摘要：随着国民经济快速增长和科学技术不断发展，机械装备制造业不断进步，多轴机床制造技术日益成熟，而且国家也越来越重视工匠人才的培养，这些都为五轴加工技术的飞速发展和“市场化”奠定坚实的基础。随着科学技术的发展，五轴加工技术的应用也会越来越广泛，此外，要加大科研投入，促进五轴加工技术的发展，使其加工更加精确。
关键词：叶片；曲面；五轴联动；加工工艺
引言：
现代社会经济水平和科学技术发展迅速，在制造业领域机床水平的高低能直接反映一个国家的工业发展水平，五轴联动机床系统更是机械制造业的高新技术发展标志。机械制造业在现代社会中有着举足轻重的地位，汽轮机的需求也在逐渐扩大，五轴联动叶片加工技术的地位也越加重要。
1 动叶片的结构及特点
汽轮机动叶片主要由叶顶、叶型(也称为汽道型面)和叶根三部分组成，根据汽道型面截面形状不同可分为等截面叶片和变截面扭曲叶片，如图1所示。
图1动叶片根据汽道型面截面形状分类
动叶片安装在叶轮或转鼓上，接受喷嘴叶栅射出的高速气流，把蒸汽的动能转换为机械能。动叶片的工作条件复杂，除因高速旋转和汽流作用而承受较高的静应力和动应力外，工作中还承受高温、高压、腐蚀和冲蚀作用，因此它的结构、材料和加工质量对汽轮机的安全经济运行有极大的影响。
2 概述五轴联动叶片加工中心
叶片式汽轮机、燃气轮机、航天发动机等的核心部件，是轮船和飞机十分关键的部位，叶片的形状非常复杂，叶根圆角结构是由数个圆弧共同组成，在空间中呈曲面形状，一些特殊的叶片叶身中部还会有阴尼台的设计。在我国的叶片设计发展史上，不同时代叶片的加工设备和方法也在逐渐更新变革。早期国内采用的是三轴机床加工叶片，由于设备比较简陋，技术也不太成熟，大多数是加工制造一些形状比较简单的叶片，而且工序比较复杂，效率也不高。通常是加工叶片的其中一个面，之后翻面加工另一个面，依次加工叶片的各个面。三轴机床加工叶片的方法应用较早，在长时间的加工中也得到了丰富的经验，技术相对成熟，因此目前国内仍有采用这种方法加工叶片的。经多次改革更新，四轴机床开始应用，建立在三轴机床的基础上，四轴机床延续了三轴机床的优点，也在相对低效率的手动翻面上有了改进，其配置的A轴不用多次的手动翻面，生产效率也随之提高。最终有了五轴联动叶片加工中心的出现，加工效率也突飞猛进，这也正顺应了叶片加工的发展潮流，是叶片加工中心的必然发展趋势。现今社会是发展科技和加工业的时代，国内国外都需要大量的叶片发展本国的机械制造业，叶片的形状逐渐复杂化，对叶片加工的设备要求也越来越高。目前我国的五轴联动叶片加工应用的时间较短，加工经验不够丰富，技术也不成熟，而以往的三轴联动和四轴联动已不再适用如今复杂的叶片加工。
3 汽轮机动叶片叶身的五轴数控加工工序及其工装夹具的设计
叶片是整个汽轮机的心脏部分，特别是叶身部分，它会直接影响汽轮机的输出效率和汽轮机的产品质量。因此，叶身加工是整个叶片加工的核心和难点所在，它的造型决定了它加工起来是不简单的。汽轮机叶身加工必须满足下列技术要求：首先，保证型线精度及相对位置精度；其次，保证叶身与叶根的相对位置精度。
3.1 加工方案
由于整个结构都是弯曲的，随机两个截面相互对比都是不一样的，而且叶片的尾部非常薄，按正常的加工方法肯定会因为刚性不好导致振动，且难以保证相对位置的精度。经过反复实践和总结得出以下方案：首先，必须采用符合加工叶片的高精度的五轴机床进行加工该曲面。其次，由于局部位置比较薄、刚性差，需分粗加工、精加工两个步骤来进行加工，而且锻造的时候在叶身最薄处即叶身尾部后面加上叶枕，如图2所示，因此叶片的叶身刚性会有很大的提高，符合加工的需要。
图2
3.2 精加工夹具定位分析
在叶片加工中，叶身的难度最大，最复杂。其加工会影响整台汽轮机的质量，所以必须保证工件和刀具的相对位置，故需要对工件进行定位。而工装也必须满足定位的要求即六个自由度。六个自由度包括X、Y、Z三个平面的平移以及绕着X、Y、Z三个方向的旋转：第一，工装的内壁限制了叶片的Y平移方向和Y旋转方向；第二，工装低和压块限制了叶片的Z平移方向和Z旋转方向；第三，工装内端面和顶针限制了叶片的X平移方向和X旋转方向。根据自由度限制原则，此工装已经完全具备限制叶片的各个自由度。
3.3 叶身的加工过程
3.3.1 粗加工
叶身的粗加工是利用叶根和叶枕的精度进行定位的，因为叶根和叶枕的顶、底面和进出汽边侧是同时加工并且经过磨削加工，要求具有精度高的平面度和位置度，所以叶身的粗加工安排在三轴立式加工中心上进行，采用叶根和叶身进行粗加工的定位。粗加工时把叶片的底朝下顶朝上装夹，内弧加工结束后，进行加工背弧，叶片要反转装夹，即底朝上顶朝下，待两边的弧面加工后，就已完成粗加工的步骤。需要注意的是：装夹时要注意下面是否和工装充分接触；叶根端面是否顶到工装的定位块；加工时由于锻件毛坯可能不均匀，应先用玉米刀进行第一刀，然后再用牛鼻刀进行进一步去除余量；加工时要注意预留余量，因为半精加工和精加工在调整角度时可能存在误差，所以一定要预定足够的余量，这次预留的余量是单边2-3mm。
3.3.2 精加工
该叶片在专用机床（XYZ+AB）上进行精加工。这台设备是专门用于叶片的加工的，它没有特定的工作台，在Y轴上设A轴，并且在另一端设置气动顶针，B轴设在Z轴上和主轴箱相连。粗加工叶身后，叶片会进入粗加工叶根槽和叶枕上的中心孔，加工完叶根槽和中心孔后就完全符合叶身精加工的条件。叶身的精加工定位还是叶根的进、出气侧和底面还有叶根端面，和粗加工不同，叶枕的定位方式变为设在叶枕上的中心孔，装夹后，机床Y轴尾部的气动顶针会顶着叶枕上的中心孔，主要是发挥叶枕所起到提高叶身加工时的刚性的作用。
3.4 工件装夹
先把工件水平地安放到工装上，然后将压块放在叶根顶部并上紧螺丝（如图3所示），尾座上的顶针顶着叶枕的中心孔即可。
3.5 加工过程
工件安装好后，先用玉米刀进行半精加工，因为要调整角度的原因，可能余量有点不均匀的，所以用玉米刀来半精加工是比较好的选择。然后用球头铣刀进行叶身与叶根之间的倒角加工，不留余量。最后用牛鼻刀进行最后的叶身精加工。
图3叶身精加工工装以及叶片安装在工作上
3.6 注意事项
装夹时注意叶根端面是否顶到工装上；工件调试的时候应注意叶身与叶根的角度是否符合要求；在进行叶身与叶根之间的倒角加工时，应注意在内弧转到背弧时，因为余量比较多且角度大，很容易出现刀纹甚至出现刀具损坏的情况；最后一刀的背吃刀量应尽量小，工件表面尽可能光滑，更不能出现震纹。汽轮叶片在生产中采用五轴加工技术，可以有效地提高加工效率和零件加工精度，减轻零件表面抛光工作量，缩短生产周期，但是对机床加工和编程操作有较高的要求。
结束语：
本文对五轴加工技术应用在汽轮机动叶片加工上，分析了加工工艺，在加工过程中如何提高零件质量与加工效率，制定相关的工序，缩短该零件的生产周期。
参考文献：
[1]张吉林.五轴加工中心在模具加工中的应用研究[J].中国设备工程.2018(01)
[2]张李铁，王小旭.基于有限元技术的汽轮机叶片数控加工参数选择[J].机械工程师.2014(12)
[3]付大鹏，王丽乾，孙文杰.汽轮机叶片的逆向造型及五轴数控加工技术研究[J].制造业自动化.2014(17)
论文作者:潘仁毅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：叶片论文; 加工论文; 粗加工论文; 汽轮机论文; 工装论文; 机床论文; 余量论文; 《电力设备》2018年第27期论文;