一種加工汽輪機動葉片葉身曲面的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽輪機制造技術領域，具體地說是一種加工汽輪機動葉片葉身曲面的 方法。
【背景技術】
[0002] 汽輪機葉片的主要作用是進行能量的轉換，即將蒸汽所具有的熱能轉化成能推動 汽輪機轉子運動的機械能。通常情況下，汽輪機葉片處于高壓、高溫、強腐蝕以及高轉速的 工作環(huán)境，尤其是隨著轉子高速旋轉的動葉片。與靜葉片相比，動葉片承受很大的質量慣性 力、振動載荷以及氣動力。因此，汽輪機動葉片的制造加工質量直接影響汽輪機的性能、可 靠性以及使用壽命。
[0003] 如圖1所示，汽輪機動葉片主要由葉根1、葉身曲面2 (或者葉型曲面）、葉頂3三 部分組成。葉根1是將動葉片固定在葉輪或轉鼓上的連接部分。無論汽輪機的短葉片、中 長葉片和長葉片，通常在葉頂用圍帶連在一起，構成葉片組，其主要作用是減小葉片工作的 彎應力、增加葉片剛性以避開共振、形成一個封閉的氣流通道，減小漏汽損失。葉身曲面2 位于葉根1和葉頂3之間，也是汽輪機動葉片最重要的工作部分，相鄰動葉片的葉身部分構 成了汽輪機工作的氣流通道。因此，葉身曲面決定著氣流通道的變化規(guī)律。
[0004] 葉片曲面常用的數(shù)控加工方法主要有兩種：點銑法和側銑法。點銑法加工葉片曲 面時，采用的刀具為球頭銑刀或圓環(huán)面端銑刀，根據(jù)葉片曲面的流線方向逐行銑削逐漸加 工出葉片曲面形狀，主要用于加工葉身為自由曲面的葉片。該方法的刀具軌跡計算相對容 易，但加工時刀具與被加工曲面的最終幾何形狀呈點接觸狀態(tài)，并且隨著銑刀與被加工的 葉身曲面之間相接觸的位置的不斷變化，其銑削速度也在不斷地變化，最重要的是，球面銑 刀在銑刀頭部頂點位置處的切削速度為零，因此，銑削后的葉身曲面表面加工質量很差，加 工效率低，并且很容易使刀具產(chǎn)生磨損而報廢。
[0005] 與點銑法相比，側銑法采用的刀具多數(shù)為圓柱銑刀或圓錐銑刀，與葉片曲面相接 觸的刀具側刃銑削加工出葉片曲面的最終幾何形狀。這種銑削方法與點銑法相比，顯著改 善了葉片的表面粗糙度和提高了葉片的加工效率。但這種方法只適用于葉身是直母線型曲 面的葉片。汽輪機動葉片葉身曲面多為不可展曲面，采用側銑法會不可避免地產(chǎn)生較大的 誤差。
[0006] 葉片曲面的加工過程比較復雜，一般需要在多軸聯(lián)動數(shù)控機床（四軸、五軸）上進 行加工。無論點銑法還是側銑法，一般需要價格昂貴的多軸（四軸或五軸）聯(lián)動數(shù)控機床， 造成現(xiàn)階段的汽輪機動葉片的加工成本較高等問題。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種加工汽輪機動葉片葉身曲面的方法， 該方法可應用于三軸聯(lián)動的旋風銑床，可以提高動葉片葉身曲面的表面質量和加工精度， 并且能夠降低加工成本。
[0008] 本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是：一種加工汽輪機動葉片葉身曲面的 方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟（1):構造汽輪機動葉片葉身曲面模型：根據(jù)動葉片葉身各截面的型值點數(shù) 據(jù)，構造出葉身曲面模型；
[0010] 步驟（2):環(huán)形刀盤的規(guī)格計算：根據(jù)步驟⑴構造的葉身曲面模型以及微分幾 何，計算出葉身曲面的凹面的最小曲率半徑η_]Mn，依據(jù)環(huán)形刀盤與動葉片葉身曲面不產(chǎn)生 空間干涉的原則，計算出環(huán)形刀盤的刀盤半徑，從而確定環(huán)形刀盤上的機夾刀片的規(guī)格；
[0011] 步驟（3):加工工藝參數(shù)的設定：在步驟（2)的基礎上，設定動葉片葉身曲面多軸 聯(lián)動加工的工藝參數(shù)；
[0012] 步驟（4):刀具軌跡的計算：根據(jù)動葉片葉身曲面的模型、選取的機夾刀具規(guī)格、 環(huán)形刀盤的刀盤直徑以及步驟（3)中設定的工藝參數(shù)，生成環(huán)形刀盤的刀位點數(shù)據(jù)；然后 依據(jù)數(shù)控機床的結構類型與數(shù)控系統(tǒng)，生成多軸聯(lián)動的刀位點數(shù)據(jù)；環(huán)形刀盤的刀位點數(shù) 據(jù)和多軸聯(lián)動的刀位點數(shù)據(jù)構成符合動葉片加工要求的刀具運動軌跡；
[0013] 步驟（5):切削加工：裝夾動葉片毛坯，啟動數(shù)控機床，加工動葉片的葉身曲面。
[0014]進一步的技術方案為：在所述的步驟（4)和步驟（5)之間增加步驟（4-5):仿真檢 驗，步驟（4-5)的操作方法如下：對步驟（4)生成的刀具運動軌跡在仿真軟件上對其進行仿 真校驗，若加工誤差超過葉片曲面的加工要求或者出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，返回步驟（2);若符合加 工要求，則進行下一步操作。
[0015] 增加仿真檢驗的步驟，確保進行切削加工時，機床刀具的軌跡是符合加工要求的， 避免殘次品的產(chǎn)生，保證加工質量，提高加工效率，避免浪費。
[0016] 進一步的技術方案為：所述步驟（2)中，環(huán)形刀盤的刀盤半徑的計算公式為：
[0017] R+r^njmin
[0018] 其中：R-環(huán)形刀盤的半徑，
[0019] r-機夾刀片的刀尖半徑。
[0020] 利用該公式計算出的環(huán)形刀盤的刀盤半徑，能夠保證環(huán)形刀盤與動葉片葉身曲面 不產(chǎn)生空間干涉，即不產(chǎn)生碰撞，確保切削加工順利進行。
[0021] 進一步的技術方案為：本方法所采用的機床為C、X、Z三軸聯(lián)動的旋風銑床，其中 動葉片的葉身軸線為Z軸，繞葉身軸線的旋轉軸為C軸，X軸與葉身軸線垂直。
[0022] 采用三軸聯(lián)動的旋風銑床對葉身曲面進行加工，比起傳統(tǒng)的四軸或者五軸聯(lián)動的 數(shù)控機床，不僅使加工成本大大降低，而且提高了動葉片葉身曲面的表面質量和加工精度。
[0023] 進一步的技術方案為：步驟（4)中，多軸聯(lián)動的刀位點數(shù)據(jù)的計算公式為：
[0024]
[0025] 其中：X-機床X軸的刀位點數(shù)據(jù)，
[0026]Z-機床Z軸的刀位點數(shù)據(jù)，
[0027] C-機床C軸的刀位點數(shù)據(jù)，
[0028]X-旋風銑刀中心點相對于工件坐標系在X軸的坐標值，
[0029]y-旋風銑刀中心點相對于工件坐標系在Y軸的坐標值，
[0030] ζ-旋風銑刀中心點相對于工件坐標系在Ζ軸的坐標值。
[0031] X、y、ζ表示旋風銑刀中心點相對于工件坐標系的坐標值，S卩加工葉片曲面上任意 點時環(huán)形刀盤的刀位點數(shù)據(jù)，其求法為：對于葉片曲面的任意加工位置N(xN，yN，zN)，根據(jù)旋 風銑刀與葉片曲面的空間嚙合關系，可以表示出刀尖圓弧圓心的坐標值，再根據(jù)旋風銑刀 與工件坐標系的空間幾何關系，求解出旋風銑刀回轉曲面的中心點在工件坐標系中的位置 o(x，y，z),即環(huán)形刀盤的刀位點數(shù)據(jù)。
[0032]進一步的技術方案為：步驟（4)中，將多軸聯(lián)動的刀位點數(shù)據(jù)CL文件編譯成數(shù)控 機床可讀的G代碼程序。
[0033] 進一步的技術方案為：步驟（6)中，將所述的程序輸入數(shù)控機床。將程序輸入數(shù)控 機床之后，數(shù)控機床會按照程序運行，進行切削加工，加工效率高、精度高。
[0034]本發(fā)明提供的加工方法所采用的機床特點為：本發(fā)明所采用的機床為C、X、Z三軸 聯(lián)動的旋風銑床，其中動葉片的葉身軸線為Z軸，繞葉身軸線的旋轉軸為C軸，X軸與葉身 軸線垂直。機床主軸可夾持動葉片繞Z軸旋轉；環(huán)形的機夾刀具安裝盤垂直于機床主軸，刀 盤軸線與Z軸平行且距離可調，并可沿主軸軸向即Z軸方向和徑向即X軸方向運動；刀盤可 繞其回轉軸作高速旋轉運動且速度可調。
[0035] 本發(fā)明所提供的加工方法采用的加工刀具特點為：切削刀具為若干把標準機夾刀 具（可以選取國標GB/T2076-1987~GB/T2081-1987中代號為D、R、T或者L中的一種）， 切削刀具均勻安裝或者鑲焊在環(huán)形的機夾刀具安裝盤（簡稱環(huán)形安裝盤）上。機夾刀具裝 夾在環(huán)形安裝盤的外側，機夾刀具與動葉片呈外切的幾何關系。裝夾有機夾刀具的環(huán)形安 裝盤又稱為環(huán)形刀盤，環(huán)形刀盤在電機的驅動下作高速旋轉運動。
[0036]本發(fā)明所提供的加工方法采用的加工方式為：C、X、Z三軸聯(lián)動切削的加工方式， 動葉片在主軸伺服電機的帶動下作慢速旋轉運動（即C軸），同時旋風銑刀在兩個伺服電機 的控制下分別沿著動葉片的徑向作X向切削運動以及沿著動葉片的軸向作Z向進給運動。
[0037]本發(fā)明的有益效果是：
[0038] 1、該方法采用C、X、Z三軸聯(lián)動切削的方式加工動葉片的葉身曲面，旋風銑刀的高 速旋轉運動為主運動，機床主軸帶動動葉片慢速旋轉為輔助運動，這種銑削運動的優(yōu)點是 切削速度高且任何位置的切削速度不為零，機夾刀具的切削深度小，同時，工件的旋轉速度 較慢，機床運動精度高、切削穩(wěn)定性好，表面質量和加工精度高。
[0039] 2、該方法采用三軸聯(lián)動的方式加工動葉片類的自由曲面，相對于傳統(tǒng)的多軸聯(lián)動 (四軸、五軸）加工方法，本方法的機床及運動方式相對簡單，在一定程度上降低了動葉片 的加工成本。
[0040] 綜上所述，本發(fā)明可以提高動葉片葉身曲面的加工質量，包括表面質量和加工精 度，并且能夠降低加工成本。
【附圖說明】
[0041] 圖1為汽輪機動葉片的結構示意圖；
[0042] 圖2為動葉片的葉身曲面的切削形式示意圖；
[0043] 圖3為動葉片的葉身曲面的加工原理圖；
[0044] 圖4為動葉片葉身曲面的連續(xù)加工形式示意圖；
[0045] 圖5為環(huán)形刀盤的選取原則的示意圖；
[0046] 圖6為圖5中a部分的局部放大圖；
[0047] 圖7為本發(fā)明實施例加工方法的流程圖。
[0048] 圖中：1葉根，2葉身曲面，3葉頂，4環(huán)形刀盤，5機夾刀具，6機夾刀片刀尖圓弧，7 刀尖圓弧圓心，8刀尖圓心回轉圓，9刀尖旋轉跡線圓。
【具體實施方式】
[0049] 下面結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述：
[0050] 采用C、X、Z三軸聯(lián)動的方式加工動葉片的葉身曲面，環(huán)形刀盤4與葉身曲面2呈 相外切的幾何關系，如圖2所示。圖2中包括動葉片的葉身曲面2,環(huán)形刀盤4以及若干把 標準的機夾刀具5。從圖2中可以明顯的看出，環(huán)形刀盤4的回轉直徑遠大于標準的機夾刀 具5的刀尖半徑，因此，該加工方法有比球頭銑刀、端面銑刀更高的切削速度，更好的切削 條件及