用四坐标数控机床对叶片清根的技术研究
导语：首先简要介绍了四坐标数控机床的基本情况和两种叶片的外形特点；然后介绍了UG软件的铣加工模块
摘要：首先简要介绍了四坐标数控机床的基本情况和两种叶片的外形特点；然后介绍了UG软件的铣加工模块中关于叶片清根的功能及局限性；最终通过参数调整的方法解决了叶片清根中存在的问题。 1 前言 叶片采用四坐标数控机床加工，叶型能够达到加工要求，但UG软件的清根不能满足加工要求，所以必须经过人工修改方式，才能满足要求。 2 四坐标机床与叶片的装夹方式 2.1 机床状况四坐标数控机床是一种加工叶型曲面较经济的机床，但对于叶片根部连接面的空间曲面，却不能加工出来。四坐标机床只有X、Y、Z轴和A轴，没有C轴，主轴不能转动。 2.2 叶片的装夹方式如图1所示，叶片以榫头底面定位，背度面定位，盆度面压紧，叶尖用顶尖顶紧方式装夹。叶型与主轴方向即Z轴保持垂直，则叶片根部连接面须用刀具侧刃加工。在这种装夹方式下，主轴不能转动的四坐标机床不能加工出空间曲面的形状。
图1 叶片的装夹 3 叶片根部情况 对于要求清根的叶片大致有两种，一种是汽轮机叶片，一种是压气机叶片。 3.1 汽轮机叶片汽轮机叶片的叶型扭角较大，叶盆、背曲率较大，叶根连接处一般为带角度的平面，比如东汽、南汽十一级，也有用圆锥面连接的零件，比如上汽三、四级。 3.2 压气机叶片压气机叶片是叶根扭角不大、叶根与叶尖扭角变化也不大、叶型平缓的静子叶片，叶盆、背的曲率较小，其叶根连接处为圆锥面，回转轴线在叶型上方，所以连接面的中间低而两侧高；另一种为叶根的扭角较大、叶根与叶尖的扭角较大、叶型较扭的转子叶片，叶盆与叶背的曲率较小，其叶根连接处也为圆锥面，但回转轴线在叶片榫头下方，所以连接面的中间高而两侧低。 4 UG软件中关子叶片清根的功能及局限性 UG软件是集CAD/CAM/CAE于一身的功能强大的软件，但它毕竟是一种通用软件，有其局限性及不足。要使其满足叶片加工的要求，可以通过修改其程序的方法来实现。清根时采用的是软件中的加工模块中的多轴铣(variable-contour)加工或定轴铣(fixed-contour)加工方式。 4.1 多轴铣多轴铣可适用于前面介绍的压气机的两种叶片，但为了编程需要，要重新做出零件根部型面，也就是将叶根曲面向叶型方向等距偏移(offset)出三至四个曲面，与叶片型面产生的交线通过曲面的THROUGHCURVES功能连成曲面，这个曲面来自于叶片型面，同时必然与叶片型面一致，因此可以作为清根加工的几何体。操作过程：进入加工模块的多轴铣，选驱动面(surfacearea)方式驱动，点击新作的加工面，选择加工方向、前倾角方向与大小、加工精度与加工圈数。 4.2 定轴铣定轴铣可适用于前面介绍的汽轮机叶片，它采用边界驱动(Boundary)，叶盆、叶背分别单面加工完成，所以要做出边界线，形状与大小满足与叶型的线框趋势平行，而且加工时让刀具能够甩出零件面的要求。操作过程：进入加工模块的定轴铣，选边界驱动方式驱动，顺序点击边界曲线为封闭的边界线框，选择平行线方式、步距、角度与投影方向，再选叶型为加工几何体，可生成刀轨程序，如果连接面比较大，可以通过依次改变加工余量生成的刀轨程序来串连成加工程序，实现一层层下剥的加工。 4.3 加工效果及其缺陷由于根部要作加工基准，余量一般较大，所以只选用一把刀清根是不能完成的，要考虑增加粗清根与半精清根，也就是几个程序的余量要留一致，刀轨线要连贯衔接。最后一把清根刀的刀半径要与图纸上根部半径及的尺寸吻合。定轴铣编出的加工程序加工出的叶片连接面高度大致能够满足工艺规程的要求，只是盆、背刀轨连接处曲面差距大，后面的抛光工序不好处理。变轴铣生成的刀轨程序用刀具二维显示，可以看出是否过切。一般说，刀轨线为“8”形状的，当发生过切时，有些位置离曲面还很远，铣削出来的零件根部最高点离最终尺寸还有2～3mm，远远没有达到加工要求。并且刀具越大误差值越大。 5 解决办法 经过多次的研究，对各种叶片的清根有了比较可行的改进办法，使四坐标清根余量尽可能地达到了工艺规程的要求。以下是改进程序的几个分类，所有方法都是用UG软件与仿真切削(vericut)软件处理的。 (1)对于压气机静子叶片，由于叶型较平直，可以直接修改*．cls刀轨源文件中X的值，使刀轨线不再发生过切现象来达到加工要求。
图2 叶片过切仿真 (2)对于压气机转子叶片，由于叶型比较扭，如果只改刀轨源文件中的X值，那么根部虽然低下去了，但是叶型却要过切。所以不能只改动X值，必须连Y、Z、I、J、K值一起改，也就是将不过切的一条程序替换掉过切的程序，两者相比较X值(绝对值)较大，Y、Z、I、J、K值近似，与上下变化规律一致。不过切的这条程序可以来自上一圈的同一位置，或另一个程序的同一位置，前提是前后相差不能过大，刀具变化大，实际加工中吃刀突然增大会发生断刀。下面是117E3547的φ10球刀清根加工的程序修改方法。如果没有修改，则在仿真时会发现过切，如图2所示。相应的程序可以在*．cls文件中找出，下面是过切的程序段： GOTO/-4.6887，57.5805，0.7579656，0.6522945 GOTO/-4.6094，61.7648， GOTO/-4.6509，76.2829，-9.0689，0.0000000，0.9715582，0.2368009 经过仿真与UG软件相结合，将整条程序用X值增加但Y值近似的程序替换，最后修改为： GOTO/-4.7033，57.5793，-1.4600，0.0000000，0.7579389，0.6523255 GOTO/-4.7076，61.7631，-3.3113，0.0000000，0.7677878，0.6407042 GOTO/-4.7481，76.2821，-9.0410，0.0000000，0.9713565，0.2376270 6 效果及结论 虽然通过以上办法修改的程序，效果还达不到五坐标那么逼真，但是已经尽可能地减少了切削余量，也减少了断刀频率以及抛光工人的工作量，将四坐标的铣平面功能充分发挥了出来。并且程序经过以上的修改，一旦编好后，就可以反复使用，不需再修改，达到了一劳永逸的目的。
图1 叶片的装夹 3 叶片根部情况 对于要求清根的叶片大致有两种，一种是汽轮机叶片，一种是压气机叶片。 3.1 汽轮机叶片汽轮机叶片的叶型扭角较大，叶盆、背曲率较大，叶根连接处一般为带角度的平面，比如东汽、南汽十一级，也有用圆锥面连接的零件，比如上汽三、四级。 3.2 压气机叶片压气机叶片是叶根扭角不大、叶根与叶尖扭角变化也不大、叶型平缓的静子叶片，叶盆、背的曲率较小，其叶根连接处为圆锥面，回转轴线在叶型上方，所以连接面的中间低而两侧高；另一种为叶根的扭角较大、叶根与叶尖的扭角较大、叶型较扭的转子叶片，叶盆与叶背的曲率较小，其叶根连接处也为圆锥面，但回转轴线在叶片榫头下方，所以连接面的中间高而两侧低。 4 UG软件中关子叶片清根的功能及局限性 UG软件是集CAD/CAM/CAE于一身的功能强大的软件，但它毕竟是一种通用软件，有其局限性及不足。要使其满足叶片加工的要求，可以通过修改其程序的方法来实现。清根时采用的是软件中的加工模块中的多轴铣(variable-contour)加工或定轴铣(fixed-contour)加工方式。 4.1 多轴铣多轴铣可适用于前面介绍的压气机的两种叶片，但为了编程需要，要重新做出零件根部型面，也就是将叶根曲面向叶型方向等距偏移(offset)出三至四个曲面，与叶片型面产生的交线通过曲面的THROUGHCURVES功能连成曲面，这个曲面来自于叶片型面，同时必然与叶片型面一致，因此可以作为清根加工的几何体。操作过程：进入加工模块的多轴铣，选驱动面(surfacearea)方式驱动，点击新作的加工面，选择加工方向、前倾角方向与大小、加工精度与加工圈数。 4.2 定轴铣定轴铣可适用于前面介绍的汽轮机叶片，它采用边界驱动(Boundary)，叶盆、叶背分别单面加工完成，所以要做出边界线，形状与大小满足与叶型的线框趋势平行，而且加工时让刀具能够甩出零件面的要求。操作过程：进入加工模块的定轴铣，选边界驱动方式驱动，顺序点击边界曲线为封闭的边界线框，选择平行线方式、步距、角度与投影方向，再选叶型为加工几何体，可生成刀轨程序，如果连接面比较大，可以通过依次改变加工余量生成的刀轨程序来串连成加工程序，实现一层层下剥的加工。 4.3 加工效果及其缺陷由于根部要作加工基准，余量一般较大，所以只选用一把刀清根是不能完成的，要考虑增加粗清根与半精清根，也就是几个程序的余量要留一致，刀轨线要连贯衔接。最后一把清根刀的刀半径要与图纸上根部半径及的尺寸吻合。定轴铣编出的加工程序加工出的叶片连接面高度大致能够满足工艺规程的要求，只是盆、背刀轨连接处曲面差距大，后面的抛光工序不好处理。变轴铣生成的刀轨程序用刀具二维显示，可以看出是否过切。一般说，刀轨线为“8”形状的，当发生过切时，有些位置离曲面还很远，铣削出来的零件根部最高点离最终尺寸还有2～3mm，远远没有达到加工要求。并且刀具越大误差值越大。 5 解决办法 经过多次的研究，对各种叶片的清根有了比较可行的改进办法，使四坐标清根余量尽可能地达到了工艺规程的要求。以下是改进程序的几个分类，所有方法都是用UG软件与仿真切削(vericut)软件处理的。 (1)对于压气机静子叶片，由于叶型较平直，可以直接修改*．cls刀轨源文件中X的值，使刀轨线不再发生过切现象来达到加工要求。 图2 叶片过切仿真 (2)对于压气机转子叶片，由于叶型比较扭，如果只改刀轨源文件中的X值，那么根部虽然低下去了，但是叶型却要过切。所以不能只改动X值，必须连Y、Z、I、J、K值一起改，也就是将不过切的一条程序替换掉过切的程序，两者相比较X值(绝对值)较大，Y、Z、I、J、K值近似，与上下变化规律一致。不过切的这条程序可以来自上一圈的同一位置，或另一个程序的同一位置，前提是前后相差不能过大，刀具变化大，实际加工中吃刀突然增大会发生断刀。下面是117E3547的φ10球刀清根加工的程序修改方法。如果没有修改，则在仿真时会发现过切，如图2所示。相应的程序可以在*．cls文件中找出，下面是过切的程序段： GOTO/-4.6887，57.5805，0.7579656，0.6522945 GOTO/-4.6094，61.7648， GOTO/-4.6509，76.2829，-9.0689，0.0000000，0.9715582，0.2368009 经过仿真与UG软件相结合，将整条程序用X值增加但Y值近似的程序替换，最后修改为： GOTO/-4.7033，57.5793，-1.4600，0.0000000，0.7579389，0.6523255 GOTO/-4.7076，61.7631，-3.3113，0.0000000，0.7677878，0.6407042 GOTO/-4.7481，76.2821，-9.0410，0.0000000，0.9713565，0.2376270 6 效果及结论 虽然通过以上办法修改的程序，效果还达不到五坐标那么逼真，但是已经尽可能地减少了切削余量，也减少了断刀频率以及抛光工人的工作量，将四坐标的铣平面功能充分发挥了出来。并且程序经过以上的修改，一旦编好后，就可以反复使用，不需再修改，达到了一劳永逸的目的。
