CN105252232A - 一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法 - Google Patents

Abstract

一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，属于汽轮机制造领域，包括构造汽轮机动叶片叶身曲面模型、环形刀盘的规格计算、加工工艺参数的设定、刀具轨迹的计算、仿真检验和切削加工等步骤。本发明的加工方法采用三轴联动的方式加工动叶片类的自由曲面，切削速度高且任何位置的切削速度不为零，机夹刀具的切削深度小，同时，工件的旋转速度较慢，机床运动精度高、切削稳定性好，表面质量和加工精度高；相对于传统的四轴或五轴联动的加工方法，本方法的机床及运动方式相对简单，在一定程度上降低了动叶片的加工成本。

Description

一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法

技术领域

本发明涉及汽轮机制造技术领域，具体地说是一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法。

背景技术

汽轮机叶片的主要作用是进行能量的转换，即将蒸汽所具有的热能转化成能推动汽轮机转子运动的机械能。通常情况下，汽轮机叶片处于高压、高温、强腐蚀以及高转速的工作环境，尤其是随着转子高速旋转的动叶片。与静叶片相比，动叶片承受很大的质量惯性力、振动载荷以及气动力。因此，汽轮机动叶片的制造加工质量直接影响汽轮机的性能、可靠性以及使用寿命。

如图1所示，汽轮机动叶片主要由叶根1、叶身曲面2(或者叶型曲面)、叶顶3三部分组成。叶根1是将动叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分。无论汽轮机的短叶片、中长叶片和长叶片，通常在叶顶用围带连在一起，构成叶片组，其主要作用是减小叶片工作的弯应力、增加叶片刚性以避开共振、形成一个封闭的气流通道，减小漏汽损失。叶身曲面2位于叶根1和叶顶3之间，也是汽轮机动叶片最重要的工作部分，相邻动叶片的叶身部分构成了汽轮机工作的气流通道。因此，叶身曲面决定着气流通道的变化规律。

叶片曲面常用的数控加工方法主要有两种:点铣法和侧铣法。点铣法加工叶片曲面时，采用的刀具为球头铣刀或圆环面端铣刀，根据叶片曲面的流线方向逐行铣削逐渐加工出叶片曲面形状，主要用于加工叶身为自由曲面的叶片。该方法的刀具轨迹计算相对容易，但加工时刀具与被加工曲面的最终几何形状呈点接触状态，并且随着铣刀与被加工的叶身曲面之间相接触的位置的不断变化，其铣削速度也在不断地变化，最重要的是，球面铣刀在铣刀头部顶点位置处的切削速度为零，因此，铣削后的叶身曲面表面加工质量很差，加工效率低，并且很容易使刀具产生磨损而报废。

与点铣法相比，侧铣法采用的刀具多数为圆柱铣刀或圆锥铣刀，与叶片曲面相接触的刀具侧刃铣削加工出叶片曲面的最终几何形状。这种铣削方法与点铣法相比,显著改善了叶片的表面粗糙度和提高了叶片的加工效率。但这种方法只适用于叶身是直母线型曲面的叶片。汽轮机动叶片叶身曲面多为不可展曲面，采用侧铣法会不可避免地产生较大的误差。

叶片曲面的加工过程比较复杂，一般需要在多轴联动数控机床(四轴、五轴)上进行加工。无论点铣法还是侧铣法，一般需要价格昂贵的多轴(四轴或五轴)联动数控机床，造成现阶段的汽轮机动叶片的加工成本较高等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，该方法可应用于三轴联动的旋风铣床，可以提高动叶片叶身曲面的表面质量和加工精度，并且能够降低加工成本。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：构造汽轮机动叶片叶身曲面模型：根据动叶片叶身各截面的型值点数据，构造出叶身曲面模型；

步骤(2)：环形刀盘的规格计算：根据步骤(1)构造的叶身曲面模型以及微分几何，计算出叶身曲面的凹面的最小曲率半径η_jmin，依据环形刀盘与动叶片叶身曲面不产生空间干涉的原则，计算出环形刀盘的刀盘半径，从而确定环形刀盘上的机夹刀片的规格；

步骤(3)：加工工艺参数的设定：在步骤(2)的基础上，设定动叶片叶身曲面多轴联动加工的工艺参数；

步骤(4)：刀具轨迹的计算：根据动叶片叶身曲面的模型、选取的机夹刀具规格、环形刀盘的刀盘直径以及步骤(3)中设定的工艺参数，生成环形刀盘的刀位点数据；然后依据数控机床的结构类型与数控系统，生成多轴联动的刀位点数据；环形刀盘的刀位点数据和多轴联动的刀位点数据构成符合动叶片加工要求的刀具运动轨迹；

步骤(5)：切削加工：装夹动叶片毛坯，启动数控机床，加工动叶片的叶身曲面。

进一步的技术方案为：在所述的步骤(4)和步骤(5)之间增加步骤(4-5)：仿真检验，步骤(4-5)的操作方法如下：对步骤(4)生成的刀具运动轨迹在仿真软件上对其进行仿真校验，若加工误差超过叶片曲面的加工要求或者出现碰撞现象，返回步骤(2)；若符合加工要求，则进行下一步操作。

增加仿真检验的步骤，确保进行切削加工时，机床刀具的轨迹是符合加工要求的，避免残次品的产生，保证加工质量，提高加工效率，避免浪费。

进一步的技术方案为：所述步骤(2)中，环形刀盘的刀盘半径的计算公式为：

R+r≤η_jmin

其中：R—环形刀盘的半径，

r—机夹刀片的刀尖半径。

利用该公式计算出的环形刀盘的刀盘半径，能够保证环形刀盘与动叶片叶身曲面不产生空间干涉，即不产生碰撞，确保切削加工顺利进行。

进一步的技术方案为：本方法所采用的机床为C、X、Z三轴联动的旋风铣床，其中动叶片的叶身轴线为Z轴，绕叶身轴线的旋转轴为C轴，X轴与叶身轴线垂直。

采用三轴联动的旋风铣床对叶身曲面进行加工，比起传统的四轴或者五轴联动的数控机床，不仅使加工成本大大降低，而且提高了动叶片叶身曲面的表面质量和加工精度。

进一步的技术方案为：步骤(4)中，多轴联动的刀位点数据的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{x^2+y^2}\\ Z=z\\ C=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)\end{array}\right.$

其中：X—机床X轴的刀位点数据，

Z—机床Z轴的刀位点数据，

C—机床C轴的刀位点数据，

x—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在X轴的坐标值，

y—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在Y轴的坐标值，

z—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在Z轴的坐标值。

x、y、z表示旋风铣刀中心点相对于工件坐标系的坐标值，即加工叶片曲面上任意点时环形刀盘的刀位点数据，其求法为：对于叶片曲面的任意加工位置N(x_N,y_N,z_N)，根据旋风铣刀与叶片曲面的空间啮合关系，可以表示出刀尖圆弧圆心的坐标值，再根据旋风铣刀与工件坐标系的空间几何关系，求解出旋风铣刀回转曲面的中心点在工件坐标系中的位置o(x,y,z),即环形刀盘的刀位点数据。

进一步的技术方案为：步骤(4)中，将多轴联动的刀位点数据CL文件编译成数控机床可读的G代码程序。

进一步的技术方案为：步骤(6)中，将所述的程序输入数控机床。将程序输入数控机床之后，数控机床会按照程序运行，进行切削加工，加工效率高、精度高。

本发明提供的加工方法所采用的机床特点为：本发明所采用的机床为C、X、Z三轴联动的旋风铣床，其中动叶片的叶身轴线为Z轴，绕叶身轴线的旋转轴为C轴，X轴与叶身轴线垂直。机床主轴可夹持动叶片绕Z轴旋转；环形的机夹刀具安装盘垂直于机床主轴，刀盘轴线与Z轴平行且距离可调，并可沿主轴轴向即Z轴方向和径向即X轴方向运动；刀盘可绕其回转轴作高速旋转运动且速度可调。

本发明所提供的加工方法采用的加工刀具特点为：切削刀具为若干把标准机夹刀具(可以选取国标GB/T2076-1987～GB/T2081-1987中代号为D、R、T或者L中的一种)，切削刀具均匀安装或者镶焊在环形的机夹刀具安装盘(简称环形安装盘)上。机夹刀具装夹在环形安装盘的外侧，机夹刀具与动叶片呈外切的几何关系。装夹有机夹刀具的环形安装盘又称为环形刀盘，环形刀盘在电机的驱动下作高速旋转运动。

本发明所提供的加工方法采用的加工方式为：C、X、Z三轴联动切削的加工方式，动叶片在主轴伺服电机的带动下作慢速旋转运动(即C轴)，同时旋风铣刀在两个伺服电机的控制下分别沿着动叶片的径向作X向切削运动以及沿着动叶片的轴向作Z向进给运动。

本发明的有益效果是：

1、该方法采用C、X、Z三轴联动切削的方式加工动叶片的叶身曲面，旋风铣刀的高速旋转运动为主运动，机床主轴带动动叶片慢速旋转为辅助运动，这种铣削运动的优点是切削速度高且任何位置的切削速度不为零，机夹刀具的切削深度小，同时，工件的旋转速度较慢，机床运动精度高、切削稳定性好，表面质量和加工精度高。

2、该方法采用三轴联动的方式加工动叶片类的自由曲面，相对于传统的多轴联动(四轴、五轴)加工方法，本方法的机床及运动方式相对简单，在一定程度上降低了动叶片的加工成本。

综上所述，本发明可以提高动叶片叶身曲面的加工质量，包括表面质量和加工精度，并且能够降低加工成本。

附图说明

图1为汽轮机动叶片的结构示意图；

图2为动叶片的叶身曲面的切削形式示意图；

图3为动叶片的叶身曲面的加工原理图；

图4为动叶片叶身曲面的连续加工形式示意图；

图5为环形刀盘的选取原则的示意图；

图6为图5中a部分的局部放大图；

图7为本发明实施例加工方法的流程图。

图中：1叶根，2叶身曲面，3叶顶，4环形刀盘，5机夹刀具，6机夹刀片刀尖圆弧，7刀尖圆弧圆心，8刀尖圆心回转圆，9刀尖旋转迹线圆。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的描述：

采用C、X、Z三轴联动的方式加工动叶片的叶身曲面，环形刀盘4与叶身曲面2呈相外切的几何关系，如图2所示。图2中包括动叶片的叶身曲面2，环形刀盘4以及若干把标准的机夹刀具5。从图2中可以明显的看出，环形刀盘4的回转直径远大于标准的机夹刀具5的刀尖半径，因此，该加工方法有比球头铣刀、端面铣刀更高的切削速度，更好的切削条件及加工质量。

如图3所示为采用C、X、Z三轴联动的方式加工动叶片的叶身曲面的原理图。o-xyz为刀具坐标系，O-XYZ为工件坐标系，其中o-x轴与O-X轴同向。在对动叶片的叶身曲面加工时，绕叶片毛坯旋转的C轴与机夹刀具的X向运动联动插补，包络加工出叶片曲面的空间截面廓形；并且C轴转动与刀具Z向联动，形成刀具沿工件轴向的进给运动，这也就是在X、Z、C三轴联动的控制下铣削加工出动叶片叶身曲面的原理。图3中包括，叶身曲面2，标准机夹刀片刀尖圆弧6，刀尖圆弧圆心7，刀尖圆心回转圆8，刀尖旋转迹线圆9。其中，刀尖圆心回转圆8为标准的机夹刀具5的刀尖圆弧圆心7绕环形刀盘4的圆心o旋转360°所形成的回转圆；刀尖旋转迹线圆9为标准的机夹刀具5的刀尖绕环形刀盘4的圆心o旋转360°所形成的回转圆。

如图4所示，在C、X、Z三轴联动的方式下加工动叶片的叶身曲面的过程中，主要存在四个加工运动：环形刀盘4带动标准的机夹刀具5高速旋转(主运动)，动叶片的叶身曲面2在主轴伺服电机的带动下作慢速旋转运动(辅助运动)，环形刀盘4在伺服电机的控制下沿动叶片的径向作X向切削运动(进给运动)以及沿着叶片的轴向作Z向切削运动(进给运动)。

动叶片叶身曲面的C、X、Z三轴联动的加工形式可以描述为，环形刀盘4绕动叶片工件的Z轴在XOY平面内的圆周运动与沿着动叶片工件的Z轴方向的直线运动组成的合成运动。对动叶片的叶身曲面2的完整的加工过程为：环形刀盘4由起始高度沿X轴快速移动到安全高度，然后以较慢的速度下刀至指定位置。环形刀盘4沿着叶片截面曲线包络切削工件，同时叶片毛坯绕动叶片的轴线作旋转运动，环形刀盘4沿着叶片的轴向作Z向切削进给运动。在叶身曲面2上就可以形成一个连续的完整的刀具切削轨迹，从而加工出动叶片的整个叶身曲面2。

动叶片叶身曲面的C、X、Z三轴联动的加工形式在刀具轨迹的连续性、进给方向一致性、加工效率以及加工质量方面具有十分显著的优势。

如图5、图6所示，采用C、X、Z三轴联动的方式加工动叶片的叶身曲面的凹面时，若环形刀盘4的刀盘半径大于动叶片叶身曲面凹面的最小曲率半径时，加工过程中会产生不可避免的过切而无法实现精确加工；如果环形刀盘4的刀盘半径小于凹面的最小曲率半径则可以在理论上实现无误差包络切削。因此，环形刀盘4的选择原则，即环形刀盘4与动叶片叶身曲面2凹面不产生空间干涉(亦为碰撞)的条件为，环形刀盘4的刀盘半径应小于或等于动叶片叶身曲面凹面的最小曲率半径η_jmin，即：

R+r≤η_jmin(1)

其中：R—环形刀盘的半径，

r—机夹刀片的刀尖半径。

后置处理是采用C、X、Z三轴联动的形式加工动叶片叶身曲面的关键性步骤之一，是在加工理论方法与数控机床之间建立一种纽带，其主要目的是依据数控机床的结构类型与数控系统，生成数控系统能识别且便于加工的刀位点(CL)数据文件，即转化成X、Z、C三轴联动的刀位点文件。

动叶片的叶身曲面C、X、Z三轴联动加工的CL文件中X的值为环形刀盘4中心点到叶片旋转轴线的距离，坐标轴平面o′x′y′与叶身曲面坐标系的Z轴的负半轴的交点为P(0,0,z)，CL文件中Z的值为点P到工件坐标原点O的距离，CL文件中转角C值的计算可以转化成环形刀盘坐标系o′-x′y′z′绕工件坐标系Z轴的旋转角。因此动叶片叶身曲面X、Z、C三轴联动的刀位点数据为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{x^2+y^2}\\ Z=z\\ C=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：X—机床X轴的刀位点数据，

Z—机床Z轴的刀位点数据，

C—机床C轴的刀位点数据，

x—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在X轴的坐标值，

y—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在Y轴的坐标值，

z—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在Z轴的坐标值。

x、y、z表示旋风铣刀中心点相对于工件坐标系(图3中O-XYZ)的坐标值，即加工叶片曲面上任意点时环形刀盘的刀位点数据，其求法为：对于叶片曲面的任意加工位置N(x_N,y_N,z_N)，根据旋风铣刀与叶片曲面的空间啮合关系，可以表示出刀尖圆弧圆心7的坐标值，再根据旋风铣刀与工件坐标系的空间几何关系，求解出旋风铣刀回转曲面的中心点在工件坐标系中的位置o(x,y,z),即环形刀盘的刀位点数据。

如图7所示，根据上述加工原理和实现方法，汽轮机动叶片叶身曲面的高效连续加工方法的具体实现步骤如下：

步骤(1)：构造汽轮机动叶片叶身曲面模型。根据动叶片叶身各截面的型值点数据，构造出叶身曲面模型。

步骤(2)：环形刀盘的规格计算。根据步骤(1)构造的叶身曲面模型以及微分几何，计算出叶身曲面的凹面的最小曲率半径η_jmin，并根据公式(1)计算出环形刀盘的刀盘半径。在此基础上设定环形刀盘上的标准机夹刀片的规格。

步骤(3)：加工工艺参数的设定。在步骤(2)的基础上，设定动叶片叶身曲面的C、X、Z三轴联动加工的工艺参数，包括加工误差、残留高度、走刀行距、进给速率、安全高度，加工余量，环形铣刀的旋转速度。

步骤(4)：刀具轨迹的计算。根据动叶片叶身曲面的模型、选取的机夹刀具规格、环形刀盘的刀盘直径以及叶身曲面的加工余量等其他的工艺参数计算出环形刀盘的刀位点数据，并根据公式(2)计算出动叶片叶身曲面X、Z、C三轴联动的刀位点数据，将多轴联动的刀位点数据CL文件编译成数控机床可读的G代码程序，生成符合动叶片加工要求的刀具运动轨迹。

步骤(5)：仿真检验。对步骤(4)生成的刀具轨迹在仿真软件上对其进行仿真校验，若加工误差超过叶片曲面的加工要求或者出现碰撞现象，返回步骤(2)；若符合加工要求，则进行下一步操作。

步骤(6)：切削加工。装夹动叶片毛坯，启动数控机床，输入步骤(4)中CL文件编译成的G代码程序，加工动叶片的叶身曲面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤(1)：构造汽轮机动叶片叶身曲面模型：根据动叶片叶身各截面的型值点数据，构造出叶身曲面模型；

步骤(2)：环形刀盘的规格计算：根据步骤(1)构造的叶身曲面模型以及微分几何，计算出叶身曲面的凹面的最小曲率半径η_jmin，依据环形刀盘与动叶片叶身曲面不产生空间干涉的原则，计算出环形刀盘的刀盘半径，从而确定环形刀盘上的机夹刀片的规格；

步骤(3)：加工工艺参数的设定：在步骤(2)的基础上，设定动叶片叶身曲面多轴联动加工的工艺参数；

步骤(4)：刀具轨迹的计算：根据动叶片叶身曲面的模型、选取的机夹刀具规格、环形刀盘的刀盘直径以及步骤(3)中设定的工艺参数，生成环形刀盘的刀位点数据；然后依据数控机床的结构类型与数控系统，生成多轴联动的刀位点数据；环形刀盘的刀位点数据和多轴联动的刀位点数据构成符合动叶片加工要求的刀具运动轨迹；

步骤(5)：切削加工：装夹动叶片毛坯，启动数控机床，加工动叶片的叶身曲面。

2.根据权利要求1所述的一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，在所述的步骤(4)和步骤(5)之间增加步骤(4-5)：仿真检验，步骤(4-5)的操作方法如下：对步骤(4)生成的刀具运动轨迹在仿真软件上对其进行仿真校验，若加工误差超过叶片曲面的加工要求或者出现碰撞现象，返回步骤(2)；若符合加工要求，则进行下一步操作。

3.根据权利要求1所述的一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，所述步骤(2)中，环形刀盘的刀盘半径的计算公式为：

R+r≤η_jmin

其中：R—环形刀盘的半径，

r—机夹刀片的刀尖半径。

4.根据权利要求1所述的一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，本方法所采用的机床为C、X、Z三轴联动的旋风铣床，其中动叶片的叶身轴线为Z轴，绕叶身轴线的旋转轴为C轴，X轴与叶身轴线垂直。

5.根据权利要求4所述的一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，步骤(4)中，多轴联动的刀位点数据的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{x^2+y^2}\\ Z=z\\ C=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)\end{array}\right.$

其中：X—机床X轴的刀位点数据，

Z—机床Z轴的刀位点数据，

C—机床C轴的刀位点数据，

x—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在X轴的坐标值，

y—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在Y轴的坐标值，

z—旋风铣刀中心点相对于工件坐标系在Z轴的坐标值。

6.根据权利要求1所述的一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，步骤(4)中，将多轴联动的刀位点数据文件编译成数控机床可读的G代码程序。

7.根据权利要求6所述的一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，其特征是，步骤(6)中，将所述的程序输入数控机床。