基于CimatronE8.5的汽轮机叶片四轴数控加工工艺研究

    0 引言

    叶片是汽轮机组成的核心部件之一，其加工制造水平很大程度上影响着汽轮机的工作性能与效率。随着汽轮机行业技术的不断发展，叶片的加工方法由传统的手工加工发展到现在的数控加工，其加工质量与精度得到了很大的提高。目前，根据叶片型面的复杂程度可以分别选择三轴、四轴、五轴数控机床进行加工。三轴数控机床只能加工型面简单、扭曲较小的叶片，且毛坯需要二次装夹，影响加工精度。五轴数控机床可以很好地加工复杂型面的叶片，但由于价格昂贵，国内应用尚不广泛。四轴数控机床很好地解决了利用三轴与五轴加工叶片所带来的问题，所以研究如何利用四轴数控机床高效地加工出合格的叶片，对工业生产具有一定的参考意义。

    1 三维模型的建立

    三维模型的获得通常有两种途径: 一是通过已知数据或者图纸信息直接建立三维CAD模型，即我们通常所说的正向设计；二是只有实物却没有数据信息，需通过测量或扫描系统获得实物数据信息，然后利用成熟的CAD/CAM 技术，快速、准确地建立实体几何模型，即逆向设计。本文以汽轮机的某一级T型叶根动叶片为模型，利用激光扫描技术获取叶片截面数据，对数据优化处理后建立三维CAD模型。图1为叶片原型与通过逆向技术获得的三维CAD模型。

    图1 叶片原型与三维CAD模型

    2 加工工艺设计

    2.1 材料与毛坯的选择

    汽轮机叶片是在高温高压的工况下使用，通常采用高强钢、不锈钢、高锰钢材料加工。汽轮机叶片毛坯的选择与其结构特点有关，常用的汽轮机叶片毛坯形式主要有：方钢，模锻、精锻、高速锻、半精锻、轧制、精密铸造。

    由文献可知，T型外包叶根等截面直叶片，汽道长度在100mm以内且生产批量较小时，选用方钢毛坯，大批量生产选用高速锻毛坯；T型外包叶根变截面动叶片，汽道长度在100mm～200mm之间，生产批量较小时选用方钢毛坯，大批量生产时，选用半精锻毛坯。本文试验所用叶片长度为186mm，在工业生产中应选用方钢毛坯，试验加工采用铝合金棒状毛坯。

    2.2 加工方案的确定

    2.2.1 加工过程分析

    试验叶片的毛坯一端用机床第四旋转轴的卡盘装夹，另一端用顶尖定位。叶片只有叶身部分属于复杂型面，因此本试验只研究叶身型面的加工。拟定两种切削加工方案：方案一是沿着叶片的轴线方向往复式走刀加工，如图2a所示，方案二是沿叶片截面轮廓线螺旋走刀加工，如图2b所示。对两种加工方案进行数控编程并仿真加工，综合对比分析，选择最优方案，并应用于试验加工。