汽轮机叶片菌型叶根圆弧加工方法探讨

汽轮机叶片菌型叶根圆弧加工方法探讨

刘学斌

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：菌型结构广泛应用于汽轮机叶片的叶根部分，形状呈菌型并辅以圆弧面及过渡曲面。传统加工中多选取专用机床进行，但工件安装调整困难；切削时，叶根两侧同时切削，切削量大，振动大，噪声大；同时，不可避免造成某侧逆铣，使叶根表面粗糙，精度难以控制。数控机床因其柔性好、精度高，成为了企业的新宠。但叶片菌型叶根数控加工过程中，须多轴联动，刀具运动轨迹复杂；无法按工件坐标系进行程序编制，编程难度大，也无专用的后置处理程序。因此，结合机床的运动特点，研究数控加工过程中刀具轨迹，设计通用的数控加工程序，是菌型叶根数控加工的技术关键。

关键词：汽轮机叶片；菌型叶根；圆弧加工；方法探讨

前言

目前，菌型叶根生产主要有两种方式：采用菌型叶根专用机床或者是数控卧式加工中心。相对于数控卧式加工中心，菌型叶根专用机床的缺点主要有：功能单一、刚性差、转速低，叶根表面粗糙度差；而且刀具只能在单一加工平面内运行，对刀具直径要求严格，无形中增加了刀具使用成本。而数控卧式加工中心虽然具有刚性好、转速高、生产效率高、叶根表面质量好、刀具直径可变等优点，但是存在一个很大的问题：加工程序编制问题。当叶片在加工中心上安装完毕后，程序编制人员需要测量叶片在机床中的相对位置，然后再在编程软件中进行程序编制。当加工另外一种叶根时，就又需要重复以上工作，不仅花了技术人员的大量时间，还耽误了生产的快速推进。本文就是对其加工过程进行分析，总结流程，开发出可以由工人自行完成编程的一套应用软件。

1、菌型叶根加工原理分析

菌型叶根铣刀及其所加工的菌型叶根如图1所示。

图1菌型叶根加工示意图

专用机床加工时，刀具只能在叶根的中分面中进行加工。成型刀具通过刀柄与机床加工主轴A进行连接，而加工主轴A由另一个垂直于中分面的主轴B带动，实现刀具的切削运动。叶片放置于固定的工作台上。叶根型线半径的大小由铣刀同主轴B的距离决定，离主轴中心越近，半径越小，反之半径越大。加工前必须对铣刀与主轴旋转中心的距离进行确定，使之符合图样要求。切削时，主轴A作旋转是机床的主运动，主轴B带动主轴A实现进给运动，从而完成切削。数控机床加工时，成型刀具同样通过刀柄与机床主轴进行连接，机床主轴只能进行上下、前后的直线运动，铣头不能作圆弧摆动而被加工叶片固定在工作台上，可以实现旋转及左右直线运动。在实际加工时，通过工作台的旋转、左右移动以及主轴的前后运动，实现不同位置的补偿，来加工出叶根的圆弧。同时由于数控卧式加工中心可进行上下移动，从而减小对刀具直径的依赖，让刀具可以通过多次修磨的方式进行重复使用，从而降低刀具使用成本。

专用机床加工菌型叶根时“成型铣刀”运动的轨迹是绿色线aa，即菌型叶根圆弧轨迹；在普通数控机床上加工菌型叶根时，菌型叶根的圆弧轨迹依然是绿色线aa（详见图2），但数控机床运行的轨迹却是红色线a1a1，是一个放大的反向的圆弧。如何在数控机床上通过运行a1a1铣削出菌型叶根aa便是问题的关键。只要找出aa和a1a1的数学关系，建立数学模型就能实现aa和a1a1的转换。通过对数控加工机床加工菌型叶根的工作原理的分析得出结论：因菌型叶根自身的结构特征，加工曲线的铣刀轴线只能在叶根圆弧的法线方向（即圆弧的法线方向与主轴平行）加工才能避免过切和干涉，保证型线的准确性。根据叶片在工作台上的安装情况，当加工型线圆弧时，除圆弧段中点外，其它的任意点的法向要保证与主轴方向平行，坐标位置已发生了变化，故这些点的坐标均需要进行修正计算。

图2数控加工补偿原理分析图

2、菌型叶根在普通数控机床上的数学算法

数控机床加工菌型叶根是非常理想的加工方法，但完成卧式加工中心通过第四轴联动拟合扇形工作台反R插补算法。最终实现卧式加工中心运动模拟完全替代传统扇形工作台及专机运动轨迹。此功能需要开发一种计算机软件就能实现。

2.1建立数学模型

建立如图3所示的坐标系XOZ，已知参数：OD=L（旋转中心到叶根顶点的距离），O1D=O1P=R（被加工圆弧的半径），CP=XC=2GP（被加工圆弧的弦长）。由以上已知条件可以得出叶根圆弧对应的中心角∠PO1C=2A，而tanA=PG/GO1，而PG=XC/2；GO1==，所以A=arctan[XC（/2R2－1/4XC2）］。

图3数学分析图

旋转中心O的B轴未旋转时P点的坐标：P点在坐标系中Z方向的分量为Z=L+R-RcosA；P点在坐标系中X方向的分量为X=RsinA，角度E的值为E=arctan（X/Z）。OP=X2+Z2。当P点旋转到P1点时，B轴旋转的角度为A。P和P1都是以O为圆心的同一圆周上，故OP=OP′，此时P′点在坐标系中Z方向的分量为Z1=OPcos（A+E）；P′点在坐标系中X方向的分量为X1=OPsin（A+E）。此时Z1和X1便是B轴旋转后的坐标值，而B轴只旋转角度A，而不是（A+E），因为B轴未旋转时，已经有一个有角度E，故不能再加E，否则旋转角度便不正确。

为使精确铣削出的叶根圆弧表面光洁度好，便让角度增量K=0.1，设循环初始值N=0，直到N=2A/K，则旋转角度B1=-A+N·K（规定在坐标轴Z下方的角度为负）。现在B轴旋转后的坐标和角度都已求出，便可输出圆弧上很多坐标点及B轴旋转的角度，再将这些点写成NC程序，便可用于菌型叶根加工。

2.2软件方案实施

以图4的叶根为例，详细描述如下：根据工艺图图4得出3个参数：1）旋转中心到叶根距离L=134.62mm；2）被加工叶根的弦长=200mm；3）被加工叶根的半径R=813.1mm；叶根要求加工精度为默认值0.01，将这4个数据录入“菌型叶根四轴圆弧加工软件”中，单击“计算”命令按钮，再单击“输出NC程序”命令按钮。

输出框中便能看到NC程序的输出路径，输出程序路径与“菌型叶根四轴圆弧加工软件”路径一致。输出的数控机床加工NC程序如下：

T2

M06

N0G0G90G40G94G17G21G10G53

G00Z500.0

N4G0G90G15H1X-116.556Y0B7.064

S120M3

N5G56Z200H2

M8

N6G1Z127.425F100

M16

Z127.425X-116.556B7.064

Z127.826X-113.273B6.864

Z128.216X-109.988B6.664

Z128.407X-108.344B6.564

Z128.594X-106.701B6.464

Z127.884X112.797B-6.836

Z127.685X114.439B-6.936

………………………………

G0G90G15H0Z500.0

M09

M05

M30

将NC程序装载入普通数控机床，便能按工艺要求自动加工出如图6所示的菌型叶根。

3、结论

普通数控机床加工任何菌型叶根，只需测量3个参数，输入“菌型叶根四轴联动CAM软件”，便能自动输出数控机床需要的NC程序，应用于数控加工机床，非常方便。由于数控机床菌型叶根自编程功能的实现，让数控机床加工叶片菌型叶根方法简单，加工效率高，叶根表面光洁度好，刀具利用率高。该软件具有推广应用价值。

参考文献：

［1］刘瑞新，汪远征.VisualBasic程序设计教程［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［2］胡国清，张旭宇.西门子SINUMERIK840Dsl\840Disl数控系统应用工程师手册［Z］.2013.

［3］崔喜亮，廖冬梅.菌形叶根数控加工程序的开发及试验研究［J］.机械工程师，2013（3）：97-98.