摘要：汽轮机叶片是一种包含复杂曲面特征的零件，是组成汽轮机的核心部件，起着将蒸汽的热能转换为汽轮机转子旋转机械能的作用。叶片是汽轮机中数量和种类最多的零件之一，其组成结构多为自由曲面，设计造型和制造难度大。对于叶片的设计造型和制造，现有的研究主要基于用CAD软件进行造型设计或对叶片数控加工的刀具路径生成策略原理进行研究，本文主要对汽轮机叶片数控加工中CAD技术的应用进行分析探讨。
关键词：汽轮机叶片；数控加工；CAD技术；应用
1、前言
随着计算机技术及CAD技术的飞速发展，特别是随着微机及微机平台的CAD软件的普及应用，给很多原来需要大量数值运算才能解决的复杂工程问题提供了一种较为简单、直观的基于图形的解决方案。为了解决变截面叶片型面在数控加工中涉及到的各种编程问题，探索适用于小型叶片制造企业的高效数控编程方法，我们结合某300MW汽轮机组高压缸及200MW汽轮机组低压缸动叶片的数控加工，应用CAD技术对数控辅助编程的方法进行了一些尝试，取得了较好的效果。
2、变截面叶片汽道型面的数控辅助编程
在应用CAD技术解决工程问题中，如何根据问题对象选择适用的CAD软件，往往是问题的关键。在进行自由曲面数控辅助编程中，由于要求CAD系统不仅要具有强大的曲面建模能力，而且要有丰富的编辑和构造功能，如生成曲面的等距面、流线、曲面间交线等功能。这些功能早期只有工作站级的CAD软件如CATIA、CADDS5、UG等才能提供。随着微机性能的不断提高和微机平台CAD软件的不断发展和完善，相继出现了一些具有强大曲面功能的可运行在微机平台上的CAD软件，AutoDesk公司的MDT就是一个典型的例子。以下就以应用MDT中的AutoSurf模块来具体介绍叶片汽道型面数控辅助编程的实现方法。在叶片数控辅助编程的过程中，一般可按下列步骤来完成:①叶片汽道型面的曲面模型的建立;②加工工艺的确定;③刀轨的行距、步长的确定;④刀轨的生成;⑤刀轨的编辑;⑥刀轨的组织和输出。
2.1叶片汽道型面的曲面模型的建立
由叶片型线图提供的型线数据仅表示叶片径向各指定截面上的几何形状，而没有给出某两个截面间任意截面的几何信息，因此首先要根据对曲面提出的连续、光滑性要求由截面型线通过曲面拟合的方法生成光滑的精确曲面模型。如果型线是以由离散点组成的列表曲线形式给出的，还需先进行曲线拟合，常用的方法有:圆弧样条、插值型NURBS拟合等。在CAD系统中，生成这类曲面常可通过对这些截面型线用放样的方法来完成。在MDT中可使用amloftu命令，通过依次选择各截面型线生成以非均匀有理B样条表示的曲面模型，如图1所示。
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图1 以非均匀有理 B 样条表示的曲面模型
2.2加工工艺的确定
在三坐标数控铣床上加工叶片汽道型面时，为了避免刀具与被加工型面间发生干涉，刀具一般选用球头铣刀，并采用行切的方法来加工。但用球头刀加工时，切削效率不高，且当球头刀底部中心参与切削时会出现切削死点。因此，实际加工时常将球头刀偏转一角度以避开死点，并尽量采用较小的行距以保证加工精度。采用行切法加工时，常使用两种加工方案:①沿着叶片截面方向加工，这种方案符合零件数据给出情况，便于加工后检验，叶型的准确度高，但要求刀轨的步长较小，否则在加工背弧时会出现过切现象，因此数控程序较长，加工效率也不高。②沿着叶片的辐射线方向加工，这种方案加工时每次近似沿直线加工，由于叶片型面在辐射方向上的曲率半径要远大于截面方向，因此刀轨可采用较大的步长，而且一般不会出现过切现象，加工程序短，加工的效率也较高，如图2所示。
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图2 行切法加工叶片的两种方案
2.3刀轨的行距、步长的确定
在行切加工中，行距是指相邻两条刀轨间的距离，而步长是指逼近刀轨曲线的直线段的长度。加工时采用的行距与步长会直接影响加工的质量和效率。行距的不同会影响切残量(一般由表面不平度h来表示)的大小，而步长的选择则会影响加工轨迹与实际轮廓的逼近程度，当加工凸曲线时还会决定是否出现过切。行距和步长越小，加工质量与精度就越高，但同时会导致加工工时与程序长度的成倍增加。因此在确定行距与步长时，必须兼顾加工质量与加工效率这两方面的因素。行距与步长的确定一般采用等误差法，即在加工过程中保证切残量及轮廓误差处处相等。由于计算方法的复杂性，因此在实际使用中一般采用估算的方法。行距ΔZ由允许的表面不平度h允决定，计算方法可采用以下公式:ΔZ=22RH允，其中R为刀具半径，H允为允许的表面不平度;而步长可根据刀轨曲线的最小曲率半径和允许的弦切误差来估算。
2.4刀轨曲线的生成
用球头刀加工时，一般将球头的球心作为控制刀具运动轨迹的刀位点。在使用行切法加工曲面的过程中，球头刀的球心始终在与被加工表面上各点等距的刀轨面上运动。这个刀轨面就是与被加工面相距一个刀具球头半径的等距面(假设不考虑加工余量)。要得到刀具的运动轨迹，首先可根据被加工面、球头半径和加工余量等条件，生成刀轨面，然后再根据加工方案和加工精度的要求，对此刀轨面按一定规律作适当的离散化，从而生成刀具轨迹。在MDT中，生成刀轨曲线可采用生成曲面的等参线的方法得到。具体方法为:用amflow命令生
成被加工曲面等距面的等参线，设置offset选项的值等于球头半径加上加工余量，如采用第二种加工方案，此时将U线的数目设为0，将V线的数目设为估算值，选择save选项，这样得到的以pline形式存在的等参线就可作为表示刀轨的刀轨曲线。
2.5刀轨曲线的编辑
由于叶片汽道型面并非敞开曲面，其两端一般还有叶根和叶冠，而且在加工时又需要装夹在某一确定的夹具上。因此，上述得到的刀具轨迹还要考虑其在加工时与工件其它表面以及与夹具之间是否会出现干涉。将干涉部分的刀轨剪切后才能得到实际的刀轨。这可以通过画出剪切边界，然后用trim命令中新提供的投影剪切功能，将原刀轨曲线中会发生干涉的部分剪掉来实现。
2.6刀轨曲线的组织与输出
根据上述方法得到的刀轨曲线，只能表示刀具实际切削的动作，还缺乏表示刀具抬刀、落刀和快速走刀等辅助动作的图形。而且表示刀轨的几何图形是无序的，而在实际使用时，需要将其按走刀的次序组织成有序的形式。因此，首先在得到的刀轨图形基础上增加表示快速抬刀、快速走刀和落刀的直线，然后用pedit命令将整个刀轨图形编辑为一条多义线。从而使刀轨线上各刀位点的次序实现重新排序。为了最终生成数控程序，还需要将表示刀轨图形的多义线中的节点信息输出，最简单的方法是将此多义线输出为DXF文件格式，然后编辑此文件，保留其中多义线的内容，并按数控程序的格式进行重组，增加起始和结束段，从而生成所需的数控程序。当然，如果能采用Autolisp语言编写———从多义线中提取数据，并生成规定格式数控加工文件的应用程序，将大大提高编程的自动化程度，提高编程的效率与质量。
3、结语
以上介绍的数控辅助编程方法，能在通用的CAD软件上实现。由于这种方法要求数控编程人员能了解数控编程的实现原理，因此对编程人员编程水平的进一步提高具有一定的理论和实用价值。当前，解决此类问题的更先进的方法是应用CAD/CAM集成软件。
参考文献：
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论文作者:于嘉琳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：加工论文; 叶片论文; 步长论文; 曲面论文; 数控论文; 行距论文; 截面论文; 《电力设备》2018年第21期论文;