0引（yǐn）言
 
      葉（yè）片是（shì）汽輪機的核心關鍵零件，是汽（qì）輪機的（de）心髒，葉片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。隨著汽輪機設（shè）計要求的提高（gāo），葉片形（xíng）狀複雜，葉（yè）片加工要求也越來越高（gāo），特別是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（piàn）加工方式加工（gōng）工藝（yì）原始（shǐ）、加工手段落後，工人勞動負荷大，作業環（huán）境惡劣，生產效率很難提高，加工質量難以（yǐ）保證。因（yīn）此研究汽輪機葉片製造新技術、新工藝（yì）已勢在必行，本文主要研究汽輪（lún）機葉片加工的新的工藝方案和加工手段，探討了汽輪機（jī）葉片的數控加工技術。
 
      1汽輪機葉片結構特點分析
 
      1.1汽輪機葉片結構組成及（jí）其作用
 
      汽輪機葉（yè）片按功能作用的（de）不同（tóng）可分為動葉片（piàn）（如圖1所示）和靜葉片（如圖2所（suǒ）示）兩種。
 
      動（dòng）葉片安裝在轉子葉輪或轉（zhuǎn）鼓上，接受噴嘴葉柵射出（chū）的高速汽流，把（bǎ）蒸（zhēng）汽的動能轉換為機械
能，使轉子旋轉。葉片裝於轉子上如圖3所示。動葉片與汽輪（lún）機轉子相連接並隨轉子一（yī）起轉動，是將汽流的動能轉（zhuǎn）換為有用功的極其重要的零件；靜葉（yè）片（piàn）（又稱導葉）與汽輪機靜子相連（lián）接處於不動狀態，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（lǜ）的汽輪機中，處於不同級的葉片因（yīn）工作條件不同，動葉片與靜葉片具有各不（bú）相同的結構、尺寸及固定方法。

      動葉片的結構主要由葉身（葉型）、葉根、葉冠（葉頂）等組（zǔ）成，如圖（tú）1所（suǒ）示。
 
      1）葉身：葉身是葉片（piàn）的基本工作（zuò）部分，又稱為葉身型麵，葉身結構複雜，多為扭轉自由曲麵。如（rú）圖4所示（shì）為葉片型麵，葉身型麵分為內型（xíng）麵（或（huò）內弧）、背型麵（或背弧）、進汽（qì）邊圓角、出汽邊圓（yuán）角、葉（yè）根圓角、葉冠圓（yuán）角、拉筋等幾個部分（fèn），如圖1所示。葉身型麵是由若幹個截麵型線擬合而（ér）成的光（guāng）滑複雜曲麵，由（yóu）一組等距或不等距平行截麵型線（xiàn）組成的空間扭曲麵（miàn），其中葉身部分的（de）橫截麵稱為葉型，其每一個橫截麵（miàn）邊緣（yuán）叫型線，如圖5所示，一條葉片截麵型線（xiàn）由葉盆曲線內弧）、葉背曲線（背弧）、進汽邊曲線（xiàn）和（hé）出（chū）汽（qì）邊曲線四條曲線組成，型線的（de）結構決定葉（yè）片的工作情況，有的型麵為彎扭變截麵或等截麵彎扭曲麵。

  
      葉身可分（fèn）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（bú）變化，是（shì）等（děng）截麵葉片。扭葉片是葉根到葉冠的型線不規則，是變截麵葉（yè）片。由於葉（yè）片型麵是由複雜的自由（yóu）曲麵組成,幾何精度要求高,傳統（tǒng）的加工方（fāng）法無法滿足葉片加工的精度要求，因而其型麵的加工是製約葉片生產效率和產品質量提高的瓶頸。

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

      因此要求它與輪（lún）緣配合部分要（yào）有足夠（gòu）的強度且（qiě）應力集中要小。常見的（de）葉（yè）片的葉根結（jié）構形（xíng）狀如圖7（所示，可以分為（wéi）：叉形（直叉）、階梯叉（等強度）、榫（sǔn）齒形、T形、菌形和縱（zòng）樹形（如（rú）圖6所示）等。

  
      3）葉冠：葉片外端的固定則稱為葉冠。汽輪機的葉冠部分通常裝有圍帶，它將若幹個葉片聯接成葉片組，圍帶的主要作用是：（1）用圍帶聯接後，使（shǐ）葉片剛（gāng）性增加；（2）可以改變葉（yè）片的自振頻率，從而避開共振；能減小葉片（piàn）的振幅，提高（gāo）葉片的抗振性；（3）可以使葉片構成封閉槽道；並（bìng）可裝置圍帶汽封，減少葉片頂部的漏汽損失。
 
      葉片汽道的進、出汽邊較薄，葉冠、葉根圓角較（jiào）小。
 
      1.2汽（qì）輪機葉片與（yǔ）葉輪（lún）的裝配
 
      如圖8所示（shì）葉輪的結構一般由輪緣、輪體(輪（lún）麵)和輪殼三部分組（zǔ）成。輪（lún）緣用來固定葉片，其具體結構與（yǔ）葉片的（de）受力情況及葉根形狀有關；輪殼是葉輪套於主軸上的配合部（bù）分（fèn），其（qí）結構取決於葉輪在主軸上的套裝方式，為了保證輪殼有足夠的強度，輪（lún）殼部分一般都要加厚。輪體（tǐ）是葉輪的中間部分，它起（qǐ）著連接輪緣與（yǔ）輪殼的作用，其斷麵應根據受力情況（kuàng）來確定。葉（yè）輪按其輪體（tǐ）的（de）斷麵型線可分為以（yǐ）下（xià）四種：等厚（hòu）度葉輪、雙曲線葉輪、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（shì）。

      2汽輪機葉（yè）片CAD/CAM技術工作流程

      汽輪（lún）機葉片（piàn）的三（sān）維實體（tǐ）造型（xíng）和數控加工程（chéng）序的編製是葉片加工關（guān）鍵技術。目前，CAD/CAM軟件的發展，如PrO/E、UG、Soliderworks等相（xiàng）關三維軟件的發展使得葉片設計擺脫了傳統的二維設計和手工繪（huì）圖，用（yòng）三（sān）維軟件進行葉片設計，克服（fú）常規設計的（de）不足，提高了設計效率（lǜ），縮短汽輪機（jī）葉片的開發周期。通過CAD/CAM軟件根據三維造型生（shēng）成數控加工指令，對實體（tǐ）模型進行模（mó）擬仿真加工，確定（dìng）加工刀具（jù）路徑（jìng）、加工參數和刀具補償（cháng）的方法，然後生成數控機床（如加工中心）可（kě）識別的NC程序輸入數控機床進行葉片數控加（jiā）工。如圖（tú）10為汽輪機葉（yè）片CAD/CAM技術工作流程圖。其中例如采用基（jī）於Pro/E軟件對葉片（piàn）的三維造型步驟如圖11所示。 

 

     

  
      汽輪機葉片的結構一般比較複雜，其三維（wéi）建模過程也相對（duì）複雜。葉片的三維建模主要（yào）分（fèn）為葉身型（xíng）麵、葉根和葉冠建模等部分。首先（xiān）進行葉身造型，其次進行葉根和葉冠造型，然（rán）後再將三者進行布（bù）爾運算相加到一起，最（zuì）後進行（háng）附加結構的設計，這樣（yàng）便可形成（chéng）一個完整的葉片（piàn）。數控加工程（chéng）序的編製是根據葉片三維模型的（de）尺寸關係（xì）確定的，所以葉片三維模型建立的好壞，直接影響到數控加工（gōng）程序的編製，最終也就影響到葉片的加工質量。通過CAD/CAM軟件（jiàn）（如Pro/E、UG等）進行（háng）葉片的三維建（jiàn）模實（shí）例：如圖12為某動葉片基於Pro/E某T形葉根的葉片三維造型（xíng）圖，如圖13為基於UG某菌形葉根的葉片三維造型圖（tú）。

      根據葉片零件圖，分析葉片的具體結（jié）構，確（què）定葉片數控加工內容：主要有葉型曲麵（內（nèi）弧、背弧），進汽邊圓角、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角等的加工。可將葉片加工分為四個大的（de）加工區（qū）域：1）基準麵加工區。在該區域內（nèi）采用四坐標（或三坐標）臥式加工中心，同時加（jiā）工出所有的基準麵，如：葉根和（hé）葉頂的（de）背麵（miàn）（或背徑向麵（miàn））、葉根兩側麵、葉根端麵、內徑（jìng）向麵及葉頂頂針孔等。2）汽道型麵加工區。在此區（qū）域內采用五（wǔ）坐標五（wǔ）聯動加工中心，一次完成整（zhěng）個汽道型（xíng）麵加工，以代替在普通機床上多工序完成的工（gōng）作，可大大提高（gāo）加工（gōng）效率和質量。3）葉根加工區。在此區域內完成葉根的（de）加工，由於葉根品種多、變化大，要按不同的類型采用不（bú）同的機床和銑刀型式進行加工。4）葉冠（guàn）加工區。在此區域內采用三坐標立式或臥式（shì）加工中心加（jiā）工鉚釘頭、葉頂加厚截麵等部位。
 
      葉（yè）片數控加工應正確地選擇葉（yè）型曲麵加工方（fāng）案。在數控銑床、加工（gōng）中心上加工葉片汽道型（xíng）麵時，為了避免刀具與被（bèi）加工型麵間（jiān）發生幹涉，刀具一般選用球頭銑刀，葉型曲麵加（jiā）工方案常使用兩種加工方案：1）如圖15(a)葉（yè）片回轉加工即（jí）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（zhóu）來參（cān）與聯動，加工時工件葉片回轉，刀具沿工件葉片截麵（miàn）型線切削一周，橫向進刀後（hòu）再切削下一周。這（zhè）種方案符合零件數據給出情況（kuàng），便於加工後檢驗（yàn）。由於葉型是光（guāng）滑連續的曲麵，所以用一（yī）刀成形的方法，生成沿（yán）型（xíng）線連續的（de）刀具軌（guǐ）跡，一次加工出（chū）內弧和背（bèi）弧。葉型（xíng）的準確度高，葉型表麵加工質量（liàng）較好。但要求刀軌的步長較小，否則在加工背弧（hú）時會出現過切現象，因此數控程序較長，加工效率（lǜ）相對較低。2）如圖（tú）15(b)沿著（zhe）葉片的輻射（shè）線方向加（jiā）工，葉片不回轉加（jiā）工即（jí）刀具沿著葉片軸線加工。這種方（fāng）案加工（gōng）時每次近似沿直線加（jiā）工，由於葉片型麵在輻射方向上的曲率半徑要遠（yuǎn）大於截麵方（fāng）向（xiàng），因此刀軌（guǐ）可采用較大的步長，而且一般不會出現過（guò）切現象，加工程序短，切削加工的效率較高，但表麵加工質量較差。

      在數控加工（gōng）前，可以通（tōng）過CAD/CAM軟件進行自動編程，並模擬仿真加工，這樣（yàng），可（kě）以減少（shǎo）試加工時間，並減少不必要的損失。現在葉片製（zhì）造（zào）通過改（gǎi）進工藝，將去毛坯餘量工（gōng）序改在普通機床上完成（chéng），縮短葉片在（zài）數（shù）控機床上的加工工時，盡量利用數控機床加工精度高的（de）特性，完成葉（yè）片型麵的（de）精加工工序。
 
      3.2汽輪機（jī）葉（yè）片的數控加工編（biān）程步驟
 
      隨著CAD/CAM技術的發展，數控自動編程技（jì）術能直接將（jiāng）零（líng）件的幾何信息轉（zhuǎn）化為數控加工程序，給汽輪機葉片（piàn）的數控加工程序的編製帶（dài）來了很大（dà）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括如下內容：1）葉片零（líng）件三維造型；2）確定葉片數控加工工藝（yì）方（fāng）案，選定數控機床、刀具、夾具和量具等；3）刀位計算並生成刀具運動軌跡；4）刀具運動軌跡加工仿真、幹涉校驗和編輯，並（bìng）可以將加工數據和信（xìn）息生成刀位源文件（jiàn），刀位源文件主要包括刀具（jù）信息、加工坐標係信息、刀具位置和姿態（tài）信息以及各種加工輔助命令信息等；5）上（shàng）述生成的刀位源文件還需要經過（guò）後置處理器，轉（zhuǎn）變（biàn）為機床能（néng）夠接受的數控程序，通過後置處理程序將刀位文件轉換（huàn）成（chéng）為數控機床可讀（dú）的（de）ＮＣ代碼（mǎ）。在（zài）交互操作過程中，在圖形方式下交互編輯刀（dāo）具路徑，生成適合具體（tǐ）機床的數控加工程序。
 
      在（zài）編製數控加工程序時，本著基準（zhǔn）統一、減少走刀次數的原則，把（bǎ）葉片葉身型麵、葉冠與葉根（gēn）圓角、進、出汽邊（biān）圓角的數（shù）控加工程序編製在一起。在葉片的加工（gōng）中根據工藝的需要，一般選（xuǎn）擇葉根的中心軸線為加工坐標（biāo）係的零點。由於目前葉片葉身型麵設計越來越複雜，精（jīng）度要求越來越高，因此數控（kòng）加工（gōng）程序也越來越複雜，出現錯誤的概（gài）率也隨之（zhī）增加（jiā）。
 
      通常情況下，如果加工程序編製不恰當，可（kě）能出現下列問題：1）加工方案（àn）不合理，影（yǐng）響加工效率（lǜ）；2）刀具參數設置不當（dāng），如刀具半徑選擇過大，零件加工（gōng）不完全，出現大的（de）殘留；刀具（jù）半徑（jìng）選擇過小，切削效率較低；3）刀具與工件（jiàn）之（zhī）間（jiān）發生（shēng）幹涉或碰撞；4）刀具走刀路線、進退刀的方式不合理；5）刀（dāo）位軌跡不正確，零件（jiàn）外形或（huò）尺寸（cùn）錯誤；6）切（qiē）削（xuē）參數選擇不當，如主（zhǔ）軸轉速、進給速度、步距等選擇不合適（shì）；7）加工過程中刀具與工件之間發生過切現象；8）零點選擇不恰當，無法找到對刀點。這（zhè）些問題的（de）出現往往會給（gěi）實際零件的加工造成很多麻煩，諸如重新編製加工程（chéng）序、加（jiā）工後必須打磨零件、返修零件或工裝、零件報（bào）廢和延遲（chí）產（chǎn）品交付等。這樣會從根本上削弱數控（kòng）加工技術的（de）可靠性並影響其推廣應用。因此數控（kòng）加工程序的實（shí）現、質量、效率很大程度上取決於所編程序（xù）的合理性，為避免上述問題出現，可利用UG或Pro/E軟件加工仿真功能，可預先模仿加工過程，檢查是（shì）否出現（xiàn）上述（shù）問（wèn）題（tí），這樣在正式加工前就可以發現問題，從而可提高加工準（zhǔn）備效率，縮短程序調試（shì）周期，加快（kuài）生產過程。
 
      隨（suí）著機床技術的發展，數控機床日益廣泛地應用於葉片（piàn）加工。總之，采用數控機床進（jìn）行葉片數控加工的主要優越性表（biǎo）現在：1）能提高葉片加工質量（liàng），保（bǎo）證（zhèng）葉片型線更接近理論葉（yè）型。一（yī）次裝夾完成多道工序，可減少裝夾次數（shù）、基準統一，這樣不（bú）僅可提高勞動（dòng）生產率，更（gèng）重要（yào）的是可減少裝夾和定位誤（wù）差，大大提高加工質量。2）能提高葉（yè）片加工效率。采用（yòng）五坐標加工中心加工汽（qì）道型麵，工序集中、工裝（zhuāng）少（shǎo）、效率高、精（jīng）度高。3）采用加（jiā）工中心加工葉片可以完成結構更複雜的葉片加工，如帶冠彎扭葉片等（děng），有效的解決了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。
 
      通過基於數控機床的汽輪機葉片的數控加工生產實踐證明（míng），葉片（piàn）加工質量好，葉片加工（gōng）效（xiào）率高，較好地解決了葉片批量生產（chǎn）的質量和效率問題，在生產中（zhōng）取得了很好的效果，這為葉片等具有（yǒu）複雜曲麵的零件加工提供了一種新的工藝方（fāng）案和加工思路。
 
      4結束語
 
      本課題著重介紹運用Pro/E、UG等軟（ruǎn）件（jiàn）對汽輪（lún）機葉片進行三維造型和數控加工編（biān）程生（shēng）成,為葉（yè）片的數字（zì）化設計製造(包（bāo）括葉片（piàn）型麵的參數化設計、葉片型麵數控編程及型麵測具設計)提供強大的技術支持,也為今後對汽輪機葉片動態性能及疲勞損壞形式等的CAE分析奠定技術基礎。
 
      隨著汽輪機葉（yè）片加工要求的提高（gāo），加工誤差的分（fèn）析（xī）研究（jiū）就顯得越發重要，尤其是葉片加工中的變形問題。必須尋求（qiú）有效的方式減少加工（gōng）中的變（biàn）形。比如，可以將機床（chuáng）的回（huí）轉工作台改（gǎi）為雙軸同步驅（qū）動，減少單（dān）側驅動所產生的（de）扭轉變形；加工時葉片零件裝夾方式可以由頂（dǐng）尖壓緊改為拉伸的裝夾方式，給葉（yè）片預加拉力，減少加工中因切削力作用所產生的變形等。如何減少汽輪機葉片加工的誤差，提高葉片的加工精度，提高加工效率，獲得（dé）葉片良好（hǎo）的整體（tǐ）性能，是一個十分有意義的研究課題。
 
      在葉（yè）片的加（jiā）工過程中正確地選擇合理的加工工藝基準，確定合理的工藝（yì）流（liú）程和加工方法，設計（jì）合理（lǐ）可（kě）靠適用的工藝（yì）裝備，研究設（shè）計嚴密可靠（kào）的測量方（fāng）法，才（cái）能保證加工出合格（gé）的葉片。葉（yè）片數（shù）控加工（gōng）的刀具耐用度與切削用量之間不是單純的函數關係，必須找（zhǎo）出其最（zuì）佳組合，即（jí）優化切削用量。同時選好銑削刀具，提高切（qiē）削參數，完善優（yōu）化數控程序設計，用足用好數控機床，充分發揮其（qí）經濟效益，為加工汽（qì）輪（lún）機葉片開創新的工藝思路。
 
      目前葉片的（de）加工一般使用多軸（3、4、5軸）加工中心代替（tì）傳統的加工方法，新型五軸聯動加（jiā）工中心可以加工一般（bān）三（sān）軸數（shù）控機床（chuáng）所（suǒ）不能加工行或很難（nán）一次裝夾完成加工的連續（xù）、平滑的自（zì）由曲麵。國產新（xīn）型五軸聯動加工中心的（de）研（yán）製成功，給汽輪（lún）機葉片的數控加工帶來了（le）新的飛越，在汽輪機葉片的加工中得到了較好的應用，葉片型麵加工工藝得到了（le）很大的改進，工藝方法更為靈活，提高了葉片加工生產（chǎn）率和加工質量，減輕了勞動強度，從而使我國的汽輪機葉（yè）片製造技術趕上了國際先進水平，並促進電力、飛機和軍工業的發展，對促進經濟發展和國防建設具（jù）有重大意義。