五坐标联动加工中心加工机翼型叶片工艺技术研究

luoshengjun

一、加工方式概述
机翼型叶片，截面呈机翼型，空间呈三维扭曲造型，在轴流式透平压缩机中有广泛的应用，其加工制造已普遍采用五坐标联动数控机床来完成。
五坐标加工中心对叶片及叶根的加工，通常采用如图1所示的方式进行。叶片毛坯装夹在回转工作台A轴上作360°的旋转，主轴铣头则在C轴方向摆动。实际加工过程中，气动顶尖对其顶部进行顶紧。叶片的加工可分粗加工、半精加工和精加工三步来完成。叶片的精加工的最佳方式是由五轴联动，以高速螺旋式切削法来完成，这种加工方式的效率最高，加工出的叶型也最理想。
叶片型面部分通常用面铣刀加工，面铣刀切削效率较高，但面铣刀在C轴方向不能有固定摆角，加工至叶根部分时，为避免干涉，靠近叶根部分的叶型通常用球头铣刀加工，在C轴方向偏转一固定角度，以避开刀具与叶根的干涉。在C轴方向的这个偏转角度太小无法避免干涉，太大则有可能在另一面的叶型处产生干涉现象。对于扭曲度较大的动叶片，这一点尤其重要。
! `9 o; r, K3 c+ J5 Y# e8 u二、数据准备
& {5 g/ r' J! c+ o8 s7 ~* a6 n透平机械中的轴流压缩机和TRT轴流式能量回收膨胀叶片的叶型，设计图样对型面的表述，通常是几个截面的叶型数据，可能是空间点阵，也可能是多段圆弧线。须对数据进行前期处理，主要工作内容是光顺、旋转、平移，使设计坐标系与机床坐标系统一起来，即设计基准与加工基准的统一。采用高速螺旋式切削法加工叶片，对叶片的型面曲线光滑连续性设计要求很高。叶片型面(背弧面、内弧面、进出气边圆角)不得有尖点、折点、节点，否则在高速切削状态下，刀具极易在瞬间产生较大振动，造成设备事故。叶型不光顺的另外一种情况是在造型过程中，虽然每个截面的型线是光滑连续的函数曲线，但沿轴形成三维造型时，型面不光顺，中间有“波浪”状起伏，这种情况通常要经过对各截面基准的调整来修正。
  H" V- q( c) _" O1 c$ ~对同一截面内数据无法形成光顺的样条曲线的情况，必须对原始数据进行修改。具体方法是在截面曲线上，取n个点，曲率大的地方取点密，曲率小的地方取点疏，分别作这些点的法线，如图2和图3所示。图3的光滑连续曲线各点法线方向变化平缓，图2为较差的原始数据形成的截面曲线，其不同节点的法线方向变化剧烈，截面曲线显然是不光滑的，如果以这样的截面曲线生成三维空间造型，叶片型面凹凸不平，加工中不能实现。
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图1 对叶片、叶根的加工方式

图2 原始数据形成的截面曲线
: I" T5 P+ h1 P3 t6 i: {9 b. \& e7 e, {
; |& N6 Y' S" i( v. r; H图3 修改数据后的截面曲线
! S- [. l; \8 [4 {- B6 B/ z2 ]三、数学建模
机翼型叶片各截面数据列表表述，沿机翼周向各截面均匀布点给出，轴向沿直素母线对应给出。
7 l; i0 R) }, {1 |8 `( g+ E基于上述情况，叶片造型第一步是在二维平面内进行，每一个截面都在平面内形成一条封闭的曲线，每条曲线在叶片长度方向都有一个固定的位置。按照固定的位置将各个截面先旋转，然后平移。叶片的叶型一般来说有两种形式，一是由样条曲线组成，进气边和出气边分别有两段圆弧过渡；二是由多段圆弧组成的一条封闭曲线。在造型时必须注意以下几点。
叶型的截面曲线必须光滑连续封闭 对于叶型曲线不封闭的情况，譬如进出气边的圆弧与内背弧曲线不相切，就要改变圆弧圆心的位置，或是改变圆弧圆心的半径，或是对内背弧曲线的端点作相应的调整要保证叶片弦长不变。为保证弦长不变，可作一条与弦长相切，且与已知进气边(或出气边)圆弧相切的直线，然后分别作两条过内背弧曲线端点，且与内背弧曲线相切的直线，这样就形成三条直线，作一与这三条直线相切的圆，这个圆即与内背弧相切，起光滑过渡作用，同时也保证了弦长不变。
9 f7 Y2 b8 Z0 r  T0 u  {叶片的进出气边边缘应分别是两条光滑的曲线 通常情况下，对于一个叶型数据完全正确的叶片，造型完成后，应是如图4所示，进出气边的边缘是两条光滑的曲线。但有时进出气边边缘有时呈“波浪状”起伏。解决这一问题的方法是选用5个以上截面处在进出气边缘上的端点，形成二次曲线，二阶连续，以此修正其他截面数据的进出气端点数据。

& ~) B, G3 [9 |( O; \1 u8 o图4 造型完成的叶片
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1 @. P4 U7 @8 x, b) @图5 刀具过切计算

图6 调整拟合曲线的参数
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5 \9 o% c/ L/ y" Z/ A图7 刀具轨迹

图8 刀具轨迹
" n; ^  b. J. e3 ~. k: p计算机模拟加工仿真显示，还可以提示过切及残留情况；同时将机床实体的参数进行程序化处理后，还可显示机床刀具夹具的实际加工状态，检查干涉情况，避免发生意外。
六、叶根的加工
! `1 C& ^1 o3 U2 F& W- M叶根的加工是叶片加工的一个重要组成部分，在这之前，通常叶根是在叶根铣床上，用成形刀具进行加工的。既然叶型的加工可以通过一次装夹，完成从粗加工到半精加工再到精加工的全部过程，而且整个加工过程全部都由数控程序保证，那么叶根的加工也完全可以采用这种方式。采用高速铣对叶根的加工在国外已是成熟技术，国内一些厂家也有采用这种加工技术的。采用叶片加工中心对叶型和叶根采用一体化加工则是一种新的偿试。
6 D$ V; ^" v" @: H1 }大型TRT叶根的结构通常为图9和图10所示。

图9 大型TRT叶根结构
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1 p( e9 S2 l" ?% z# }+ o3 _图10 大型TRT叶根结构
叶根的加工和叶型的加工一样，通常也分为粗加工半精加工和精加工三部分。为了提高效率，粗加工通常采用较大直径的模具铣刀加工，仅给叶根齿型留0.2mm的余量。半精加工的主要目的除了清根以外，还需保证精加工的余量要均匀，根据掌握的现有资料，为精加工留0.1mm余量。精加工是最关键的加工工序，为提高效率和保证表面粗糙度，其切削参数的确定非常重要。为了减小表面粗糙度值，精加工通常采用单向加工，单向加工虽说增加了刀具的空行程，延长了加工时间，但单向加工所取得的加工质量是有保证的。
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