0引（yǐn）言
 
      葉（yè）片是汽輪機的核心關鍵零件，是汽輪機的（de）心髒，葉片（piàn）加工質量的好壞直接影響到汽輪機的工作效率以及可靠性（xìng）。隨著汽輪機設計要求的提高，葉片形狀複雜，葉片加工要求也越來越高，特（tè）別是（shì）葉片型麵加工一直是汽輪機葉片生產的瓶頸口，傳統的葉片加工方式加工（gōng）工藝原始、加工手段落後，工人勞動負（fù）荷大，作業（yè）環境惡劣，生產效率很（hěn）難提高，加工質量難以保證。因此研究（jiū）汽輪機葉片製造新技術、新工藝已勢在必行，本文主（zhǔ）要研究（jiū）汽輪機葉片加（jiā）工的新的工藝方案和加工手段，探討了汽輪機葉片的數控（kòng）加工技術。
 
      1汽輪機葉片結構特點分析
 
      1.1汽輪機葉片結構組成及其作用
 
      汽輪機葉片按功能作用的不（bú）同可分為動葉片（如圖1所示）和靜葉片（如圖2所示）兩種。
 
      動葉片安（ān）裝在轉子葉輪或轉鼓上（shàng），接受噴嘴葉（yè）柵（shān）射（shè）出的高速（sù）汽流，把蒸汽的動能轉換為機（jī）械
能，使轉子旋轉。葉片裝於（yú）轉子上如圖3所示。動葉片與汽輪機轉子相連接（jiē）並隨轉子一起轉動，是將汽流（liú）的動能轉換為有用功的極其重要的零件；靜葉片（又稱導葉）與汽輪機靜子相連接處於不動狀態（tài），作導向葉片，其主要作用是改變汽流的方向，引導蒸汽進入下（xià）一列動葉片。不同功率的汽輪機中，處（chù）於不同（tóng）級的葉片因工作條（tiáo）件不同，動葉片與靜（jìng）葉片具有各（gè）不相（xiàng）同的（de）結構、尺寸（cùn）及固定（dìng）方（fāng）法。

      動葉片的結構主要由葉身（shēn）（葉型）、葉根、葉冠（葉頂）等組成，如圖1所示。
 
      1）葉身：葉身是葉片的基本工作部（bù）分，又稱為葉（yè）身型麵，葉身結構複雜，多為扭轉自由曲麵。如圖4所示為葉片型麵，葉身型麵分為內（nèi）型麵（或內弧）、背型麵（或背弧）、進汽邊圓角（jiǎo）、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等幾（jǐ）個部分，如圖1所示。葉身型麵是由若幹個截麵型線擬合而成的光滑（huá）複雜曲麵，由一組等（děng）距或不等距平行截麵型線組成的（de）空（kōng）間（jiān）扭（niǔ）曲麵，其中（zhōng）葉身部分的橫截麵稱為葉型，其（qí）每一個橫截麵邊緣叫型線，如圖5所示，一條葉片截麵型線由葉盆（pén）曲線（xiàn）內弧）、葉背曲線（背弧）、進汽邊曲線和出汽邊曲（qǔ）線四條曲線組成，型線的（de）結構決定葉片的工作情況，有的型麵為彎扭變截麵或等截麵彎扭曲麵。

  
      葉身（shēn）可分為直葉片和扭葉片（如圖6所示）。直葉片是葉根到葉冠的型線不變化，是等截麵葉（yè）片。扭葉片（piàn）是葉根到（dào）葉冠的型線不規則，是變截麵葉片。由於葉片型（xíng）麵是由複雜的自由曲麵組成,幾何（hé）精度要求（qiú）高,傳統的加工方法無法滿足葉片加工的精度要求，因而其型麵（miàn）的加工是製約葉片（piàn）生產效率和產品質量提高的瓶頸。

      2）葉根：葉片通過葉根牢靠地固定在葉（yè）輪上，保證在任何條（tiáo）件下葉（yè）片不會鬆動。葉根的作用是緊固動葉片，使其在經受汽流的推力和（hé）旋轉離心力作用下，不（bú）至於從輪緣溝槽裏拔出來。

      因此要求它與輪緣配合部分要（yào）有足夠的強度且應力集（jí）中要小。常見的葉片的葉根結構形狀如圖7（所示，可以分為：叉形（直叉）、階梯叉（等強（qiáng）度）、榫齒形（xíng）、T形、菌形和縱樹（shù）形（如圖6所示）等。

  
      3）葉冠：葉片外端的固（gù）定則稱為葉冠。汽輪機的葉冠部分通常裝有（yǒu）圍帶（dài），它將若（ruò）幹個葉片聯接成葉片組，圍帶的主要作用是（shì）：（1）用圍帶聯接後，使葉片剛性增加；（2）可以改變（biàn）葉片的（de）自振頻（pín）率，從而避開共振；能減小葉片的振幅，提（tí）高葉片的抗振性；（3）可以（yǐ）使葉片構成封閉槽道；並可裝置圍帶（dài）汽封，減少葉片頂部的漏汽損失（shī）。
 
      葉片汽道的進、出（chū）汽邊較薄，葉冠、葉根圓（yuán）角較小。
 
      1.2汽輪機葉片與葉輪的（de）裝配
 
      如（rú）圖（tú）8所示葉輪的結構（gòu）一般由輪緣、輪體(輪麵)和輪殼三部分組成（chéng）。輪緣用來固定葉（yè）片，其具體結構與葉片的（de）受力（lì）情況及葉根形（xíng）狀有關（guān）；輪（lún）殼（ké）是葉輪（lún）套於主軸上的配合部分（fèn），其結構取決於葉輪在主軸上的套裝（zhuāng）方（fāng）式，為了保證輪（lún）殼有（yǒu）足夠的強度，輪殼部分一般都要加厚。輪體是葉輪的中間部分，它起著連接輪緣與輪殼的作用，其斷麵應根據受力情況來確定。葉輪按其輪體的斷麵型線可分（fèn）為以（yǐ）下四種：等厚（hòu）度葉輪、雙曲線葉輪（lún）、錐形葉輪和等強度葉輪等。葉片的葉根與葉輪裝配如圖9所示。

      2汽輪機葉片CAD/CAM技（jì）術工作流程

      汽輪機葉（yè）片的三維實體（tǐ）造（zào）型和數控加工程序的編製（zhì）是葉片加工關（guān）鍵技術。目前，CAD/CAM軟件的發（fā）展，如PrO/E、UG、Soliderworks等相關三維軟件的發展使得葉片設計擺脫了傳（chuán）統的二維設（shè）計和手工繪圖，用三維軟件進行葉片設計，克服常規設計的不足，提高了設（shè）計效率（lǜ），縮短汽輪機葉片的開發周期。通過CAD/CAM軟件根據三維造（zào）型生成數控加工指令，對實體模型進行模擬仿（fǎng）真加工，確（què）定加（jiā）工刀（dāo）具路徑、加工參數和刀具補（bǔ）償的（de）方法，然（rán）後生成數（shù）控機床（如加工中（zhōng）心）可識別的NC程序輸入數控機床進行葉片數控加工。如圖10為汽輪機（jī）葉（yè）片CAD/CAM技術工作流程圖。其中例如采用基於Pro/E軟件對葉片的三維（wéi）造型步驟如圖11所示。 

 

     

  
      汽輪（lún）機葉（yè）片的結構一般比（bǐ）較複（fù）雜，其三（sān）維建模過程（chéng）也相對複雜（zá）。葉片的三維（wéi）建模主要分（fèn）為葉身型麵、葉根和葉冠建（jiàn）模等部分。首先（xiān）進行葉身造型，其次進行（háng）葉根和葉冠（guàn）造型，然後（hòu）再將三者進行布爾運算相加到一（yī）起（qǐ），最後進行附加結構的設計，這樣便可形成一個（gè）完整的葉片。數控加（jiā）工程序的編製是根據葉片三維模型的尺寸關係確定（dìng）的，所以（yǐ）葉片三（sān）維模型建立的好（hǎo）壞，直接影響到數控加工（gōng）程序的編製，最終（zhōng）也就影響到（dào）葉片的加工質量。通過CAD/CAM軟件（如Pro/E、UG等）進行葉片的三維建模實例：如圖12為某動葉片基（jī）於Pro/E某T形葉根的葉片三維造型圖，如圖13為基於UG某菌形（xíng）葉根的葉片三維造型圖。

      根據葉片零件圖，分析（xī）葉片（piàn）的具體結構，確定葉片數控加工內容：主（zhǔ）要有葉型曲麵（內弧、背弧），進汽邊圓角、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠（guàn）圓（yuán）角等的加工。可將葉（yè）片加工分為四個大的加工區域：1）基準麵加工區。在該區域內采（cǎi）用四坐標（或三（sān）坐標）臥式加工（gōng）中心，同時加工（gōng）出所（suǒ）有的基準麵，如：葉根和葉頂的背麵（或（huò）背（bèi）徑向麵）、葉根（gēn）兩（liǎng）側麵、葉根端麵、內徑向麵及葉頂頂針孔等。2）汽道（dào）型麵（miàn）加工區。在此（cǐ）區域（yù）內（nèi）采用五坐標五聯動加工中心，一次完成整個（gè）汽道型麵加工，以代替在普通機床（chuáng）上多工序完成的工作，可大大提高加工效率（lǜ）和質量。3）葉根加工區。在此區域內完成葉根（gēn）的加工，由於葉根品種多、變化（huà）大，要按不同的類型（xíng）采用不同的機床和銑刀型式進行加工。4）葉（yè）冠加工（gōng）區。在（zài）此區域內采用三坐標立式或臥式加工（gōng）中心加工鉚釘頭、葉頂加厚截麵等部位。
 
      葉片數控加工應正確地選擇葉型（xíng）曲（qǔ）麵加工方案。在數控銑床、加工中心上加工葉片汽道（dào）型麵（miàn）時，為了避（bì）免刀（dāo）具與被加工型麵間發生幹涉，刀具一般（bān）選用球（qiú）頭銑（xǐ）刀，葉型曲麵加工方案常使用兩（liǎng）種加工方案：1）如圖（tú）15(a)葉片回轉加工即刀具沿著葉片截麵型線方向加工，數控機床必需增加一個轉動軸來參（cān）與聯動，加工時工件（jiàn）葉片回轉，刀具沿工件葉片（piàn）截麵型線切削一周，橫向進刀後（hòu）再切削下一（yī）周。這種（zhǒng）方案符合零件數據給出情況，便於加工後檢驗。由於葉型是光滑連續的曲麵，所以用一刀成形的方法，生（shēng）成沿（yán）型線連續（xù）的刀具軌（guǐ）跡，一次加工出（chū）內弧和背弧。葉型的準確（què）度高，葉型（xíng）表麵加工質量較好。但要求刀軌（guǐ）的步（bù）長較小，否則（zé）在加工背弧（hú）時會出現過切現象，因此數控程序（xù）較長，加工（gōng）效率相對較低。2）如圖15(b)沿著葉片的輻射（shè）線方向加工，葉（yè）片不回轉加工即刀具沿著葉片軸線加工。這種方（fāng）案加工（gōng）時每次近似（sì）沿直線加（jiā）工，由於葉片型（xíng）麵在輻射方向上的（de）曲率半（bàn）徑要遠（yuǎn）大於（yú）截麵方向（xiàng），因此刀軌可采用較大的步長，而且一般不會出現過（guò）切現象，加（jiā）工程序短，切削加工的（de）效率較高，但表麵加工質量較差。

      在數控加工前，可以通（tōng）過CAD/CAM軟件進行（háng）自動編程，並（bìng）模擬仿真加（jiā）工，這樣，可以減少試加工時（shí）間，並（bìng）減少不必要的損失。現在葉（yè）片製造通過（guò）改進工藝，將去毛坯餘（yú）量（liàng）工序（xù）改在普通機床上完成，縮短葉片在數控機床上的加工工時，盡量利用數控機床加工精度高的特性（xìng），完成葉片型麵的精加工工序。
 
      3.2汽輪機葉片的數控加工編（biān）程步驟
 
      隨著CAD/CAM技術的發展，數控（kòng）自動編程技術能直接將零件的幾何信息轉化為數控加工程序，給汽輪機葉片（piàn）的數（shù）控加工程序的編（biān）製帶來了很大的方便。基於UG或Pro/E軟件的葉片數控加工編程主要步驟包（bāo）括如下內容：1）葉片（piàn）零件三維造型；2）確定葉片（piàn）數控加工工藝方案，選定數控機床、刀具（jù）、夾具和量具等；3）刀位計（jì）算並生成刀具運動軌跡；4）刀具運動軌跡加工仿真、幹涉校驗和編（biān）輯，並可以將加工數（shù）據和信息生成刀位源文件，刀（dāo）位源文件主要包括刀具信息、加工坐標係信息、刀具位置和姿態信息以及各種加工輔助命令信息等；5）上述生成（chéng）的刀位源文件還需（xū）要經過後置處理器，轉變（biàn）為機床能（néng）夠接受的數控（kòng）程序，通過後置（zhì）處理程序將刀位文件轉換成為數控機床可讀的ＮＣ代碼（mǎ）。在交互操作過程（chéng）中，在圖形方式下交（jiāo）互（hù）編輯刀具路徑（jìng），生成適合具體（tǐ）機床的數控加工（gōng）程序（xù）。
 
      在編製數控加工程序時，本著基準統一、減少走刀次數的原則，把葉片葉身型麵、葉冠與葉根圓角、進、出（chū）汽邊（biān）圓角的數控加工程序編製在一起。在葉片的加工中根據工藝的需要，一般選擇葉根的中心軸線為（wéi）加工坐標係的零點。由於目前葉（yè）片葉身型麵設計越來越複雜，精度要求越來越高，因此數控（kòng）加工程序也越來越複雜（zá），出現錯誤（wù）的概率也隨之增加。
 
      通常情況（kuàng）下，如果加（jiā）工程序編製不恰當，可能出現下列問題：1）加工方案不合理，影響加工效率；2）刀具參（cān）數設置不當，如刀（dāo）具半徑選擇過大，零件加（jiā）工不完全（quán），出現大的殘留；刀具半徑選（xuǎn）擇過小，切削效率較（jiào）低；3）刀具與工件之間發生幹涉或碰撞；4）刀具走刀路線、進退刀的方式不合理；5）刀位軌跡不正確，零件外形或（huò）尺（chǐ）寸錯誤；6）切削參數選擇不當，如主軸轉速、進給速度、步距等選擇不合適；7）加工（gōng）過程中刀具與工件之間發生過切現象；8）零（líng）點選（xuǎn）擇不恰（qià）當，無法找到（dào）對刀點。這些問題的出現往往會給實際零件的加工造成很多麻煩，諸如重新編製加工程序、加工後必須打（dǎ）磨零件、返修零件或工裝（zhuāng）、零（líng）件報廢和延（yán）遲產品交付等。這樣會從根本上削弱數（shù）控加工技術（shù）的（de）可靠性並影（yǐng）響其推廣應用。因此數控加（jiā）工程序的實現、質量、效率很大程度上取決（jué）於所編程序的合（hé）理性，為避免上述問題出現，可利用UG或Pro/E軟件（jiàn）加（jiā）工（gōng）仿真功能，可預先模仿加工過程，檢查是否（fǒu）出（chū）現上（shàng）述問題，這（zhè）樣在正（zhèng）式加工前（qián）就可以發現問題（tí），從而可提高加工準備效率，縮短程序調試周期，加快生產（chǎn）過程。
 
      隨著機床技術的發展，數控機床日益廣泛地應（yīng）用於葉（yè）片加工。總之，采用數（shù）控機床進行葉（yè）片數控加工的主要（yào）優越性表（biǎo）現在：1）能提高葉片加工質量，保證葉片型線更接近理論葉型。一次裝夾完（wán）成多道工（gōng）序，可減少（shǎo）裝夾次數、基準統一，這樣不僅可提（tí）高勞動生產（chǎn）率，更重要（yào）的是可減少（shǎo）裝夾和定位（wèi）誤差，大大提高加工質量。2）能提高葉片加工效（xiào）率。采用五坐標加工中心加工汽道型麵，工序集中、工裝少、效率高、精（jīng）度高。3）采用加工中（zhōng）心加工葉片可以完成結構更複雜（zá）的葉片加工，如帶冠彎扭葉片（piàn）等，有效的解決了（le）采用普通機床難以保證精度的關鍵。4）降低了工人的勞動強度（dù）。
 
      通過基於數控機床的汽輪（lún）機葉片（piàn）的數控加工生產實踐證明，葉片加工質量好，葉片加（jiā）工效率（lǜ）高，較好地解決了葉片批量生產的質量和（hé）效率問題，在生產中取得了很好（hǎo）的效果，這為葉片等具有複雜曲麵的零件加工提供了一種新的工藝方案和加工思路。
 
      4結束語
 
      本（běn）課題著重介（jiè）紹運用Pro/E、UG等軟件對汽輪機葉片進行三維造型和數控加工編程生成,為葉片的數字化設計製造(包括葉片型麵的（de）參數化設計、葉片型麵數控編程及型麵測具設計)提供強大（dà）的（de）技術支持,也為今後對汽輪機葉片動態性能及疲勞損壞形式等的CAE分析奠定技（jì）術基礎。
 
      隨著汽輪（lún）機葉片加工（gōng）要求的提高（gāo），加工誤差的分析研究就顯得（dé）越發（fā）重要，尤其（qí）是葉片加工中（zhōng）的（de）變形問（wèn）題。必須尋（xún）求有效的方式減少加工中的變形。比如，可以將機床的回轉工作台改為雙軸同步驅動（dòng），減少（shǎo）單側驅動所產生的扭轉變形；加工時葉片零件裝夾方式可以由頂尖壓緊改為拉伸的裝夾方式，給（gěi）葉片預加拉力，減（jiǎn）少加工中因切削力作用所產生的變形（xíng）等。如何減少汽輪（lún）機葉片加工的誤差，提（tí）高葉片（piàn）的加工精（jīng）度，提高加工效率，獲得葉（yè）片良好的整體（tǐ）性能，是一個十分（fèn）有意義的研究課題。
 
      在葉片的加工（gōng）過程中正確地選擇合理的加（jiā）工工藝基準，確定合理的工藝流程和（hé）加工方法，設計合理可靠適用的工藝裝備（bèi），研究設（shè）計嚴（yán）密可靠（kào）的測量方法（fǎ），才能（néng）保證（zhèng）加工出合格的葉片。葉片數控加工的刀具耐用度與切削用量之間不是單純的（de）函數關係，必須找出其最（zuì）佳組合，即優化切削用量。同時選好銑削（xuē）刀具，提高切削（xuē）參數，完善優化數控程序設計，用足用好數控機床，充分發揮其經濟效益，為加（jiā）工（gōng）汽輪機（jī）葉片開創新的工藝思路。
 
      目前葉片的加工一般使用多軸（3、4、5軸）加工中（zhōng）心代替傳統的加工方法，新型五軸聯動加（jiā）工中心可以加工一般三軸數控機床所不能加工行或很（hěn）難一次（cì）裝夾完成加工的連續、平滑的（de）自由曲麵（miàn）。國產新型五軸聯動（dòng）加工中心的研製成功，給汽輪機葉片的（de）數控（kòng）加工帶來了新的飛越，在汽輪機葉片的加工中得到了較好的應用（yòng），葉片型麵加工工藝得到（dào）了很大的改進，工藝方法（fǎ）更為（wéi）靈活，提高了葉片加工生產率和加工質量，減輕了（le）勞動強度，從而使我國的汽輪機葉片製造（zào）技術趕（gǎn）上了國際先進水平，並促進電力、飛機和軍（jun1）工業的（de）發展，對促進（jìn）經濟發展和國防建設具有重大意義（yì）。