葉（yè）片（piàn）是汽輪機的核心關鍵零件,是汽輪機的心髒,葉片加工質量的好壞直接影響到汽輪機的工（gōng）作效率以及可靠性。隨著汽輪機設計要求（qiú）的提高,葉片加工要求（qiú）也越來越高,特別是葉片型麵加工（gōng）一直是汽輪機生產的（de）瓶頸口,傳統的葉片加工方式其（qí）加工工（gōng）藝原始、加工手段落後,工人勞動負荷（hé）大,作業環境惡劣,生產效率很難提高,加工質量難以保證。為此（cǐ）必須研究葉片加工新的工藝方（fāng）案和加工手段,作者主要探討了基於並聯機床的汽輪機（jī）葉片的數控加工技術,經生產實踐證明,葉片加工質量高,用並聯機床加工汽輪機（jī）葉片的方案是切實可行的。
 
      1  汽輪機葉片結構特點（diǎn）

      葉片是汽輪（lún）機極為重要的零部件,葉片的（de）製造水平直接影響到（dào）汽輪機的效率。按功能作用的不同（tóng）,汽輪機葉片可分為動葉片(如圖1、2)和靜葉片(如圖3、4)兩種。動葉片的結（jié）構主要由葉身型麵、葉根、葉冠、拉筋、中間體（tǐ）等組成。

  
      葉片的（de）基本部分稱為葉身（shēn）型麵,葉身結構（gòu）複雜,多為扭轉自由曲麵。葉身型麵分為內（nèi）型麵（miàn）(或內弧)、背型麵(或背弧（hú）)、進氣邊圓角、出（chū）氣邊（biān）圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等幾個部分（fèn）。葉身型麵是由若幹個截麵（miàn）型線擬（nǐ）合而成的（de）光滑（huá）複雜（zá）曲麵,由一組等距或不等距平行截麵型線組成的空間扭曲麵,其中葉身部分的橫截麵稱為葉型,其每一個橫截麵邊緣叫型線,一條型線（xiàn）由進氣邊圓弧、背弧、出氣邊圓弧和內弧組（zǔ）成,型線的結構決定葉片（piàn）的工作情（qíng）況,有的（de）型麵為彎扭變截麵或等截（jié）麵彎扭曲（qǔ）麵。常見的葉根（gēn）結構形式有菱形、T形、叉形和樅樹形等。外端的固定則稱為葉冠。葉片氣道的進、出氣邊較薄,葉（yè）冠（guàn）、葉根圓角較小。
 
      2 基於（yú）UG軟件葉片的三（sān）維建模
 
      葉片的（de）結構一般（bān）比較複雜,其建模過程也相對複雜。葉片的三維建模主要分為葉身型麵、葉根和葉冠建模等部分。首先進行葉（yè）身造型,其次進行葉根和葉冠造型,然後再將三者進行布爾運（yùn）算相加到一（yī）起（qǐ）,最後進行附加結構的操作,這樣便可形成一個完整的葉（yè）片。數控程序的編製是根據葉片模型的尺寸關係確定的,所（suǒ）以建立的葉片模型的好（hǎo）壞,直（zhí）接影響到（dào）數控加（jiā）工程序的編製,最終也就影響到葉片的加工質量。通過（guò）CAD/CAM軟件（jiàn）(如Pro/E、UG、MasterCAM、CATIA、Soliderworks等)進行葉（yè）片的三維建模。
 
      采用UG軟件（jiàn）完成葉片（piàn）的實體建模。圖1、2為某動葉片三維造型,如圖3、4為某靜葉片三維（wéi）造型。葉片型麵的原始設計數據一般是一係列的離散點或分段（duàn）圓弧表示的截麵型線,這就需要用曲麵擬合的方法（fǎ）在UG/Modeling模塊（kuài）中生成光滑連續的曲麵。在葉（yè）片截麵型線構造時（shí）,由於離散點數量較多,輸（shū）入十分麻煩而且容易出（chū）錯,可以在CAD中事先處理,用樣條線擬合各個截麵型線,采集出許多控製點,在（zài）建（jiàn）模時將控（kòng）製點文件調入。對截麵不相同（tóng）的型麵建模（mó）,首先構（gòu）造各個截麵（miàn）型線,然後用通過曲麵組命令,依次選擇各截麵型線(選擇時要（yào）保證各（gè）個截麵的方向一（yī）致),最後用蒙皮法生成葉型曲麵。對截麵相同的型麵建模,首先構造截麵以及生（shēng）成線,然後用已掃掠命令,使截麵沿著生成（chéng）線方向掃描(需要（yào）控製參考方向,保證各個截麵（miàn）的形狀相同),形成型麵。
 
      葉根和葉冠（guàn）的建（jiàn）模,由（yóu）於兩者形狀相對規則,通過拉伸、旋轉命令即可完成特征的描述,最後運用布爾運算命令（lìng）進行修剪,得到葉根及葉冠的模型。
 
      3 葉片的數控加工（gōng）工藝
 
      葉片是汽輪機的主要（yào）部件（jiàn）之一,尤其它的（de）氣道部分決（jué）定（dìng）了（le）汽輪（lún）機的發電功率,直接影響汽輪機產品的質（zhì）量。葉片數控加工是表征汽輪機製造技術（shù）達到現（xiàn）代先進製造水平的重要標（biāo）誌之一（yī）。國（guó）外已普遍采用數控設備加（jiā）工葉（yè）片,因此葉片數控加工技術的應用開發已勢在必行。數控加（jiā）工葉片（piàn）優越性:(1)能提高葉片加工質量,保證葉片型線更接（jiē）近理（lǐ）論葉型;(2)提高葉片加工效率;(3)降（jiàng）低了工人（rén）的勞動強度。
 
      汽輪（lún）機葉片的材料一般（bān）為不鏽（xiù）鋼,為難加工材（cái）料,常用的有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等,這些（xiē）材料強度高、韌性大、熱硬性好、加工時極易（yì）變形,加工難度大。汽輪機葉（yè）片毛坯主要有3種:(1)鍛造毛（máo）坯;(2)方鋼毛坯（pī）;(3)精密鑄造毛坯。其（qí）中鍛造毛坯主要用於動葉片和結構簡單的靜葉片的（de）製造;方鋼毛坯適用於整體尺寸較小(<300mm)的葉片;精（jīng）密鑄造毛坯主要用於結構複雜的（de）、鍛造工（gōng）藝難以達到要求的、而機加工餘量較（jiào）小的葉片。葉片切削加工（gōng）特性主要表現為:切削力（lì）大,切（qiē）削變形大,切削熱大,刀片（piàn）易（yì）磨損。
 
      隨著我國汽輪機行業的不斷發展（zhǎn）,葉片的設計水平也在不斷的提高,主要為（wéi）變截麵扭曲葉片,葉片氣道型線部分是空間三坐標數據點,加工（gōng）精度要求（qiú）很（hěn）高,加工難度很大。由（yóu）於葉片外形複雜,而且葉片種類（lèi）變化多樣,多為扭轉曲（qǔ）麵（miàn）,加工工藝要求高,葉片機械加工工作量一般要占整台汽輪機冷加工工時的25%~40%,需要多（duō）軸(如四（sì）、五軸)聯動的數控機床來加工。隨著汽輪機葉（yè）片加工要求的不斷提高,對（duì）加工設備及工藝技（jì）術水平要求很高。它要求設備要有更靈活的切削運動,能實現（xiàn）多方位以及複合曲麵結（jié）構的加工,不僅要求機床加工時運行平穩,能實現高速加工,而且要求機床具有（yǒu）高的（de）運動（dòng）加速度,提高加工效率,實現敏（mǐn）捷式加工。
 
      根據葉片零件圖（tú）,分析（xī）葉片的具體結構,確定葉片數控加工內容:主要有葉型曲麵(內弧、背弧),進氣邊圓角、出氣邊圓角、葉根圓角（jiǎo）、葉冠圓角等的加工。
 
      葉型曲麵的加工常用兩種加工方案（àn）:(1)葉片不回轉加工（gōng）即刀具沿著葉片（piàn）軸線加工。這樣加工（gōng）近（jìn）似沿直線加工,所以（yǐ）切（qiē）削效率較高,但表麵加工質量較差;(2)葉片回轉加工即刀具沿截麵型線加工。數控機床必需增加一個（gè）轉動軸來參與（yǔ）聯動,加（jiā）工時工件葉片回轉,刀具沿工（gōng）件葉片（piàn）截麵（miàn）型線切削一周,橫向進刀後再切削下一周。這種方案加工效率相對較低（dī）,且易出現過切,但葉型表麵加工質量較好（hǎo）。由於（yú）葉型是光滑連（lián）續的曲麵,所以（yǐ）用一刀成形的（de）方法（fǎ）,生成沿型線連續的刀具軌跡,一次加工出內弧和背弧。
 
      對葉根（gēn）圓角和葉冠圓（yuán）角,則用側銑的方法加工。葉片加工（gōng）工藝過程如圖5。

      通過CAD/CAM軟件根據三維模型生（shēng）成數控加工（gōng）指令,對實體模（mó）型進行（háng）模擬加工,確定加工刀具路徑、加工參數和（hé）刀具補償,然後生成數控機（jī）床(如（rú）加工中心)可識別的（de）NC程序輸（shū）入數控機床（chuáng）進行葉片數控加工。如圖6為葉片CAD/CAM流程圖。

      4 並聯機床的結構與工作原（yuán）理（lǐ）
 
      4.1並聯機床的結構特點

     
      並聯機床是新一代高性能（néng）機床,它是在Stewart平台的基礎（chǔ）上（shàng）設計（jì）而成（chéng）的。並聯機床的核心（xīn）機構就是Stewart平台。Stewart是（shì）一（yī）種新型的、6自由（yóu）度的空間並聯結構,它由上下兩個平台和6個可獨立自由伸縮的杆件組（zǔ）成（chéng）,伸縮杆和兩個平台通過虎克鉸和球鉸鏈進（jìn）行連接。如圖7、8所示為基於（yú）Stewart機構（gòu）的國內（nèi）某公司生產的並（bìng）聯加工中心HLNC5001的主要結構,它是由一個定平台、一個動平台和6根驅動（dòng）杆組成。驅動杆的（de）一端通過虎克鉸與定平台相連;另一端通過球鉸與動平（píng）台相連（lián）。該並聯機床主要由以下幾個部分組成:(1)固定平台(機床框架或靜平台（tái）),它（tā）用於安裝各個零（líng）部件,是機床的主體,對整個機床起到支撐作用;(2)6根伸縮杆,為（wéi）動平台的各種運動提供動力,通過改變伸縮杆的長度來控製動平台的（de）位姿,以滿足加工需要;(3)動平台,用於安裝主軸部件,同時也是6根杆的控（kòng）製對象;(4)主軸部件,其主要（yào）部分為電主軸,提供切削時的刀具動（dòng）力;(5)刀頭點,它是數控係統的（de）控製點,利用（yòng）刀（dāo）頭點作為控製點,可以形成全（quán）閉環控製,可以對彈（dàn）性變形以及振動引起的誤差進行補償（cháng）,提高加工精度,減少並（bìng）聯運（yùn）動機床的動態（tài）誤差;(6)回轉台,用於裝夾工件,完成零（líng）件的回轉加工（gōng）;(7)連接件,連接各類零部件,如虎克鉸、球鉸鏈等,使並聯運（yùn）動機床能夠按（àn）照要求靈活運動;(8)操作麵（miàn）板,提供良好的人機交互界（jiè）麵,能有效地操作機床。該並聯機床提供了中文顯（xiǎn）示的用（yòng）戶界麵;(9)其他部件,如刀庫、排屑機、冷（lěng）卻係統、液壓係統等輔助部件。
 
      4.2並聯機（jī）床的（de）工作原理
 
      從HLNC5001並聯機床的結構可（kě）以看出,並聯機床是由六自由度空間並聯機（jī）構組成的,即由6根可（kě）伸縮杆通過（guò）球鉸或虎克鉸將固（gù）定平台與動平台相連,它的工作原理是:機床主軸與刀具的運動是由6根驅動杆的運動複合而成的,而不是像傳統機床那樣是（shì）由各運動部件的運動疊加而成;如果將上平台作為固定平台,以伸縮杆的位（wèi）移作為輸入變量,則可以控製動平台的空（kōng）間位移和姿態（tài）,即通過改變6根可（kě）伸縮杆的杆長,動平台可以實現不同的位（wèi）置（zhì）和（hé）姿態;動平台上裝有電（diàn）主軸,刀具裝卡在動平（píng）台電主軸上隨動平台一起運動,以實現對曲麵的加工;6根可伸縮杆由滾珠絲杠副和滾珠花鍵副構成,由6個伺服電（diàn）機（jī）驅動來控製各杆的杆長;在機床工作台（tái）上串聯了一個數控回轉台（tái）,在葉片加工時（shí）使葉片隨數控轉台繞X軸回轉(A軸),並和並聯機床的其他6軸實現聯動,形成七軸聯動的（de）並串聯加工係統,從而實現空間任意複雜形狀的曲麵加（jiā）工;在加工葉型曲麵時,通過數控轉台的（de）回轉,使葉片毛坯和（hé）刀具相對運動（dòng）,可以生成連續的加工路徑,並且隻需一次裝夾,就可以加工出包括內弧、背弧和進出氣邊圓角在（zài）內的完整的葉片葉型曲麵,而且在不發生幹涉的前提下可（kě）以任意調整刀具的加工姿態,從而實現空間（jiān）任（rèn）意複雜形（xíng）狀（zhuàng）的曲麵加工,使葉型曲麵（miàn）的加工質量得（dé）到保證。這種（zhǒng）並聯機床特別適合加工複雜曲麵的零（líng）件,如葉片、葉輪、螺旋漿及複雜模具的型腔加工等。
 
      5基於並聯機（jī）床的（de）汽輪機葉片的數控加工

      隨著CAD/CAM技術的發展,自動數控編（biān）程（chéng）技術能直接將零件的幾何信息轉化（huà）為數控（kòng）加工程序,給汽（qì）輪機葉片的數控加工程序的編製帶來了很大的方便。目前應（yīng）用較成熟（shú）的CAD/CAM軟件有UG、Pro/E、Mastercam等,這些軟件的出現（xiàn）使得以往四、五軸聯動（dòng）加工（gōng）編（biān）程中存在的（de）問題得到了（le）解決。基於並聯機床的汽輪機（jī）葉（yè）片的數控加工流（liú）程主要分為兩大部分完成:(1)CAD的處理過程（chéng）;(2)並聯機床的加工過程。主要（yào）加（jiā）工內容為葉片的葉身型麵、葉根、葉冠及葉身與葉根、葉冠的（de）交接麵（miàn）。圖9為並聯機床加工汽輪機葉片工作流程圖。

      基於UG或Pro/E的（de）葉片數控加工編程主要（yào）包括如下內容:(1)葉片零件三維造型;(2)確定葉片數控加工工藝方案,選定數控機床、刀具、夾具（jù）和（hé）量具（jù）等;(3)刀位計算並生成刀具（jù）運動（dòng）軌跡;(4)刀具運動軌跡仿真、校驗和編輯,並生成刀位文件;(5)最後通過後置處理程序將刀位文件轉換成（chéng）為數控機床可讀的NC代碼。
 
      采用UG軟件進（jìn）行葉片的數控加工,其（qí）數（shù）控加工編程一般可由（yóu）下列步驟來完成:在UG/CAM中生成了刀具軌跡並進行了加工仿真（zhēn）和幹涉校驗後,可以（yǐ）將加工數（shù）據和信息輸出（chū）成為（wéi）刀位源文件（jiàn）(CLSF)。刀位源（yuán）文件(CLSF)主要包括刀具信息、加工坐（zuò）標係信（xìn）息、刀具位置（zhì）和姿態信息以及各種加工輔助命令信息等,還需（xū）要經過後置處理器,將其轉變（biàn）為機（jī）床能夠接受的數控程序,也（yě）可以用並聯機床自帶的後處（chù）理程序進行後處理。UG軟件提供了（le）各種複雜零件的粗精加工,用戶可以根據（jù）零件結構、加工（gōng）表（biǎo）麵形狀和加工（gōng）精度要求選擇合適的加（jiā）工類型,在每種加工類型中包括了多個加（jiā）工模塊。應用加工模（mó）塊可快速建立加工操作。在交互（hù）操作過程中,在圖形方式下交互編輯刀具路徑（jìng）,生成適合具體機床（chuáng）的數控加工程序。
 
      在（zài）編製數控加工程序時,本著（zhe）基準統一、減少走刀次數的原則,把葉片葉身（shēn）型麵、葉冠與葉根圓角、進、出氣邊圓角的數控加工程序編製在一起。在葉片的加工中根（gēn）據工藝的需要,一般選擇葉根的中心（xīn）軸線為加工坐標係的零點。由於目前（qián）葉片葉身型（xíng）麵設（shè）計越來越複雜,精度要求越來（lái）越高,因此（cǐ）數控加工程序也越來越複雜,出現（xiàn）錯誤的概率也隨之增加。通常情況下,如果加工程（chéng）序編製不（bú）恰當,可能出現下列問題（tí）:(1)加工（gōng）方案不合理,影響加工效率;(2)刀具（jù）參數設置不當,如刀具（jù）半徑選擇過大,則零件加工不完全,出現大的殘留;刀具（jù）半徑選擇過小,則切削效率較（jiào）低;(3)刀具與工件之間發生幹涉或（huò）碰撞;(4)刀具（jù）走（zǒu）刀路線、進退刀的方（fāng）式不合理;(5)刀位軌跡不正確,零件外形或尺寸錯誤;(6)切削參數選擇（zé）不當,如主軸轉速、進（jìn）給速度、步距等選擇不合適（shì）;(7)加工過（guò）程中刀具與工件之間（jiān）發生過切現象(8)零點選擇不恰當,無法找到對刀點。這些問題（tí）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、加工後必須打磨零件、返修零件或工裝、零件報廢、延（yán）遲產品交付等。這樣會從根本（běn）上削弱數控加工技術的可（kě）靠性並影響其推廣應用（yòng）。因此數控加（jiā）工質量、效率很（hěn）大程度上取決於所編程序的合理性。為避（bì）免上述問題出現,可利用UG或（huò）Pro/E軟件（jiàn）加工仿真功（gōng）能,預（yù）先模仿加工過（guò）程,檢查是否出現上述問題,這樣在正式加工前就可以發現問題,從而（ér）可提（tí）高加工準備效率,縮短程序調試周期,加快生產過程。
 
      有了先進的並聯機床,還需要配合先進的刀具,才能更好地發（fā）揮並聯機床的優勢。考（kǎo）慮到生（shēng）產效率和葉片質量,符合現代機加工（gōng）少餘量高速銑削的理念,所有工步都選用硬質合金刀具,一般采用立銑刀、球頭立銑刀、球頭錐（zhuī）銑刀、帶角（jiǎo）圓的（de）圓（yuán）柱（zhù）銑刀(環形刀)、鼻型刀等加工。根據並聯機床的功能（néng）特性,一次裝夾葉片（piàn）,能夠完成90%的加工量,消除了由於多次裝夾造成的定位誤差,葉片質量有了可（kě）靠的保證。
 
      通過基於並聯機床的汽輪（lún）機葉片的數控加工生產實踐證明,葉片加工質量好、效率高,較好地解決了葉片批量生產的（de）質量和效率（lǜ）問題,取得（dé）了很好的（de）效果,因此用並聯機床加工汽輪機葉片的方案（àn）是切實可行的。這不僅為葉片（piàn）等（děng）具有複雜曲麵的零件加工提供了一種新（xīn）的（de）加工設備和工藝（yì）方（fāng）案,還為促進（jìn）並聯機床的產業化和實用化起到很好的推動作用。
 
      6 結（jié）論及展（zhǎn）望
 
      作者主要研究（jiū）了基於並（bìng）聯機床的汽輪機葉片的數控加（jiā）工技術（shù）。通過改進工藝,將去葉片（piàn）毛坯餘量工序改在普通機床上完成,縮短葉片在數控機床上的加工工時（shí）,盡量利用（yòng）數控機床加工精度高的特（tè）性,完成葉（yè）片型麵的精加工工序。葉片加（jiā）工的（de）刀具耐用度與切削用量（liàng）之間不是（shì）單（dān）純的函（hán）數關係,必須找出其（qí）最（zuì）佳組合,優化切（qiē）削用量。同時選好銑（xǐ）削刀具,提高切削參（cān）數,完善數控程（chéng）序（xù）設計,用足用好數控機床,充分發揮其經濟效益,為加工（gōng）汽輪機葉片（piàn）開創新的（de）工（gōng）藝思路。
 
      隨著汽輪機葉片加工（gōng）要求（qiú）的提高,加工誤差的分析研究就顯得越（yuè）發重要,尤其是葉片加工中的變（biàn）形問題。必（bì）須尋求有效（xiào）的方式減少（shǎo）加工中的變形。比如,可以將機（jī）床的（de）回轉工（gōng）作台改為（wéi）雙（shuāng）軸同步（bù）驅動,減少單側驅動所產生的扭（niǔ）轉變形;加工葉片（piàn）時零件裝夾方式可以由（yóu）頂尖壓緊改為拉伸的裝夾方式,給葉片預加拉力,減少加工中因（yīn）切削力作用所產生的變形等。如何減（jiǎn）少汽輪機（jī）葉（yè）片的（de）加工誤差,提高加工精度和加工效率,獲得葉片（piàn）良好的整體性能,是一個十分有（yǒu）意義的研究（jiū）課題。
 
      目（mù）前葉片的加工一般使用五軸加工中心代替傳統的加工方法,新型五軸機床可以加工一般三軸數控機（jī）床所不能（néng）加工或很難一次裝夾完成加工（gōng）的連續、平滑（huá）的自由曲麵。並聯機床是隨著並聯機構的理論研（yán）究與計算機軟硬件技術不斷發展而產生的,並聯機床具有模塊（kuài）化程度高、剛度高、剛度重（chóng）量比大、動態性能好、響應速度快、適應性（xìng）強、容易實現多軸聯（lián）動等優點,非常適用於複雜曲（qǔ）麵的加工。國（guó）產並（bìng）聯機床的研（yán）製（zhì）成功,給汽輪機葉（yè）片（piàn）的數控加（jiā）工帶來（lái）了新的飛（fēi）越,使複雜形（xíng）狀的葉片有了更多的加工手段,提供了葉片的數控加工新途徑,葉片型麵加工工藝得到了很大的改進,工藝方法更為靈活,提高了葉片加工生（shēng）產率和加工質量,減輕了勞動強度（dù）。它充分利用數控技術（shù）的潛力,徹底改（gǎi）變了傳統機床的結構配置和（hé）運動學原（yuán）理。國產並聯（lián）機床以（yǐ）其獨特的優勢成為新（xīn）一代數（shù）控機床的範例,在汽輪機葉片的加工中得到（dào）了較好的（de）應用,大大降低了機床（chuáng）的成本,從而使我國的汽輪機葉片製造技（jì）術（shù）趕上了國際（jì）先進水平,並促進電力、飛機（jī）和軍工（gōng）行業的發展,對促進經濟發（fā）展和國防（fáng）建設具有重大意義。