轴流式水轮机叶片三轴与五轴虚拟制造对比研究

0 引言

    叶片加工的数控编程是叶片制造中一项非常重要的工作。由于轴流式水轮机叶片的曲面形状复杂，且大多为不展开的雕塑曲面，因此传统的加工方法采用“木模法”或结合普通数控机床，进行加工制造，此加工工艺存在生产效率低、劳动强度大，不能有效保证叶片型面的准确性和制造质量。

    随着数控技术与多轴联动数控机床的发展，使用多轴联动数控机床能克服上述弊端，但是多轴联动数控机床，属于高端产品，运动精度高，价格昂贵，编程相对复杂。因此，对于原先使用“木模法”或结合普通数控机床加工叶片的生产企业，不太可能在较短时间内将原有的老旧设备更新为多轴联动数控机床及配套设备。这些企业寻求用原有的技术装配三轴联动数控机床加工叶片，保证加工质量，提高加工效率。因此，有必要分别对三轴和五轴联动数控机床加工叶片的质量做出对比分析，使这些企业清晰了解并认识三轴和五轴联动数控机床加工叶片的质量差异，根据企业的生产要求，合理选择符合自己要求的生产装备。

    本文内容将分别就三轴和五轴联动数控加工叶片进行对比分析。

1 加工参数的理论基础

    1.1 走刀步长的确定

    1.1.1 确定走刀步长方法

    曲面加工刀具轨迹步长计算方法可分为三类：等步长法、步长筛选法和步长估计法。

表1 走刀步长方法

    1.1.2 确定五轴走刀步长

    下面以确定五轴走刀步长为例进行说明，采用步长估计法的计算过程。

    计算刀具轨迹时，其误差的大小应通过确定合适的走刀步长来控制。若用r₀、r₁间的弦长△l(即进给步长)近似代替相应的弧长s₁，则当给编程精度要求ε时，进给步长△l应满足：

    式(1)即为五坐标加工时走刀步长较精确的计算公式。其中，曲面法曲率k_n和短程挠率τ_g可按以下给出的简化算法进行计算：

    a、v、n为互相正交的单位矢量，故由a=k_n，v=τg_n，得：

    对于a和v的计算，设r₀的前一相邻点为r_0e，其局部坐标系为(a_e，v_e，n_e)，因进给步长较小，弧弦充分逼近，且曲率和挠率的变化率很小，因而，k_n和τ_g可用r₀与r_0e，间的平均曲率和挠率来近似代替，即