CN1613590A - 汽轮机叶片一次性装夹铣削成型的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机叶片加工方法及其装置。特点是对原五坐标数控机床的TurbSoft程序软件的粗加工模块进行二次开发，增设了叶片背弧出汽侧倒角、背弧进汽侧倒角、铣内弧型面、铣叶冠进汽侧、铣叶冠出汽侧的铣削粗加工功能模块，将叶片方钢毛坯一次性装夹于机床上即可铣削所有加工面，直到最终成型，不必多次装夹，从而避免了多次装夹造成的形位误差，提高了加工精度和产品质量；同时，各加工面粗铣都是一道铣削工序完成的，大大减少了同一加工面的粗铣工序，也省去了多次装夹所用的众多装夹具及大量装夹时间，大幅度提高了工作效率，降低了产品成本。

Description

汽轮机叶片一次性装夹铣削成型的方法及其装置

技术领域

本发明涉及汽轮机叶片的加工方法，尤其涉及将该叶片一次性装夹于机床上铣削成型的方法及其装置。

背景技术

目前，以申请人为代表的我国汽轮机生产企业，在铣削汽轮机叶片时，由于铣床控制系统的软件(我国1999年引进瑞士LIECHTI公司的TurbSoft软件)设置的粗加工模块没有进行二次开发，不能在五坐标机床上一次装夹加工成型，只得分为两大加工步骤：先在普通机床上将叶片方钢毛坯进行背弧出汽侧倒角、背弧进汽侧倒角、铣内弧型面、铣叶冠进汽侧、铣叶冠出汽侧的铣削粗加工，再在五坐标机床上进行其它后序加工。在普通机床上进行上述粗加工，每次只能铣一个加工面，每一加工面又要经多道工序铣削，每一道铣削工序都必须使用一套专用装夹具重新装夹，重新装夹工件时找中、对位难度很大，不可避免地存在形位误差，不仅难于保证加工精度，影响产品质量，而且因多次装夹，技术准备和加工周期长，工作效率很低，同时，所用的装夹具繁多、制造费用大，致使叶片的加工成本很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种汽轮机叶片一次性装夹铣削成型的方法以及用于该方法的装置。技术手段是对引进瑞士LIBCHTI公司的TurbSoft软件进行二次开发，对叶片重新造型，增加背弧出汽侧倒角、背弧进汽侧倒角、铣内弧型面、铣叶冠进汽侧、铣叶冠出汽侧的铣削粗加工方式，其技术解决方案是：

一种汽轮机叶片一次性装夹铣削成型的方法，将叶片方钢毛坯装夹于六轴五坐标机床上，由机床控制系统控制，按如下顺序的步骤进行铣削加工：

a.背弧出汽侧倒角粗铣；

b.背弧进汽侧倒角粗铣；

c.内弧型面粗铣；

d.叶冠进汽侧粗铣；

e.叶冠出汽侧粗铣；

f.铣叶冠处开空刀槽粗铣；

g.叶身型面精铣；

h.叶身型面精铣；

i.叶根R8精铣；

j.叶冠R8精铣；

k.叶根R6精铣；

l.叶冠R6精铣；

m.叶冠R4精铣。

所述背弧出汽侧倒角粗铣、背弧进汽侧倒角粗铣进一步包括步骤：

-根据铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；

-采用IG32玉米镶片铣刀，沿叶片长度方向进行框向铣削。

所述内弧型面粗铣进一步包括步骤：

-根据叶片内弧型面的扭曲情况确定主轴的旋转角度和刀具路径；

-采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的端面和侧刃同时沿叶片长度方向进行框向铣削。

所述叶冠进汽侧粗铣、叶冠出汽侧粗铣进一步包括步骤：

-根据毛坯尺寸的设置、铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；

-采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的侧刃沿叶片长度方向进行框向铣削。

用于实施上述方法的装置，包括六轴五坐标机床数控机床及其控制系统，该控制系统的程序软件包含按如下顺序工作的功能模块：

a.背弧出汽侧倒角粗铣模块，用于根据铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，沿叶片长度方向进行框向铣削；

b.背弧进汽侧倒角粗铣模块，用于根据铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，沿叶片长度方向进行框向铣削；

c.内弧型面粗铣模块，用于根据叶片内弧型面的扭曲情况确定主轴的旋转角度和刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的端面和侧刃同时沿叶片长度方向进行框向铣削；

d.叶冠进汽侧粗铣模块，用于根据毛坯尺寸的设置、铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的侧刃沿叶片长度方向进行框向铣削；

e.叶冠出汽侧粗铣模块，用于根据毛坯尺寸的设置、铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的侧刃沿叶片长度方向进行框向铣削；

f.叶冠处开空刀槽粗铣模块；

g.叶身型面半精铣模块；

h.叶身型面精铣模块；

i.叶根R8精铣模块；

j.叶冠R8精铣模块；

k.叶根R6精铣模块；

l.叶冠R6精铣模块；

m.叶冠R4精铣模块。

由于采用上述技术方案，将叶片方钢毛坯一次性装夹于机床上即可铣削所有加工面，直到最终成型，不必多次装夹，从而避免了多次装夹造成的形、位误差，提高了加工精度和产品质量；减少了大量去毛坯余量的工序，节约了工装费用；软件界面简捷，使用方便，编程员容易操作，编程时间短，缩短了技术准备和生产周期，大幅度提高了工作效率，降低了产品成本。

以下结合附图和实施例详细说明本发明。应当指出，实施例只是本发明的一种具体实施方式，不限制本发明的范围。

附图说明

图1是本发明的叶身型面造型图。

图2是叶片毛坯加工边界示意图。

图3是叶片加工工艺流程图。

图4是背弧进、出汽侧倒角粗铣加工方式和路径图。

图5是内弧型面粗铣加工方式和路径图。

图6是叶冠进、出汽侧粗铣加工方式和路径图。

图7是叶根、叶冠内、背径向面精铣加工方式和路径图。

图8是叶身型面铣削加工方式和路径图。

图9是叶根、叶冠R的铣削加工方式和路径图。

具体实施方式

现以加工X300A202001A～005A(中压缸1～5级)动叶片为例说明本发明。

要加工出合格的叶片的第一步就是建立准确的叶片模型。根据Turbsoft软件对方钢毛坯动叶片的造型要求，把它分为如下几个部分分别采用不同的软件完成它的造型工作：叶身型面、叶根平台、叶冠平台以及毛坯尺寸的设置。由于Turbsoft软件没有型面造型功能，因此叶身型面的一次造型必须用MasterCAM软件完成，叶身型面的二次造型和叶根平台、叶冠平台以及毛坯尺寸的设置在Turbsoft软件中完成。

参见图1：叶身型面一次造型，首先在MasterCAM软件中将型线图所提供的各截面离散点输入，然后生成各截面的样条曲线，再将样条曲线生成曲面。根据Turbsoft软件要求，叶身型面须由四个曲面构成，分为背弧曲面、内弧曲面、进汽边曲面和出汽边曲面。然后再将四个曲面在3D状态下转化成.igs文件，在Turbsoft软件中转换后才能进行二次造型和型面编程。

叶身型面二次造型，先在Turbsoft软件中设置后置处理参数(其中包括机床号的选择、夹具的偏置、叶根叶冠平台的形状、刀具参数等)，然后将在MasterCAM中转换的.igs文件读入，完成叶身型面的二次造型。

参见图2：根据Turbsoft软件对加工方钢毛坯叶片的要求，不仅要设置叶根平台和叶冠平台，还必须设置毛坯的尺寸，才能使用粗加工铣削方式进行加工。因此，在Turbsoft软件中设置了五个边界B1、B2、B91、B92、B0。边界B0做为毛坯尺寸的设置。

X300A202001A～005A(中压缸1～5级)动叶片传统工艺设计方法是首先采用普通加工机床，分多道工序对叶片型面进行去余量，然后再在六轴五坐标加工中心机床上进行叶片型面的加工，其加工工艺过程为：铣背弧出汽侧倒角→铣背弧进汽侧倒角→铣出汽侧斜度→铣进汽侧斜度→预铣叶冠内径向面→内弧叶冠处去余量→内弧去余量→内弧叶根处去余量→粗铣叶根出汽侧56°倒角→精铣叶根出汽侧56°倒角→铣汽道型线。

参见图3：本发明针对X300A202001A～005A(中压缸1～5级)动叶片方钢毛坯的特点，应用现有的Turbsoft软件的铣削方式和新开发的粗加工铣削方式，共编制了13个加工工步，工艺过程为：背弧出汽侧倒角粗铣→背弧进汽侧倒角粗铣→内弧型面粗铣→叶冠进汽侧粗铣→叶冠出汽侧粗铣→叶冠处开空刀槽粗铣→叶身型面半精铣→叶身型面精铣→叶根R8精铣→叶冠R8精铣→叶根R6精铣→叶冠R6精铣→叶冠R4精铣，在六轴五坐标机床上一次装夹完成叶片型面、叶根平台及叶冠平台的加工。这样完全保证了每块叶片的加工精度，并且缩短了工艺准备周期和生产周期，节约了大量的工艺装备的制造费用。

Turbsoft软件共有二十几种铣削方式，其中包括叶身型面的铣削方式、叶片平台的铣削方式、叶片型面的粗加工铣削方式以及叶片平台的粗加工铣削方式。在编制某种叶片的加工程序时，不可能每种铣削方式都能用到，而必须根据该叶片的特点选择合适的铣削方式，编制出高效率的加工程序，才能满足生产的需要。针对X300A202001A～005A(中压缸1～5级)动叶片型面由多截面构成，叶根平台、叶冠平台是平面的特点，在编制该程序时，共选用了6种铣削方式：①铣背弧出汽侧和进汽侧倒角铣削方式；②内弧粗加工的铣削方式；③进、出汽侧粗加工的铣削方式；④叶身型面的铣削方式；⑤叶根、叶冠R的铣削方式；⑥叶冠处开空刀槽的铣削方式。

参见图4：铣背弧出汽侧和进汽侧倒角采用了Turbsoft软件提供的叶片背弧粗加工(19#)铣削方案。该铣削方案主要用于在加工方钢毛坯时，对机床B轴设置一个固定的旋转角度，去除背弧进、出汽侧的余量。该方案也可用于去除叶片内弧的余量。该方案的刀具路径可以是一刀切削，也可以是多刀切削。刀具路径的多少是根据对使用刀具的切削宽度和切削深度来决定。该铣削方式是沿叶片长度方向进行框向铣削，这样可大大地缩短加工时间。由于该铣削方式是用刀具的端面和侧刃同时铣削，因此，选用了IG32玉米镶片铣刀。

参见图5：内弧粗加工采用了Turbsoft软件的叶片内弧粗加工(18#)铣削方式。该铣削方式只能用于粗加工叶片的内弧型面。软件可根据叶片内弧型面的扭曲情况自动计算出主轴的旋转角度和刀具路径。刀具路径的多少所用的刀具切削宽度和深度的设置有关。该铣削方式是用刀具的端面和侧刃同时铣削，因此，选用了IG32玉米镶片铣刀。该铣削方式同样是沿叶片长度方向进行框向铣削。

参见图6：进、出汽侧粗加工采用了Turbsoft软件的叶片叶根粗加工(17#)铣削方案，该铣削方式可用于叶根、叶冠毛坯余量不一样的情况下，对叶片的进汽侧、出汽侧、背弧径向面和内弧径向面进行粗加工。软件根据毛坯尺寸的设置，所用的刀具切削宽度和深度的设置计算出刀具的铣削路径。该铣削方式主要用刀具侧刃铣削，因此，同样选用了IG32玉米镶片铣刀。铣削方式同样为框架铣削。

参见图7：如果需要对叶根、叶冠内背径向面进行精加工，就必须选择Turbsoft软件的叶片叶根精加工(15#)铣削方式。该铣削方式是对分别对叶根、叶冠径向面进行纵向切削，主要用IG32玉米镶片铣刀的端面切削。

参见图8：叶身型面的铣削方式采用了Turbsoft软件的叶片型面(1#)铣削方案。该铣削方式可用于叶片叶身型面的粗加工、半精加工以及精加工。铣削方式是沿叶片截面进行螺旋铣削。由于玉米镶片铣刀的切削力、切削深度比较大，因而在粗加工时选用了IG32玉米镶片铣刀。而精加工要求的精度比较高，此时叶片余量不大且均匀，就选用R28镶片铣刀。这样既能保证叶片型面的加工精度，又能节约加工时间。

参见图9：针对X300A202001A～005A(中压缸1～5级)动叶片叶根平台、叶冠平台是平面的特点，在加工叶根、叶冠R时采用Turbsoft软件的叶片平面平台(7#)削方案。叶片平面平台(7#)铣削方式的特点是，在加工叶根、叶冠R的同时，利用刀具的侧刃同时加工出叶根、叶冠平台，这样可以大大地提高叶片的加工效率。但此种铣削方式只适用于加工叶根、叶冠平台为平面的叶片。由于X300A202001A～005A(中压缸1～5级)动叶片叶根R为R6、叶冠R为R4，因而选择三种刀具来加工叶根、叶冠。刀具分别为：①K16整体硬质合金球头刀；②K12整体硬质合金球头刀；③K8整体硬质合金球头刀。这三种刀具都是带锥度的球头刀。

叶冠处开空刀槽的铣削方式采用了Turbsoft软件的叶冠处开空刀槽(30#)铣削方式。该铣削方式是根据叶片的实际情况开发出的，主要用于叶片叶根、叶冠处开空刀槽，以便于对叶身型面的粗加工。铣削方式类似于30#铣削方式。由于开空刀槽时余量比较大，因而同样选用了切削力、切削深度比较大的IG32玉米镶片铣刀。

在确定了叶片的加工工艺路线和铣削方式后，在软件中设置了几百个参数，由系统产生加工程序后，在六轴五坐标加工中心机床上进行调试。在程序调试中，根据毛胚的余量调整加工区域和加工路径数量，以提高切削效率，缩短加工时间。

通过加工实践证明：由于合理地应用了Turbsoft软件的粗加工铣削方式，使在对方钢毛坯动叶片加工的过程中，减少了大量去毛坯余量的工序，节约了工艺装备费用，缩短了技术准备和生产周期，提高了产品的产量和质量，充分发挥了加工中心机床的作用，使叶片加工技术迈上了一个新的台阶。

Claims (5)

1.一种汽轮机叶片一次性装夹铣削成型的方法，将叶片方钢毛坯装夹于六轴五坐标数控机床上，由机床控制系统控制，按如下顺序的步骤铣削加工：

a.背弧出汽侧倒角粗铣；

b.背弧进汽侧倒角粗铣；

c.内弧型面粗铣；

d.叶冠进汽侧粗铣；

e.叶冠出汽侧粗铣；

f.铣叶冠处开空刀槽粗铣；

g.叶身型面精铣；

h.叶身型面精铣；

i.叶根R8精铣；

j.叶冠R8精铣；

k.叶根R6精铣；

l.叶冠R6精铣；

m.叶冠R4精铣。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述背弧出汽侧倒角粗铣、背弧进汽侧倒角粗铣进一步包括步骤：

-根据铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；

-采用IG32玉米镶片铣刀，沿叶片长度方向进行框向铣削。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述内弧型面粗铣进一步包括步骤：

-根据叶片内弧型面的扭曲情况确定主轴的旋转角度和刀具路径；

-采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的端面和侧刃同时沿叶片长度方向进行框向铣削。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述叶冠进汽侧粗铣、叶冠出汽侧粗铣进一步包括步骤：

-根据毛坯尺寸的设置、铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；

-采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的侧刃沿叶片长度方向进行框向铣削。

5.用于权利要求1所述方法的装置，包括六轴五坐标机床数字控制机床及其控制系统，该控制系统的程序软件包含按如下顺序工作的功能模块：

f.叶冠处开空刀槽粗铣模块；

g.叶身型面半精铣模块；

h.叶身型面精铣模块；

i.叶根R8精铣模块；

j.叶冠R8精铣模块；

k.叶根R6精铣模块；

l.叶冠R6精铣模块；

m.叶冠R4精铣模块；

其特征在于：该程序软件还包含置于叶冠进汽侧粗铣模块之前且按如下顺序工作的功能模块：

a.背弧出汽侧倒角粗铣模块，用于根据铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，沿叶片长度方向进行框向铣削；

b.背弧进汽侧倒角粗铣模块，用于根据铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，沿叶片长度方向进行框向铣削；

c.内弧型面粗铣模块，用于根据叶片内弧型面的扭曲情况确定主轴的旋转角度和刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的端面和侧刃同时沿叶片长度方向进行框向铣削；

d.叶冠进汽侧粗铣模块，用于根据毛坯尺寸的设置、铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的侧刃沿叶片长度方向进行框向铣削；

e.叶冠出汽侧粗铣模块，用于根据毛坯尺寸的设置、铣刀的切削宽度和深度确定刀具路径；采用IG32玉米镶片铣刀，用铣刀的侧刃沿叶片长度方向进行框向铣削。

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