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分體式葉片零件的數控加工

時間：2009-12-02瀏覽：333次收藏

葉片是汽輪機、水輪機壓汽機、推進器等裝置的關鍵部件。葉片的型面的質量則直接影響葉片的工作效果，進而直接影響整機的工作性能。由于葉片的型面是復雜的空間曲面，所以一直是葉片加工中的難點，高性能CAM軟件的出現，使這種復雜型面的加工變得相對容易。本文通過對某型葉片的造型及數控編程，使大家對葉片類零件的數控加工過程有一個整體的了解。

一、葉片結構特點

葉片材料為30CrMnSiA，經熱處理后，其強度相當大，且從零件的結構看，后緣的導圓半徑僅為0.1mm，屬于典型的薄壁件，易產生加工變形，如圖1所示。

葉片的曲面部分由7個截面數據確定，各葉片截面之間扭曲比較大，由于在流體中工作，所以曲面的本身和曲面與葉柄之間的過渡面的光順程度要求較高，對數控加工精度提出了很高的要求。

圖1葉片實體模型根據筆者的總結，葉片的加工工藝流程如圖2所示。

圖2加工工藝流程二、葉片的CAD造型

根據不同的需求葉片可以表示為曲面模型、實體模型、特征模型，曲面模型適用于數控加工，實體模型可用于幾何參數分析，特征模型可用于設計、加工、產品管理集成。建立葉片的曲面模型是其在造型最基本的要求，更進一步則是建立實體模型，建立特征模型是生產管理上更高層次的需求。根據設計提供的截面數據不同，葉片曲面可以分為直紋面以及自由曲面，其造型方法也有所不同。該葉片屬于自由曲面葉片，造型過程比較復雜，而且其加工精度要求也較高。其設計數據是按幾個截面給出的，各個截面為以輪轂軸線為軸線的一組同心圓柱面，數據為圓柱面展開平面，沿弦線為水平方向給出。曲面造型過程分為構造展開平面內的各段曲線、編輯構造空間截面線、構造曲面以及過渡區域R面建立等4個步驟。

1.構造平面曲線

設計給定的數據為各截面的展開平面上的曲線型值，平面線是由葉面曲線、前緣、葉背曲線、后緣四段曲線組成。其中葉面線和葉背線為自由曲線，前緣、后緣為一段圓弧。將給定的數據輸入軟件中，采用三階NURBS曲線連成光順的樣條曲線，由于前、后緣處曲線為圓弧，葉面、葉背曲線連接處曲線可能不光順。在高速旋轉的流場中，對葉片的型面有很高的要求，否則會影響葉片的流體動力性能，故四段曲線在相連接處要求保持連續，如圖3所示。

圖3各截面平面曲線 2.構造截面線

得到平面曲線后，根據圖紙給定的數據計算其螺旋角，通過旋轉、纏繞，得到各截面的空間截面曲線，如圖4所示。

圖4各截面空間曲線 3.構造曲面

由所得的各截面線通過掃描操作可以得到葉片的葉面、前緣面、葉背面、后緣面曲面造型。因為要求四張曲面是光滑連接的，所以在掃描操作中，對生成的曲面限制在邊界處與相鄰曲面相切，而在造型過程中可能存在由于截面線的不光滑，截面線數量太少，截面線變化不規則，選擇對齊點方式不恰當等原因導致最后的曲面發生不光順、扭曲現象，所以需要不斷調整數據點以及對齊點方式，來生成高質量的曲面。

得到合格的葉片各個曲面模型以后，還需要用葉稍面、葉片底端面等對其進行剪裁操作，最終得到完整的葉片的各個曲面。

4.葉片與柄部、前緣與后緣過渡區域的造型

葉片與柄部過渡區域在設計上是按變圓角規律光滑過渡的。過渡區域是沿著葉片與其他各個曲面交線作的與交線兩旁曲面相切的過渡曲面，與許多曲面具有邊界相切限制，因此構造過渡區域是較復雜的過程。該葉片過渡區域為變圓角過渡，可以事先將圓角變化規律轉換到沿過渡線指定相應點的過渡圓角值，再通過過渡面操作得到變圓角過渡面。將得到的各個曲面經過縫合裁減后得到葉片的實體。

三、葉片的的CAM加工

1.坐標系的確定

UG的坐標系包括絕對坐標系、工作坐標系、加工坐標系。一般數控加工時要求加工坐標系與工作坐標系一致，工作坐標系由工藝決定，在葉片的加工中根據工藝的需求，選擇基準孔軸線與葉柄軸線的交點為加工坐標系的零點。

2.刀具的選擇

數控機床使用的銑刀種類包括：盤銑刀、立銑刀、球頭立銑刀、球頭錐銑刀及其他成型刀。各種刀具有其不同的用途。

由于該葉片采用模鍛件毛坯，留量較為均勻，故輪廓的加工采用12平頭立銑刀，型面的加工考慮過渡面的曲率大小，所以采用12球頭銑刀來完成。

3.加工參數的設置

數控加工參數的設置較多，主要包括設置主軸轉速、走刀進給速度、步距、加工余量、走刀方向和進退刀方式等。

切削參數包括切削速度(主軸轉速)、進給速度、步距和加工余量等。數控加工時切削參數的選擇目標是在刀具的耐用度和機床、夾具和工件的剛度允許的情況下，在保證零件的加工精度的同時，獲得最大的材料去除率。在程序編制前，切削寬度和切削深度兩個參數必須確定下來，而切削速度和進給速度可以根據機床的倍率來調整。因此，首先根據工件材料的切削性能、刀具的耐用度及機床的性能結合粗精加工的情況，確定徑向切削寬度和軸向深度，以獲得最大的切削效率，在葉片的加工中根據半精加工和精加工區分選擇。通過查閱相關的資料和實際的切削對比摸索出了合理的切削用量。

4.葉片形面的加工

葉片型面為自由曲面，因為毛坯為模鍛件，所以只需要進行半精加工和精加工。基本原理：首先根據要加工的表面生成偏置面，因為葉片型面是經過修剪的曲面，所以參數方向與想要的加工方向不一致，因此需要進行重新構造。

在UG固定軸加工模塊中，對于葉片形面的加工，通常采用面驅動的方法來進行，可以靈活的控制驅動面的大小來控制加工區域的大小，還可以控制刀具的入刀點和步距，走刀方向，走刀方式等，達到很好的加工效果。對于半精加工，采用步距為1mm，雙向走刀，這樣有較高的加工效率。對于精加工，采用步距為0.3mm，單向走刀，這樣加工的表面質量好。精加工葉面的刀具軌跡如圖5所示。

圖5葉片型面刀具軌跡 5.過渡面的加工

葉片形面與葉柄處的過渡面為變R曲面，與形面的參數方向不一致，而且要根據余量情況分層加工，因此無法在形面加工時一次加工完成，需要采用專門的過渡曲面加工程序。

過渡面的加工可以采用多刀清根的方式進行，但對于葉根部圓柱面產生的刀具路徑效果不好，所以通常才用線驅動方式進行加工。基本原理為：先根據加工表面粗糙度的要求，生成驅動線，然后投影到被加工表面上，生成加工軌跡。在UG中用固定軸加工方式，采用線驅動來進行。方法為在偏置面上生成所需要的刀具中心路徑的曲線，然后采用線驅動方式選取各曲線，投影到過渡面上，生成加工軌跡。如圖6所示。

圖6過渡面的刀具軌跡四、加工仿真與后置處理

為了縮短程序調試周期和有效避免實際加工中的過切現象，在做加工仿真中選擇具有機床方針功能的軟件，或采用UG軟件系統進行加工仿真，調用三維造型做毛坯，利用生成的數控程序進行模擬加工，可以直觀的看出干涉和過切現象，及時修改程序，這樣節省了大量的時間，避免了刀具的浪費。

在UG軟件中生成刀具路徑后，進行后置處理，從而生成數控機床可用的NC代碼。因為不同的數控設備結構及數控系統各不相同，需要專門配置后置處理文件，作者使用UG軟件提供的PostBuilder工具，編制出適用的后置處理文件，成功得到使用。

五、結束語

通過對葉片的數控加工方法的研究，較好的解決了該零件批量生產的質量和效率問題，在生產中取得了很好的效果。本文提出的葉片的編程方法，不僅對葉片類零件的造型及加工，也對其他自由曲面類零件的數控編程有一定的借鑒意義。

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分體式葉片零件的數控加工

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