Cimatron E加工汽輪T型葉根

吳 越，諶永祥，鐘成明，曾岳飛，江 敏，李小闖

（1.西南科技大學 制造科學與工程學院，綿陽 621010；2.東方汽輪機有限公司，德陽 618000；3.成都工具研究所，成都 610051）

0 引言

葉片是汽輪機的心臟，是極為重要的零件。它直接起著將蒸汽或燃氣的熱能轉變?yōu)闄C械能的作用。葉片的加工工作量很大，約占汽輪機、燃氣機總加工量的四分之一到三分之一。

葉根是將葉片固定在葉輪或轉鼓上的連接部分。它應保證在任何運行條件下的連接牢固，同時力求制造簡單、裝配方便。

四種常見的葉根：1）樅樹型葉根：葉根承載能力大，強度適應性好，拆裝方便，但加工復雜，精度要求高，主要用于載荷較大的葉片；2）菌形葉根：強度高，在大型機上得到廣泛應用；3）叉形葉根：加工簡單，裝配方便，強度高，適應性好；4）T形葉根：加工裝配方便，多用于中長葉片。

1 四軸加工的基本原理

四座標數控機床，此處的四座標機床指的是X、Y、Z三個方向的運動和A軸的旋轉運動。由于A軸可旋轉且有刀具選擇的功能，因此刀具可選擇使用的余地就大了。伴隨A軸的旋轉，一次裝夾就能加工多個工序。這種數控機床的缺點是刀具不能擺動，機床較小，功率較小。圖1為四坐標系。

圖1 四坐標系

2 汽輪機T型葉根的加工

2.1 葉片的造型

葉片的組成：葉片的種類繁多，但各類葉片均主要由兩個部分組成，即裝配面部分和汽道部分，組成如圖2所示。因此葉片的加工也分為裝配面的加工和汽道部分的加工。裝配面部分又包括叫葉根部分和葉冠部分，它們使葉片安全可靠地、準確合理地固定在葉輪上，以保證汽道部分的正常工作。汽道部分又叫型線部分，它形成工作氣流的通道，完成葉片應起的作用，因此汽道部分加工質量的好壞直接影響到機組的效率。汽道部分的橫截面稱為葉型, 其周線稱為型線。一條型線由進汽邊圓弧和背弧、出汽邊圓弧和內弧組成。葉片的葉身是由若干條型線擬合而成的光滑復雜曲面。目前常見的為變截面扭葉片，葉片葉身是由沿葉輪輻射線方向按一定規(guī)律給出的多個特征截面擬合而成，一般由兩種方法給出葉片不同的橫截面數據：1）以公式曲線的形式給出，如給出圓弧連接點及圓弧半徑的數據，由各段圓弧圍成截面線；2）以一系列離散點數據用列表型線形式給出。多數葉片的截面型線由若干段不同半徑的圓弧圍成。葉片的三維造型可以通過CIMATRON、Pro/E、UG等三維造型軟件做出。圖2為葉片的組成。

圖2 葉片的組成

2.2 工步的擬定

表1 工步的擬定

2.3 坐標系的建立

數控機床坐標系分為機床坐標系和工件坐標系（編程坐標系）。機床坐標系是以機床原點建立起來的直角坐標系，它是機床本省固有的坐標系，是設置工件坐標系的基礎。

編程時使用的坐標系為工件坐標系，是為了確定零件加工時在機床中的位置而設定的，編程時應首先設定工件坐標系。工件坐標系要與機床運動的坐標系一致。編程人員根據零件的特點選定編程原點，編程時不用考慮工件在機床上的安裝位置，只需根據零件的特點及尺寸來編程。工件原點一般選擇為方便測量或對刀的位置，同時也要便于編程計算。工件坐標系建立如圖3所示，夾具如圖4所示。

圖3 工件坐標系

圖4 夾具

2.4 葉片刀位軌跡生成

2.4.1 創(chuàng)建刀路軌跡

創(chuàng)建一個繞X軸旋轉的四軸加工刀路軌跡，如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建刀路軌跡

2.4.2 預銑葉根

預銑葉根是為了去除過多的加工余量，以減少在機床上精銑葉根的時間。Cimatron中采用三軸粗加工平行銑，粗加工平行銑生成一組相互平行的粗加工刀具路徑，它與體積銑傳統(tǒng)加工程序中的平行切削——3D類似。安全平面根據夾具和刀具的高度考慮，在cimatron中設置為坐標系01之上50mm，選擇所有顯示的對象為加工曲面。緩刀距離為1mm，以免直接下刀引起斷刀。為避免工件表面產生刀痕跡，進退刀方式選擇半徑為3mm圓弧進退刀。刀具選用Ф12的平底刀。刀路軌跡設置，為了提高效率，切削方向選用混合銑，固定垂直步近選為50%個刀具直徑，側向步長都選60%刀具直徑。最后保存并計算得出刀具路徑軌跡。圖6為刀具路徑軌跡。

圖6 刀具路徑軌跡

2.4.3 粗銑

葉片粗加工同樣采用大刀具、大步距、大行距、大切削深度，去除毛胚的大部分余量。這樣可以節(jié)省加工時間，提高勞動生產率。加工方式仍為粗加工平行銑，安全平面仍然為工件坐標系之上50mm，粗加工為半精加工留1mm的余量。對于局部存在變形的問題的部位采用多層銑。此工序的垂直步進仍為50%刀具直徑，側向步長為60%刀具直徑。在圖7可看出多層銑。

圖7 粗銑

2.4.4 半精銑和精銑

半精加工和精加工的設置基本相同，下面敘述精加工的設置，精加工要滿足設計圖的最終精度。葉片的加工質量與加工設備、裝夾過程、操作者、刀具、冷卻液等許多因素有關，因此為步距、行距、走刀公差的設置要比設計圖紙要求小，以抵消準備過程中的誤差積累。在此處選用cimatron中的航空銑。加工方式選用平行銑，切削方式為單向加工，切削順序為標準，為了減少精加工中刀具的磨損，銑削方式為順銑，設置旋轉軸為X軸，旋轉角度為180°，干涉檢查能避免刀具與工件在加工中的碰撞。在不干涉的情況下，為減少刀具抬刀的次數，從而提高效率，切削間隙、切削連刀、連刀類型都選用直接的方式；同時在快速距離、進給距離、空走刀安全距離上的選擇也會影響到加工效率，因此在保證安全的情況下選擇較小的距離。因為是4軸加工安全區(qū)域的類設置為cylinder下的平行于X軸方向的圓柱面，即繞X軸的一個圓柱面為安全區(qū)域，因為半精加工為精加工留余量為0.5mm，為提高表面質量，此處采用垂直步距為0.25的2層銑削，加類型為刀路軌跡（層銑）。圖8為刀具的快速運動軌跡。在Cimatron中軸不會旋轉，是刀具繞著軸旋轉，經過后置處理就可以改成軸旋轉。

圖8 刀具的快速走動軌跡

2.4.5 銑葉根凹槽

加工方式選擇開放輪廓銑，開放輪廓銑是考慮到一刀切削的刀具負荷較大或者是形狀要求，需要進行多刀加工時，可以指定多層加工的一種加工方式。開放輪廓銑相當于投影加工，是將開放的輪廓線投影到曲面上生成刀具路徑的一種加工方法，由加工曲面和開放輪廓線來限制。主要用于加工一些圖案、文字和流道等，可做分層加工。圖9、10為凹槽的刀軌。

圖9 凹槽的刀軌

圖10 凹槽的刀軌

2.5 程序后處理

目前CAM高級軟件多采用類計算機高級語言，如APT語言等來編制刀位原文件，然而機床控制系統(tǒng)并不能直接識別這種語言，故必須將這種類計算機高級語言轉換成機床可以識別的NC程序。

程序后處理之前，對于不滿意的刀路軌跡，可在刀軌編輯器中對刀軌做修改，修改后用導航器反復的查看與校驗刀具與工件是否有干涉的問題。通過對視角的轉換、旋轉、放大和平移直接查看生成的刀具路徑，觀察其切削范圍有無越界，以及有無明顯異常的刀具軌跡。確保無干涉，可以后處理生成G代碼文件，該文件可被機床控制系統(tǒng)識讀。然后在仿真軟件WERICUT中設置與實際機床同樣結構的加工環(huán)境，對生成的NC程序代碼進行仿真，通過干涉碰撞，加工效果等檢查，優(yōu)化刀路。最后在機床上進行塑料件的試切削，無誤后進行加工。

3 結束語

本文介紹了用cimatron E軟件對汽輪機T型葉根的部分工序進行加工，所使用的工藝通過實際的加工檢驗。隨著CADCAM技術的不斷發(fā)展，對提高零件的加工速度，保證零件的加工質量，提供了技術支持。也對加工工藝的改進提供了更有力的幫助。

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