透平機葉輪葉片五軸數控粗加工優化方法的研究

郭長輝

摘 要：隨著我國生產力與生產水平的逐年提升，為機械制造業注入了新時代的活力，各類機械設備的性能日益優化。以透平機為例，以往的五軸數控加工技術已難以滿足其葉輪葉片的生產需求，機械制造業已逐步應用新型側銑技術，使設備的整體質量大幅度提升。據此，本文將對新型側銑技術進行系統化分析與闡述。

關鍵詞：透平機；葉輪葉片；五軸數控；側銑

近年來，科學技術水平的日益提升，帶動了傳統機械制造業的轉型升級，各類新型技術已廣泛應用于透平機設備的制造環節；在有效降低設備成產成本的同時，大幅度提升機械制造企業的經濟效益。而新型側銑技術已得到了各大機械制造企業的青睞，其工作原理相對簡易，操作難度更低，能夠充分滿足企業生產需求，值得大力推廣。

1 透平機曲面新型加工技術

透平機設備結構相對復雜，其內部機構由多種元件組成，對其零件進行前期加工是透平機制造的首要工作。其一，粗加工。即對利用機械刀具對零件進行切割，使零件的規格初步達標。其二，選取小型機械設備對零件表面的凹凸部分進行處理，將多余的部分進行磨平，初步形成雛形零件。其三，在初步切割完成后與圖紙進行對照，根據實際安裝需求進行局部偉哥。其四，在完成局部加工后進行最后一步的切割工作，至此，零件加工工作初步完成。

時下在對透平機內部零件進行切割打磨處理環節，普遍采用粗加工技術，以保障零件的達標率。而在這一過程中，施工人員往往利用傳統點銑技術提升零件的精確度。但值得注意的是，傳統的點銑技術的加工時間較長，其零件的質量難以保證，透平機零件的表面凹凸不平，所引發的透平機設備損壞現象時有發生。因此，我國機械制造行業逐步應用新型側銑技術，所取得的優化效果顯著。

1.1 新型側銑技術的優勢

長期以來，我國機械制造行業在進行透平機零件加工過程中普遍采用點銑技術，其零件加工耗時較長，打磨后的零件表面凹凸不平，且對于操作人員的專業技術水平要求較高。將此類零件投入使用，難以避免的會出現設備故障甚至損壞現象發生，而后在進行零件返工修理，嚴重拖延了工期。上述客觀現象，在一定程度上增加了零件制造的難度，使企業的經濟負擔日益加重。

就傳統點銑技術的應用情況而言，新型側銑技術的性能相對優越，其優勢在于：大幅度降低零件打磨時間，保障了企業加工陳本，且在進行側銑后，零件及機身表面凹凸劃痕現象減少，整體質量大幅度提升。但值得注意的是，側銑技術并非十全十美而是優劣摻半，主要原因在于，側銑技術使用五軸機床進行加工，加工對象的結構復雜多樣，其加工所使用的金屬切具也更為復雜。與傳統的點銑技術相比，新型側銑技術的起步階段較晚，發展時間較短，與之相關的科研力度較弱。因此，當前側銑技術僅能應用于表面光滑、形狀規則的零件加工環節。

1.2 粗加工優化方法

用側銑加工復雜的空間曲面。主要思想是將理論曲面，蛻變成逼近的平面或直紋面，實現側銑高效加工。難點在于將不可展非直紋面蛻變為直紋面。同時，考慮到盡量減少蛻變面和原理論曲面之間的偏差，采取分段逼近。

2 復雜曲面蛻變直紋面優化算法

2.1 算法思想

零件的粗加工表面是刀具側刃運動掃描留下的表面。以圓柱形刀具為例，刀軸是直線，所以側刃掃過的曲面是一個直紋面。一個曲面及其等距面在任意點有共同的法線方向。因此將一個非直紋面蛻變為若干直紋面，再通過這些直紋面的反向偏置，可以得到圓柱刀具的軸線經過的直紋面，即刀具的優化軌跡。如圖1所示。

考慮到等距曲面的精度要求和避免過切，采用分段直紋面，代替單一直紋面的方法，實現分段側銑，以構成原理論曲面的型值線作為分界線，分段進行直紋面蛻變操作，如圖2所示。

2.2 對單一直紋面和分段直紋面與原曲面之間的誤差，作逼近誤差分析并且對分析結果進行比較。如圖3所示。圖中灰色面為原曲面，線框顯示的面為直紋面和分段直紋面，黑色直線段為直紋面的母線，點PA為單一直紋面逼近誤差最大的點，PB，PC位置分別為分段直紋面逼近誤差最大的點。對于蛻變后的直紋面如圖3所示。

3 實驗驗證

以某型號的噴推葉輪為例，采用UG-NX進行噴推葉輪建模與數控編程，用VERICUT刀軌仿真。對本文提出的方法進行驗證，采用的步驟如下

3.1 葉輪造型用曲面點位數據，通過UG三維實體建模軟件進行參數化建模。

3.2 粗加工優化采用本文算法，基于原曲面構造分段直紋面，確定刀具軸位置，進行全寬側銑加工。

3.3 刀具軌跡生成比較，側銑刀具路徑明顯少于點銑。而且由于點銑加工過程中，刀軸矢量始終在刀具接觸點，平行于曲面法矢，而側銑過程中，刀軸矢量由直紋面的直紋插值求得，因此刀軸運動的變化也較點銑更加平滑。

4 結束語

綜上所述，與傳統點銑技術相比，新型側銑技術的性能更為優越，能夠有效提升零件加工效率以縮短加工時間。同時，此項技術的應有有效保障了零件成型后的整體質量，穩固了機械制造企業的經濟效益。而新型五軸數控加工技術能夠有效降低切割道具的損耗程度，增加了加工效率。但值得注意的是，側銑、五軸數控加工技術仍存在一定的問題，難以適應高強度、高頻率的加工作業，應引起機械制造領域的高度重視。

參考文獻

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