際的葉型有可能比給定的截面確定的葉型長，也有可能比它短。如果是第一種情況，就要對葉型進行延伸，如果是第二種情況，就要對葉型截取。相對來說，對葉型的截取要好處理一些，只需用一個平面或復合曲面在特定的位置截取葉型，獲得一個新的截面，采用新截面的數(shù)據(jù)便可形成所需的葉型實體。對葉型延伸時，還需對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，葉型延長以后為空間曲線，即分別對其在兩個或三個坐標平面內(nèi)的投影曲線進行光順。實際上一般只需要將空間曲線投影到兩個平面上，對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)。實踐證明，一般情況下，一條空間曲線在各坐標平面內(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，需要將三個直線軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸的運動合成，以實現(xiàn)所需輪廓的運動軌跡。在實際計算過程中可適當調(diào)整如圖6所示的三個參數(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，每個截面葉型曲線都可分為無數(shù)個小段，每一小段內(nèi)都可認為其曲率是相同的，MND的數(shù)值大小直接決定插補時相鄰兩點的疏密，MND的數(shù)值越小，相鄰兩點之間越密，加工出的葉型精度越高。MCD是控制相鄰兩點間的直線距離，ERRCDR是控制相鄰兩點之間的弦高差，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，故都必須計算或確定行距與步長。

　　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，占機加工時間成倍增加，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，面銑刀的底面與葉片型面切削點的切線方向之間的夾角的選取非常重要，如有不當，極易產(chǎn)生過切現(xiàn)象。確定切削角度在實際生產(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個點，以其中的某一個點為假想切削點，同時根據(jù)經(jīng)驗，確定一個任意的切削角度，并作出刀具截面圖，然后用循環(huán)語句使刀具依此走過n 個點，同時觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有，調(diào)整切削角度，并重復上述工作，直至無過切時為止。

　　主軸轉(zhuǎn)速、進給量及切削深度

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

　　五、刀具軌跡模擬

　　計算機模擬加工仿真顯示，還可以提示過切及殘留情況;同時將機床實體的參數(shù)進行程序化處理后，還可顯示機床刀具夾具的實際加工狀態(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，延長了加工時間，但單向加工所取得的加工質(zhì)量是有保證的。