汽轮机叶片五轴加工编程与仿真研究

汽轮机叶片五轴加工编程与仿真研究

鲁航

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨市150046

摘要：仿真控制系统可以提高涡轮叶片数控加工过程的安全性、产品质量，以及制造系统的工作效率和数字车间数据的准确性。在下文中为汽轮机叶片五轴加工编程部分涉及的零件建模和刀具路径规划，以及加工仿真等相关的问题，提出了解决问题的相关方案，在NX的环境下解决这些问题关系到曲面光顺性的调整和表面清根路径规划，以及五轴后处理和机床仿真等的关键技术。

关键词：汽轮机叶片；五轴加工编程；仿真研究

1前言

目前，叶片五轴加工程序要想生产高质量的叶片，目前只能基于国外一些基本的叶片专用编程软件来生成。这些特殊的编程软件需要基于叶片形状和加工技术的特点来设计加工策略，因此非常专业，要编制出走到是非常合理的，切割效率的过程是非常高的。然而，这种特殊的编程软件只适用于国外厂家指定的叶片专用多轴数控加工设备，不能与其他五轴加工设备一起使用。这使得国内机床制造商在五轴加工领域遇到了很大的困难。随着CAD/CAM技术的发展，CATIA，NX出现在市场上，均属于相对成熟的商业软件，为业界解决叶片设计和制造的问题提供了很好的工具。但由于软件市场定位的相关原因，对于叶片的设计和在提供目标功能模块过程中的特殊问题，实际效果并不理想。但这种常见的CAD/CAM具有完美的几何建模功能，可以根据不同的机床后加工定制，实现建模和参数化，易于进行加工仿真，其他功能又是叶片专用编程软件所没有。

2叶片型面的五轴加工编程

由于叶片表面的型是叶片加工的一个关键问题，文中着重研究叶片表面加工工艺和五轴编程特性。汽轮机叶片剖面的处理包含了（1）选择加工处理坐标系统。（2）型面开槽。（3）型面精加工。（4）清根过渡表面处理。（5）汽道面整体的精加工。蒸汽叶片加工过程如图一所示，加工过程中，一般称为清根的加工过程中，即叶冠的表面和叶根连接部位的分布得加工，这其实是叶片加工过程中很大的困难。叶片加工过程中，刀具不仅要进行气道表面和墙面处理，还要控制横摇角，为了准确地处理并排的刀片表面，更重要的是控制的角度，都是为了使切削加工和保持良好的状态。在NX中使用曲面驱动在多轴刀具轨迹的驱动方式下，可以实现多轴加工。但是当使用这个功能时，如果工具路径是由壁面产生直接驱动，一般无法在整个汽道面的处理过程中实现，而且由于角度不合适，会出现切削刀具在切削工件上的现象。围绕整个型面进行周根加工得关键是建设遵循刀轴驱动的墙体表面拟合。

具体方法如下：首先，将壁面（通常是切割面）恢复为规则曲面，然后在蒸汽管线横截面上提取轮轴，并在等距线的侧壁上向外移动。这一节再次和等距线产生了横截面的规则曲面，所规定的表面可以作为拟合曲面的侧壁，如图2所示。线的方向直纹曲面参数编程过程中决定了刀具的切削加工刀轴，所以在构建直纹曲面，如何合理调整叶片表面各点参数线的方向，以确保加工的刀具一直保持一个合理的角度将是解决问题的关键。当然，由于不同表面形成得规则曲面，壁面和原壁面拟合必然存在一定的偏差。通过调整直纹控制宽度拟合误差，特别是在高加工精度要求时，如何调整刀具倾斜角度，增加适当的补偿量，也是清叶根工艺成功的关键。

图一叶片加工工序示意图

图二构建侧壁拟合面

3仿真研究

3.1机床运动分析

机床运动分析，根据机床的运动方式可将机床的结构分为两条运动链，分别为工件-机架运动链和刀具-机架链。数控机床的运动方式是刀具相对于工件的加工运动。机床运动链各个运动副的合成运动是刀具相对于工件的运动。刀具与工件的相对运动和各运动副运动相互关系的模型是机床结构的运动模型。在机床运动结构中分别将刀具坐标系、工件坐标系及机床坐标系连在一起，机床中的运动关系可用这些坐标系之间的坐标转换矩阵来表达。相邻坐标系坐标的矩阵转换，机床运动链中任意两相邻坐标系之间的坐标矩阵转换由机床的结构模型和机床各坐标轴的运动量决定。

3.2在VERICUT平台定制开发总体设计

在VERICUT平台中分别创建机床环境、控制系统、刀具库，最终构成虚拟制造仿真系统。汽轮机叶片虚拟制造仿真系统总体设计方案见图三。

图三仿真系统设计方案

3.3创建仿真机床环境

该模型应该能真实反映机床各个坐标轴的运动关系和逻辑关系，按上文的分析探讨即可再现机床运动轨迹。机床组件拓扑结构，建立机床组件模型，设定机床相关参数。设置完机床的各种功能后保存.mch机床文件，以后仿真时直接调用该机床文件就可以了。

机床创建好后，机床是不能运动的。需要配置控制系统解读数控代码、插补运算等功能。在VERICUT中配置控制系统是通过设置文字格式、文字/地址、控制设定、高级选项来建立的。配置完控制系统后，保存.ctl控制系统文件，以后仿真时直接调用该控制系统文件就可以了。在VERICUT中通过建立刀具、刀柄、刀具命名、夹持点设定建立一把完整的刀具，建好常用的刀具保存成.tls刀具文件，刀具库就建好了。

3.4仿真系统功能

叶片虚拟制造仿真系统的研究和开发，实现了以下功能：（I）叶片数控加工程序语法是否正确可以进行判断；（2）叶片数控加工完整过程仿真，可以在虚拟环境中看到数控机床执行程序进行加工的每一个细微的动作；（3）在虚拟环境中测量仿真完的叶片各尺寸是否满足工艺要求；（4）分析和比较叶片的残留区域和过切区域；（5）检测叶片数控加工程序在加工过程中是否有碰撞和超程；（6）可以在虚拟仿真环境中对数控加工程序进行优化，提升加工效率；（7）可以在LIECHTI2000机床虚拟仿真环境中仿真在线测量程序，提高在线测量的安全性；（8）输出加工报告，报告中有完整的程序、刀具、加工时间和加工参数信息。（9）可以输出过程模型；（10）为工厂提供数控加工基础数据。

3.5仿真研究结果

汽轮机叶片虚拟制造仿真系统实现对汽轮机叶片加工程序正确性的验证，实现模拟叶片加工程序在数控机床的实际运动，检查潜在的碰撞错误和超程错误，避免加工过程中碰撞的风险和超程错误，实现了对叶片加工程序优化，提高汽轮机叶片加工效率，延长刀具寿命。通过VERICUT平台对叶片分厂高端五坐标数控机床虚拟制造环境的搭建，实现了汽轮机叶片虚拟制造仿真，有效提高了叶片数控程序的安全性和产品质量，提高了叶片制造的工作效率，提高了数字化车间基础数据的准确性。

4结束语

本文基于汽轮机叶片制造企业在生产时遇到的五轴加工相关问题，通过进行分析探讨解决了弯扭叶片的五轴加工问题，研究涉及到曲面光顺性的调整、清根路径规划和机床仿真等关键的技术。该方法已成功地应用于NX软件的研究中，解决了五轴加工的相关问题，在汽轮机叶片的五轴加工过程中也取得了非常好的效果。

参考文献：

[1]章泳健，潘毅，陆建刚，等.基于NX的汽轮机叶片多轴加工中的关键技术研究[J].制造技术与机床，2010（1）：25-28.