近年來大型汽輪機中的葉片普遍采用彎扭葉型，其精度要求高、制造難度大，而主要的加工難點則集中在對型面的加工上。由于多軸銑相比傳統(tǒng)三軸銑具有加工適應性強、切削狀態(tài)好的優(yōu)點，目前該類葉片的型面加工通常都采用多軸銑的方式來進行。

　　然而，目前國內(nèi)汽輪機葉片多軸數(shù)控加工設備及軟件基本由國外廠商所提供，并采取捆綁銷售。由于專用編程軟件根據(jù)葉片加工的特點及專用機床的配置而設計，因此針對性很強。不僅具有豐富的多軸加工策略，還包含了葉片輔助工藝設計功能。當輸入葉片的造型數(shù)據(jù)后，只要進行簡單的參數(shù)設定，就能配合專用葉片機床快速完成葉片加工。然而由于在程序中包含了大量的機床專用指令，因此無法直接移植到其它數(shù)控機床上進行使用。近年來雖然市場上也出現(xiàn)一些國產(chǎn)的葉片加工機床，有的還在某些技術(shù)上有所突破，但總體來講應用效果并不十分理想，其中的一個重要原因就是沒有解決好葉片的多軸編程問題。而基于通用CAD/CAM軟件的應用研究及二次開發(fā)，無疑是解決葉片多軸編程的可行之路。本文將在分析葉片多軸加工特點的基礎(chǔ).基于SIEMENS NX軟件對葉片多軸加工中的若干關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

　　1 葉片多軸加工的工藝特點

　　以一個典型的葉片型面多軸銑加工工藝為例，所包含的主要工序通常有(如圖1)：

　　(1)型面開槽：在靠近葉根(或葉冠)的一端的型面毛坯上開出一條寬槽，以方便后續(xù)加工的刀具落刀，如圖1a所示。

　　(2)型面半精加工：在上述工序所開的槽處落刀，沿汽道方向進行擴槽加工，如圖1b所示。

　　(3)過渡面清根加工：以葉根(或葉冠)側(cè)面為導向，繞汽道面加工出符合要求的圓弧過渡面，如圖1C所示。刀具一般采用帶錐度球刀，根據(jù)余量情況，可采用不同直徑的刀具進行多次切削。

　　(4)汽道面整體精加工：一般使用直徑較小的帶錐度球刀，以較小的切削量和較大的切削速度完成整個型面的精加工，如圖1d所示。

　　圖1葉片型面多軸銑加工工藝的主要工序

　　在上述典型工藝中，型面的半精及精加工均采用螺旋線銑削方式，其走刀軌跡由刀具圍繞葉片型面作整周回轉(zhuǎn)的一系列螺旋線所形成。而開槽及清根加工則采用類似的繞葉片作整周回轉(zhuǎn)的軌跡，其共同的特點是：葉片整周切削過程中，軌跡光滑連續(xù)，可采用高速銑削;同時切削過程中葉片對稱受力，使加工變形大大減小。

　　多軸銑在給葉片型面加工帶來很多優(yōu)點的同時，也帶來了許多應用上的復雜性。首先是多軸算法相比3軸算法對被加工曲面的質(zhì)量提出了更高的要求。曲面局部的不光順及相鄰曲面的非光滑連接，不僅會在由驅(qū)動點投影生成刀觸點時出現(xiàn)交叉或重疊，同時也會在形成刀軸矢量時產(chǎn)生突變，生成不合理的刀具軌跡。其次是刀具運動參數(shù)設置的復雜性。為了改善刀具的切削狀態(tài)，多軸加工中的刀軸矢量必須根據(jù)被加工曲面的形狀變化而變化。在計算刀具軌跡時，刀軸矢量一般通過定義刀具與曲面的前傾角(1ead angle)和側(cè)傾角(tilt angle)來設定，如圖2所示。由于前傾角和側(cè)傾角均可在一個合理的取值范圍內(nèi)變化，如何在不同的位置設置不同的傾角，使刀具在具有良好的切削狀態(tài)的前提下，盡可能地采用不同的位置參與切削來提高刀具的耐用度，是非常值得研究的。但變傾角的合理設置與實現(xiàn)又是一項非常復雜和困難的工作。再就是與3軸銑相比具有不同的驅(qū)動軸速度控制方式。3軸銑程序中每個程序段定義的切削速度僅為三個線性軸的合成速度，而多軸程序中的切削速度則為線性軸與轉(zhuǎn)動軸的合成速度，各軸的速度分配情況更復雜。如果程序中的切削速度設置不合理，就會在葉片加工中出現(xiàn)由于超出控制軸響應速度而導致的葉片過切或欠切現(xiàn)象。

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　　圖2刀具的前傾角和側(cè)傾角

　　2葉片多軸加工編程中的關(guān)鍵技術(shù)

　　汽輪機葉片型面加工涉及到多軸數(shù)控加工編程與復雜曲面造型。以下以國產(chǎn)4軸立式加工中心及7軸混聯(lián)機床為葉片加工設備，以NX為葉片多軸加工編程軟件，來對應用通用軟件解決葉片多軸加工編程中的一些關(guān)鍵技術(shù)進行討論。

　　2.1 葉片型面的高質(zhì)量幾何建模技術(shù)

　　在多軸加工中，曲面的光順性及曲面間的光滑連接特性對生成多軸數(shù)控加工程序的質(zhì)量影響很大，這就對葉片型面的幾何建模提出了更高的要求。葉片型面的高質(zhì)量幾何建模，首先是指型面在各截面型線方向上要保持光順。其次，在葉片徑向上曲面也要求同樣保持光順。如果型面是分塊構(gòu)造的，則還需保證各曲面片在連接邊界上保持至少Gl連續(xù)。

　　型面在截面型線方向上的光順性，主要由截面型線的質(zhì)量所決定。每個截面型線一般由內(nèi)弧、背弧、進汽邊圓弧和出汽邊圓弧這四段曲線來構(gòu)成。內(nèi)、背弧段的數(shù)據(jù)一般為離散點，而進、出汽邊圓弧的數(shù)據(jù)大多由圓心和半徑數(shù)據(jù)直接給出。內(nèi)、背弧曲線在NX中可由過型值點的三次參數(shù)樣條曲線(spline through points)來定義。曲線在定義之初往往無法直接滿足光順性要求，需要進行適當?shù)木庉嬏幚怼４蜷_曲線的曲率梳(curve combs)功能，能直觀地反映曲線的光順性，并幫助去除定義數(shù)據(jù)中可能存在的“壞點”。結(jié)合應用型值點自動光順(smooth spline)功能及手工的微調(diào)處理，使編輯形成的曲線曲率梳平滑而沒有拐點，同時又不超出曲線允許的擬合誤差，如圖3所示。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，比較理想的處理方法為：先定義并調(diào)整自由端點矢量條件下的內(nèi)、背弧樣條曲線，然后均勻取圓弧上的數(shù)點用樣條線或二次曲線來表示進、出汽邊圓弧，并控制兩端與樣條相切。這種方法不僅很好地滿足了擬合精度，而且也容易保證曲線的光順性。

　　圖3某截面型線背弧段的光顧處理

　　型面的定義可于所有截面型線按要求定義完成后進行。為了保證后續(xù)處理的靈活性，不妨將型面分塊構(gòu)造，同時特別注意曲面間的G1連續(xù)性要求。如內(nèi)、背弧面可使用曲線放樣功能(mesh surface-一through curves)來完成，而后續(xù)進出汽邊圓弧面則必須采用網(wǎng)格曲面功能(mesh su柏ce_through curve mesh)來構(gòu)造，并控制邊界相切條件。按上述方法構(gòu)造的型面在葉片徑向上也能保持G2連續(xù)，但是否光順而沒有多余拐點，則主要取決于各截面型線給出的質(zhì)量。鑒于多軸螺旋線刀軌是沿汽道截面方向來生成的，曲面在該方向上的質(zhì)量對刀軌一般影響不大，在此不展開討論。

　　2.2基于法矢分析的汽道面變傾角加工技術(shù)

　　機床驅(qū)動軸速度的突變與反向，是引起葉片加工誤差的主要原因之一。由于進、出汽邊型面在曲率半徑上與內(nèi)、背弧面間相差很大，特別在加工到進汽邊曲面時，刀具會在短時間內(nèi)產(chǎn)生很大的擺角，引起驅(qū)動軸速度的突變。如果在進入該位置前采用大前傾角，并逐步過渡到結(jié)束該位置加工時的較小前傾角，就能有效減小擺角。另外，由于截面型線中的內(nèi)弧段為凹曲線，而其余各段則為凸曲線。在等前傾角加工的情況下，刀具在進入內(nèi)弧面及退出內(nèi)弧面之前，會出現(xiàn)兩次擺動方向的突然反向。要避免或改善上述現(xiàn)象，就需要在加工中實現(xiàn)變前傾角控制。此外，對于大彎扭葉片型面及斜葉根(葉冠)情況，還必須通過變側(cè)傾角控制，才能實現(xiàn)型面全范圍的有效加工，避免與葉根、葉冠間可能發(fā)生的干涉問題。

　　在葉片專用編程軟件中，可以設定刀具加工到汽道不同截面時，在切人和切出內(nèi)、背弧段處所采用的不同傾角，還可以在上述各位置上設置不同的切削速度，以獲得理想的加工程序。但上述參數(shù)無法由軟件自動設定。參數(shù)設置的合理與否，主要由編程人員對工藝的理解與編程經(jīng)驗所決定。基于法矢分析的汽道面變傾角加工能為編程人員對加工參數(shù)的設定提供一些理論依據(jù)。由于篇幅關(guān)系，這里僅介紹前傾角的變傾角控制方法。#p#分頁標題#e#

　　前傾角的取值主要根據(jù)刀具的切削狀態(tài)及干涉條件來定，在葉片多軸加工中通常可在5°一50°間取值，合理的取值可基于對各截面型線的法矢分析為基礎(chǔ)來進行。圖4a所示為根據(jù)某截面型線所生成的法矢，圖4b所示為定義與出汽邊起點處法矢夾一較大偏角的矢量。在其余三個進、出汽邊始末點處按同樣方法定義不同的偏角的矢量后，插值生成的繞型線的控制矢量，如圖4c所示。以這些矢量來控制刀軸，就能使刀具在進、出汽圓弧處的擺角明顯減小，并避免刀具在內(nèi)弧段出現(xiàn)突然擺動反向問題。

　　圖4截面型線的法矢分析

　　葉片型面多軸螺旋銑在NX中可由以型面為驅(qū)動面的曲面輪廓變軸刀軌(variable—contour—surface area)來定義，而刀軸控制最常采用的是相對驅(qū)動面(relative to drive)方式。但該方式只能使刀具與曲面間保持恒定的前傾角和側(cè)傾角，當需要實現(xiàn)變傾角編程時，必須將刀軸方向控制方式設定為插值(interpo—late)，然后在驅(qū)動面的各關(guān)鍵點上設置刀軸矢量方向。刀軸矢量方向可預先按上述基于法矢分析的方法來確定，型面上其余各處的刀軸矢量就由這些定義的矢量插值得到。圖5所示即為前傾角與側(cè)傾角同時可變的某斜冠葉片的刀軸矢量設定及生成的刀軌。

　　圖5可變前傾角與側(cè)傾角約葉片刀軸矢量設定及生成的刀軌

　　2.3基于動力學特性分析的切削速度優(yōu)化技術(shù)

　　使用NX進行編程時，無法在被加工面的不同位置設置不同的切削速度。這樣，通常生成的加工程序中其切削速度F是恒定的。而切削速度實際上是各運動軸合成的一個等效速度，各運動軸的實際速度需按一定關(guān)系進行換算。以FANUC Oi為控制系統(tǒng)的四軸立式加工中心為例，一條直線加工指令G01 Xx Yy zz Aa Ff中，各軸的速度分解采用如下方法：

　　其中 分別為各軸的切削速度。

　　為了對等切削速度多軸螺旋銑的動力學特性進行分析，以下在一個典型的型面精加工四軸程序中截取一段，并在讀取各軸的位移數(shù)據(jù)后，分析了刀具在繞型面轉(zhuǎn)一周的過程中各軸的速度及加速度。從輸出的速度曲線來看，各軸的速度變化曲線各不相同，如圖6所示(僅列出Z軸與A軸的曲線，下同)。但從圖7所示的加速度曲線上看，各軸則表現(xiàn)出幾乎相同的特征：在整個時間段內(nèi)均會在同樣的三處出現(xiàn)峰值。經(jīng)與原程序?qū)Ρ群蟀l(fā)現(xiàn)，分別出現(xiàn)在進入和退出出汽邊圓弧及在內(nèi)弧段刀軸突然反向處，正好對應于加工中極易出現(xiàn)過切等質(zhì)量問題的位置。

　　圖6Z軸、A軸的速度曲線

　　圖7Z軸、A軸的加速度曲線

　　為了改善上述情況，對切削速度進行變速控制是一種可行的方案。即在預測到驅(qū)動軸會出現(xiàn)過高加速度點之前，對切削速度進行逐級減速，然后在過該點后再逐漸加速至正常速度。在NX的后置處理模塊Post.builder中，能利用tcl語言對刀位數(shù)據(jù)進行分析與處理。利用tcl語言加入速度優(yōu)化算法，對后置處理模板文件進行定制，就能在對刀位文件進行后置處理的過程中解決變速控制問題。或?qū)?jīng)正常后置處理生成的加工程序由定制的速度優(yōu)化程序進行處理，也能實現(xiàn)上述要求。上述加工程序經(jīng)定制的速度優(yōu)化程序處理后，各軸的加速度峰值均得到了明顯的抑制，如圖8所示。#p#分頁標題#e#

　　圖8優(yōu)化后的Z軸、A軸加速度曲線

　　經(jīng)實際機床切削對比后表明，基于動力學特性分析的切削速度優(yōu)化，能大大改善葉片加工過程中各驅(qū)動軸的動力學特性，從而有效地提高葉片型面的加工精度。

　　3 結(jié)語

　　加強對葉片多軸加工編程中的關(guān)鍵技術(shù)的研究，能擴大通用CAD/CAM軟件對于葉片多軸銑加工編程的適用性。不僅能促進先進的葉片型面加工工藝的普及應用，同時也能酉己合國產(chǎn)葉片加工機床的研發(fā)，逐步打破國外葉片型面加工專用機床的壟斷。