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基于并联机床的汽轮机叶片数控加工技术研究
Oct 29, 2012  来源:  作者:南京农业大学工学院 陈光明

      叶片是汽轮机的核心关键零件,是汽轮机的心脏,叶片加工质量的好坏直接影响到汽轮机的工作效率以及可靠性。随着汽轮机设计要求的提高,叶片加工要求也越来越高,特别是叶片型面加工一直是汽轮机生产的瓶颈口,传统的叶片加工方式其加工工艺原始、加工手段落后,工人劳动负荷大,作业环境恶劣,生产效率很难提高,加工质量难以保证。为此必须研究叶片加工新的工艺方案和加工手段,作者主要探讨了基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工技术,经生产实践证明,叶片加工质量高,用并联机床加工汽轮机叶片的方案是切实可行的。
 
      1  汽轮机叶片结构特点

 

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      叶片是汽轮机极为重要的零部件,叶片的制造水平直接影响到汽轮机的效率。按功能作用的不同,汽轮机叶片可分为动叶片(如图1、2)和静叶片(如图3、4)两种。动叶片的结构主要由叶身型面、叶根、叶冠、拉筋、中间体等组成。

  
      叶片的基本部分称为叶身型面,叶身结构复杂,多为扭转自由曲面。叶身型面分为内型面(或内弧)、背型面(或背弧)、进气边圆角、出气边圆角、叶根圆角、叶冠圆角、拉筋等几个部分。叶身型面是由若干个截面型线拟合而成的光滑复杂曲面,由一组等距或不等距平行截面型线组成的空间扭曲面,其中叶身部分的横截面称为叶型,其每一个横截面边缘叫型线,一条型线由进气边圆弧、背弧、出气边圆弧和内弧组成,型线的结构决定叶片的工作情况,有的型面为弯扭变截面或等截面弯扭曲面。常见的叶根结构形式有菱形、T形、叉形和枞树形等。外端的固定则称为叶冠。叶片气道的进、出气边较薄,叶冠、叶根圆角较小。
 
      2 基于UG软件叶片的三维建模
 
      叶片的结构一般比较复杂,其建模过程也相对复杂。叶片的三维建模主要分为叶身型面、叶根和叶冠建模等部分。首先进行叶身造型,其次进行叶根和叶冠造型,然后再将三者进行布尔运算相加到一起,最后进行附加结构的操作,这样便可形成一个完整的叶片。数控程序的编制是根据叶片模型的尺寸关系确定的,所以建立的叶片模型的好坏,直接影响到数控加工程序的编制,最终也就影响到叶片的加工质量。通过CAD/CAM软件(如Pro/E、UG、MasterCAM、CATIA、Soliderworks等)进行叶片的三维建模。
 
      采用UG软件完成叶片的实体建模。图1、2为某动叶片三维造型,如图3、4为某静叶片三维造型。叶片型面的原始设计数据一般是一系列的离散点或分段圆弧表示的截面型线,这就需要用曲面拟合的方法在UG/Modeling模块中生成光滑连续的曲面。在叶片截面型线构造时,由于离散点数量较多,输入十分麻烦而且容易出错,可以在CAD中事先处理,用样条线拟合各个截面型线,采集出许多控制点,在建模时将控制点文件调入。对截面不相同的型面建模,首先构造各个截面型线,然后用通过曲面组命令,依次选择各截面型线(选择时要保证各个截面的方向一致),最后用蒙皮法生成叶型曲面。对截面相同的型面建模,首先构造截面以及生成线,然后用已扫掠命令,使截面沿着生成线方向扫描(需要控制参考方向,保证各个截面的形状相同),形成型面。
 
      叶根和叶冠的建模,由于两者形状相对规则,通过拉伸、旋转命令即可完成特征的描述,最后运用布尔运算命令进行修剪,得到叶根及叶冠的模型。
 
      3 叶片的数控加工工艺
 
      叶片是汽轮机的主要部件之一,尤其它的气道部分决定了汽轮机的发电功率,直接影响汽轮机产品的质量。叶片数控加工是表征汽轮机制造技术达到现代先进制造水平的重要标志之一。国外已普遍采用数控设备加工叶片,因此叶片数控加工技术的应用开发已势在必行。数控加工叶片优越性:(1)能提高叶片加工质量,保证叶片型线更接近理论叶型;(2)提高叶片加工效率;(3)降低了工人的劳动强度。
 
      汽轮机叶片的材料一般为不锈钢,为难加工材料,常用的有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等,这些材料强度高、韧性大、热硬性好、加工时极易变形,加工难度大。汽轮机叶片毛坯主要有3种:(1)锻造毛坯;(2)方钢毛坯;(3)精密铸造毛坯。其中锻造毛坯主要用于动叶片和结构简单的静叶片的制造;方钢毛坯适用于整体尺寸较小(<300mm)的叶片;精密铸造毛坯主要用于结构复杂的、锻造工艺难以达到要求的、而机加工余量较小的叶片。叶片切削加工特性主要表现为:切削力大,切削变形大,切削热大,刀片易磨损。
 
      随着我国汽轮机行业的不断发展,叶片的设计水平也在不断的提高,主要为变截面扭曲叶片,叶片气道型线部分是空间三坐标数据点,加工精度要求很高,加工难度很大。由于叶片外形复杂,而且叶片种类变化多样,多为扭转曲面,加工工艺要求高,叶片机械加工工作量一般要占整台汽轮机冷加工工时的25%~40%,需要多轴(如四、五轴)联动的数控机床来加工。随着汽轮机叶片加工要求的不断提高,对加工设备及工艺技术水平要求很高。它要求设备要有更灵活的切削运动,能实现多方位以及复合曲面结构的加工,不仅要求机床加工时运行平稳,能实现高速加工,而且要求机床具有高的运动加速度,提高加工效率,实现敏捷式加工。
 
      根据叶片零件图,分析叶片的具体结构,确定叶片数控加工内容:主要有叶型曲面(内弧、背弧),进气边圆角、出气边圆角、叶根圆角、叶冠圆角等的加工。
 
      叶型曲面的加工常用两种加工方案:(1)叶片不回转加工即刀具沿着叶片轴线加工。这样加工近似沿直线加工,所以切削效率较高,但表面加工质量较差;(2)叶片回转加工即刀具沿截面型线加工。数控机床必需增加一个转动轴来参与联动,加工时工件叶片回转,刀具沿工件叶片截面型线切削一周,横向进刀后再切削下一周。这种方案加工效率相对较低,且易出现过切,但叶型表面加工质量较好。由于叶型是光滑连续的曲面,所以用一刀成形的方法,生成沿型线连续的刀具轨迹,一次加工出内弧和背弧。
 
      对叶根圆角和叶冠圆角,则用侧铣的方法加工。叶片加工工艺过程如图5。

 

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      通过CAD/CAM软件根据三维模型生成数控加工指令,对实体模型进行模拟加工,确定加工刀具路径、加工参数和刀具补偿,然后生成数控机床(如加工中心)可识别的NC程序输入数控机床进行叶片数控加工。如图6为叶片CAD/CAM流程图。

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      4 并联机床的结构与工作原理
 
      4.1并联机床的结构特点

 

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      并联机床是新一代高性能机床,它是在Stewart平台的基础上设计而成的。并联机床的核心机构就是Stewart平台。Stewart是一种新型的、6自由度的空间并联结构,它由上下两个平台和6个可独立自由伸缩的杆件组成,伸缩杆和两个平台通过虎克铰和球铰链进行连接。如图7、8所示为基于Stewart机构的国内某公司生产的并联加工中心HLNC5001的主要结构,它是由一个定平台、一个动平台和6根驱动杆组成。驱动杆的一端通过虎克铰与定平台相连;另一端通过球铰与动平台相连。该并联机床主要由以下几个部分组成:(1)固定平台(机床框架或静平台),它用于安装各个零部件,是机床的主体,对整个机床起到支撑作用;(2)6根伸缩杆,为动平台的各种运动提供动力,通过改变伸缩杆的长度来控制动平台的位姿,以满足加工需要;(3)动平台,用于安装主轴部件,同时也是6根杆的控制对象;(4)主轴部件,其主要部分为电主轴,提供切削时的刀具动力;(5)刀头点,它是数控系统的控制点,利用刀头点作为控制点,可以形成全闭环控制,可以对弹性变形以及振动引起的误差进行补偿,提高加工精度,减少并联运动机床的动态误差;(6)回转台,用于装夹工件,完成零件的回转加工;(7)连接件,连接各类零部件,如虎克铰、球铰链等,使并联运动机床能够按照要求灵活运动;(8)操作面板,提供良好的人机交互界面,能有效地操作机床。该并联机床提供了中文显示的用户界面;(9)其他部件,如刀库、排屑机、冷却系统、液压系统等辅助部件。
 
      4.2并联机床的工作原理
 
      从HLNC5001并联机床的结构可以看出,并联机床是由六自由度空间并联机构组成的,即由6根可伸缩杆通过球铰或虎克铰将固定平台与动平台相连,它的工作原理是:机床主轴与刀具的运动是由6根驱动杆的运动复合而成的,而不是像传统机床那样是由各运动部件的运动叠加而成;如果将上平台作为固定平台,以伸缩杆的位移作为输入变量,则可以控制动平台的空间位移和姿态,即通过改变6根可伸缩杆的杆长,动平台可以实现不同的位置和姿态;动平台上装有电主轴,刀具装卡在动平台电主轴上随动平台一起运动,以实现对曲面的加工;6根可伸缩杆由滚珠丝杠副和滚珠花键副构成,由6个伺服电机驱动来控制各杆的杆长;在机床工作台上串联了一个数控回转台,在叶片加工时使叶片随数控转台绕X轴回转(A轴),并和并联机床的其他6轴实现联动,形成七轴联动的并串联加工系统,从而实现空间任意复杂形状的曲面加工;在加工叶型曲面时,通过数控转台的回转,使叶片毛坯和刀具相对运动,可以生成连续的加工路径,并且只需一次装夹,就可以加工出包括内弧、背弧和进出气边圆角在内的完整的叶片叶型曲面,而且在不发生干涉的前提下可以任意调整刀具的加工姿态,从而实现空间任意复杂形状的曲面加工,使叶型曲面的加工质量得到保证。这种并联机床特别适合加工复杂曲面的零件,如叶片、叶轮、螺旋浆及复杂模具的型腔加工等。
 
      5基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工

 

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      随着CAD/CAM技术的发展,自动数控编程技术能直接将零件的几何信息转化为数控加工程序,给汽轮机叶片的数控加工程序的编制带来了很大的方便。目前应用较成熟的CAD/CAM软件有UG、Pro/E、Mastercam等,这些软件的出现使得以往四、五轴联动加工编程中存在的问题得到了解决。基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工流程主要分为两大部分完成:(1)CAD的处理过程;(2)并联机床的加工过程。主要加工内容为叶片的叶身型面、叶根、叶冠及叶身与叶根、叶冠的交接面。图9为并联机床加工汽轮机叶片工作流程图。


      基于UG或Pro/E的叶片数控加工编程主要包括如下内容:(1)叶片零件三维造型;(2)确定叶片数控加工工艺方案,选定数控机床、刀具、夹具和量具等;(3)刀位计算并生成刀具运动轨迹;(4)刀具运动轨迹仿真、校验和编辑,并生成刀位文件;(5)最后通过后置处理程序将刀位文件转换成为数控机床可读的NC代码。
 
      采用UG软件进行叶片的数控加工,其数控加工编程一般可由下列步骤来完成:在UG/CAM中生成了刀具轨迹并进行了加工仿真和干涉校验后,可以将加工数据和信息输出成为刀位源文件(CLSF)。刀位源文件(CLSF)主要包括刀具信息、加工坐标系信息、刀具位置和姿态信息以及各种加工辅助命令信息等,还需要经过后置处理器,将其转变为机床能够接受的数控程序,也可以用并联机床自带的后处理程序进行后处理。UG软件提供了各种复杂零件的粗精加工,用户可以根据零件结构、加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类型,在每种加工类型中包括了多个加工模块。应用加工模块可快速建立加工操作。在交互操作过程中,在图形方式下交互编辑刀具路径,生成适合具体机床的数控加工程序。
 
      在编制数控加工程序时,本着基准统一、减少走刀次数的原则,把叶片叶身型面、叶冠与叶根圆角、进、出气边圆角的数控加工程序编制在一起。在叶片的加工中根据工艺的需要,一般选择叶根的中心轴线为加工坐标系的零点。由于目前叶片叶身型面设计越来越复杂,精度要求越来越高,因此数控加工程序也越来越复杂,出现错误的概率也随之增加。通常情况下,如果加工程序编制不恰当,可能出现下列问题:(1)加工方案不合理,影响加工效率;(2)刀具参数设置不当,如刀具半径选择过大,则零件加工不完全,出现大的残留;刀具半径选择过小,则切削效率较低;(3)刀具与工件之间发生干涉或碰撞;(4)刀具走刀路线、进退刀的方式不合理;(5)刀位轨迹不正确,零件外形或尺寸错误;(6)切削参数选择不当,如主轴转速、进给速度、步距等选择不合适;(7)加工过程中刀具与工件之间发生过切现象(8)零点选择不恰当,无法找到对刀点。这些问题的出现往往会给实际零件的加工造成很多麻烦,诸如重新编制加工程序、加工后必须打磨零件、返修零件或工装、零件报废、延迟产品交付等。这样会从根本上削弱数控加工技术的可靠性并影响其推广应用。因此数控加工质量、效率很大程度上取决于所编程序的合理性。为避免上述问题出现,可利用UG或Pro/E软件加工仿真功能,预先模仿加工过程,检查是否出现上述问题,这样在正式加工前就可以发现问题,从而可提高加工准备效率,缩短程序调试周期,加快生产过程。
 
      有了先进的并联机床,还需要配合先进的刀具,才能更好地发挥并联机床的优势。考虑到生产效率和叶片质量,符合现代机加工少余量高速铣削的理念,所有工步都选用硬质合金刀具,一般采用立铣刀、球头立铣刀、球头锥铣刀、带角圆的圆柱铣刀(环形刀)、鼻型刀等加工。根据并联机床的功能特性,一次装夹叶片,能够完成90%的加工量,消除了由于多次装夹造成的定位误差,叶片质量有了可靠的保证。
 
      通过基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工生产实践证明,叶片加工质量好、效率高,较好地解决了叶片批量生产的质量和效率问题,取得了很好的效果,因此用并联机床加工汽轮机叶片的方案是切实可行的。这不仅为叶片等具有复杂曲面的零件加工提供了一种新的加工设备和工艺方案,还为促进并联机床的产业化和实用化起到很好的推动作用。
 
      6 结论及展望
 
      作者主要研究了基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工技术。通过改进工艺,将去叶片毛坯余量工序改在普通机床上完成,缩短叶片在数控机床上的加工工时,尽量利用数控机床加工精度高的特性,完成叶片型面的精加工工序。叶片加工的刀具耐用度与切削用量之间不是单纯的函数关系,必须找出其最佳组合,优化切削用量。同时选好铣削刀具,提高切削参数,完善数控程序设计,用足用好数控机床,充分发挥其经济效益,为加工汽轮机叶片开创新的工艺思路。
 
      随着汽轮机叶片加工要求的提高,加工误差的分析研究就显得越发重要,尤其是叶片加工中的变形问题。必须寻求有效的方式减少加工中的变形。比如,可以将机床的回转工作台改为双轴同步驱动,减少单侧驱动所产生的扭转变形;加工叶片时零件装夹方式可以由顶尖压紧改为拉伸的装夹方式,给叶片预加拉力,减少加工中因切削力作用所产生的变形等。如何减少汽轮机叶片的加工误差,提高加工精度和加工效率,获得叶片良好的整体性能,是一个十分有意义的研究课题。
 
      目前叶片的加工一般使用五轴加工中心代替传统的加工方法,新型五轴机床可以加工一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面。并联机床是随着并联机构的理论研究与计算机软硬件技术不断发展而产生的,并联机床具有模块化程度高、刚度高、刚度重量比大、动态性能好、响应速度快、适应性强、容易实现多轴联动等优点,非常适用于复杂曲面的加工。国产并联机床的研制成功,给汽轮机叶片的数控加工带来了新的飞越,使复杂形状的叶片有了更多的加工手段,提供了叶片的数控加工新途径,叶片型面加工工艺得到了很大的改进,工艺方法更为灵活,提高了叶片加工生产率和加工质量,减轻了劳动强度。它充分利用数控技术的潜力,彻底改变了传统机床的结构配置和运动学原理。国产并联机床以其独特的优势成为新一代数控机床的范例,在汽轮机叶片的加工中得到了较好的应用,大大降低了机床的成本,从而使我国的汽轮机叶片制造技术赶上了国际先进水平,并促进电力、飞机和军工行业的发展,对促进经济发展和国防建设具有重大意义。

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