0引言
 
      葉片是汽輪機的核心關鍵零（líng）件，是汽輪機的心髒（zāng），葉片加工質量的好壞直（zhí）接影（yǐng）響（xiǎng）到汽輪機的工作效率以及可靠性。隨著汽輪（lún）機設計要求的提高，葉片形狀複雜（zá），葉片加（jiā）工要（yào）求也越來越高，特（tè）別是葉片型麵加（jiā）工（gōng）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工藝原始、加工手段落後，工人勞動負荷大，作業環境（jìng）惡劣，生產效率很難提（tí）高，加工質量（liàng）難以保證（zhèng）。因此（cǐ）研（yán）究汽輪機葉片製造新技術、新工藝已勢在必行，本文主要研究汽輪機葉片加（jiā）工的新的工藝方案和加工手段，探討了汽輪（lún）機葉片的數控加工技術。
 
      1汽輪機葉片（piàn）結構特點分析
 
      1.1汽輪機葉（yè）片結構組（zǔ）成及其作（zuò）用
 
      汽輪機葉（yè）片（piàn）按（àn）功能作用的（de）不同（tóng）可分為動葉片（如圖（tú）1所示）和靜葉片（如圖2所示）兩種。
 
      動葉片安裝（zhuāng）在轉子葉輪或轉鼓上，接受噴（pēn）嘴葉柵射出的高速汽流，把（bǎ）蒸汽（qì）的動能轉換為機械
能，使轉子旋轉。葉片（piàn）裝於（yú）轉子上如圖3所示。動（dòng）葉片與汽輪機轉子相連接（jiē）並隨轉子一起轉動（dòng），是將汽流的（de）動能轉換為有用功的極其重要的零件（jiàn）；靜葉片（又稱導（dǎo）葉）與汽（qì）輪機靜子相連接處於（yú）不（bú）動狀態，作導（dǎo）向葉片，其（qí）主要作用是（shì）改變汽流的方（fāng）向，引導蒸汽進入下一列動葉片。不同功率的汽輪機中，處（chù）於不同級的葉片因工作條件不同，動葉片與靜葉片具（jù）有各（gè）不相同的結構、尺寸及固定方法。

      動葉（yè）片的結構主要由葉身（葉型）、葉根、葉冠（葉頂）等組成，如圖1所示。
 
      1）葉身：葉身是（shì）葉片的基本工作部分，又稱為葉身型麵，葉身結構複雜，多（duō）為扭轉自由曲麵。如圖4所示（shì）為葉片型麵，葉身型麵分為內型麵（或內（nèi）弧）、背型麵（或背弧）、進汽邊圓角、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等幾個部分，如圖1所示。葉身型麵是由若幹個截麵型（xíng）線（xiàn）擬合而成（chéng）的光滑複雜曲麵，由一組（zǔ）等（děng）距或不等距平行截麵（miàn）型（xíng）線組成的空間扭曲麵，其中葉身部分的橫截麵稱（chēng）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（piàn）截麵型線由葉盆曲線內弧（hú））、葉背曲線（背弧）、進汽邊曲線（xiàn）和出汽邊曲線四條曲線組成，型線的結構決定葉片的工作情（qíng）況，有的型麵為彎扭變截麵或等截麵彎扭曲麵。

  
      葉身可分為（wéi）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（biàn）化，是等截（jié）麵葉片。扭葉片是葉根到葉冠（guàn）的型線（xiàn）不規則，是變截麵葉（yè）片。由於葉片型麵是由複雜的自由曲麵組成,幾何精度要求高,傳（chuán）統的加工方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（chǎn）效率和產（chǎn）品質量提高的瓶頸。

      2）葉根：葉片通過葉根牢靠地固定在葉輪上，保證在任（rèn）何條件下葉片不（bú）會鬆動。葉根的作用是（shì）緊固動葉片，使其在經受（shòu）汽流的推力和旋轉離心力（lì）作用下，不至於從輪緣溝槽裏拔出來。

      因此要求它與輪緣配合部分要有足夠的（de）強度且應力集中要小。常見的葉片的葉根（gēn）結構形狀如圖7（所示，可以分為：叉形（直叉（chā））、階梯（tī）叉（等強度）、榫齒形、T形（xíng）、菌形和（hé）縱樹形（如圖6所（suǒ）示）等。

  
      3）葉冠：葉片外端的固定則（zé）稱為葉冠。汽輪機的葉冠部（bù）分通常裝有圍帶，它（tā）將若幹（gàn）個葉片聯接成葉（yè）片組，圍帶的主要作用是：（1）用圍帶聯接後（hòu），使葉片剛性增加（jiā）；（2）可以（yǐ）改變葉片（piàn）的自振（zhèn）頻率，從而避開共振；能減小葉片（piàn）的振幅，提高葉片的抗振性；（3）可以使（shǐ）葉片構成封閉槽道；並可裝置圍帶汽（qì）封（fēng），減少（shǎo）葉片頂（dǐng）部的漏汽損失。
 
      葉片汽（qì）道（dào）的進、出汽（qì）邊較薄，葉冠、葉根（gēn）圓角較小。
 
      1.2汽輪機葉（yè）片與葉輪的裝配
 
      如圖8所示葉輪（lún）的結構一般由輪緣、輪體(輪（lún）麵)和輪（lún）殼三部分組成。輪緣用（yòng）來固定葉片（piàn），其具體結構（gòu）與（yǔ）葉片的受力情況及（jí）葉根形（xíng）狀有關；輪殼是葉輪套於主軸上的配合部分，其結（jié）構取決於葉輪在主軸上的套裝（zhuāng）方式，為（wéi）了保證輪殼有足（zú）夠的強度（dù），輪殼部分一般都要加厚。輪體是葉輪的中間部分，它起著（zhe）連接輪緣與輪殼的作用，其（qí）斷麵應根據受力情況來確定。葉輪按其（qí）輪體（tǐ）的斷麵型線（xiàn）可分為以下四種：等厚度葉輪（lún）、雙曲線（xiàn）葉輪、錐形（xíng）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技術工作流程

      汽輪機葉片的（de）三維實體造型和數控加工程序的編製是葉片加工關鍵技術。目前，CAD/CAM軟件的發展（zhǎn），如PrO/E、UG、Soliderworks等（děng）相關三維軟件的發展使得葉片設計擺脫了傳統的二（èr）維設（shè）計和（hé）手工繪圖，用三維軟件進行葉片設計，克服常規設（shè）計的不足，提高了（le）設計效率，縮短汽輪機葉片（piàn）的開發周期。通過（guò）CAD/CAM軟件根據三（sān）維造型生成數控加（jiā）工指令，對實體模型（xíng）進行模擬仿真加工，確定加工刀具路徑、加工參數和刀具（jù）補償的方法，然後生（shēng）成數控機（jī）床（如加（jiā）工中心）可（kě）識別的NC程序輸入數控機床進行葉片數控加工。如圖（tú）10為汽輪機葉（yè）片（piàn）CAD/CAM技術工（gōng）作流程圖。其中例如采用基於Pro/E軟件對葉片的三（sān）維造型步驟（zhòu）如圖11所示。 

 

     

  
      汽輪機葉片的結（jié）構（gòu）一般（bān）比較複（fù）雜，其三維建模過程也相對複雜。葉片的三維建模主要分為葉身（shēn）型麵、葉根和葉冠建模等部分。首先進行葉身造型，其次進行葉根和葉冠造型，然後再將三者進行布爾運算相加到一起，最（zuì）後進（jìn）行附（fù）加結構的設計，這樣便可形成一個完整（zhěng）的葉片。數控加工程序的編製是根據葉（yè）片三維模（mó）型的尺（chǐ）寸關係確定的，所以葉片（piàn）三維模型建立的好壞，直接影（yǐng）響（xiǎng）到數（shù）控加工程序的編製，最終也就影響到葉片的加工質量（liàng）。通過CAD/CAM軟件（如Pro/E、UG等）進（jìn）行葉片的三維建模實例：如圖12為某動葉片基於Pro/E某T形葉根的葉片三維造型圖，如圖（tú）13為基於UG某菌形葉根的葉片三維造型圖。

      根據葉片零件圖，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），進汽邊圓角、出汽（qì）邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角等的加工。可將葉片加工（gōng）分為四個大（dà）的加工區域（yù）：1）基準麵加工區（qū）。在該區域內采用（yòng）四坐標（biāo）（或三坐標）臥式加工中心，同時加工出所（suǒ）有的基準麵，如：葉根和葉頂的背麵（或背徑向麵）、葉根兩側麵、葉（yè）根端麵、內徑（jìng）向麵及葉頂頂針（zhēn）孔等。2）汽道型麵加工區。在此區域內采用五坐標五聯動加工中心，一（yī）次完成整個汽道型麵加工，以（yǐ）代替在普通機床上多工序完成的工作，可大大提高加工效率和質量。3）葉根加工（gōng）區。在此區域（yù）內（nèi）完成葉根的加工，由於葉根品種（zhǒng）多、變（biàn）化大，要按不同的（de）類型采用不同的機床和銑刀型式（shì）進行加工。4）葉冠加工區。在此區域內采用三坐標立式或臥式加工中（zhōng）心加工鉚釘頭、葉（yè）頂加厚截麵等部（bù）位。
 
      葉片數控加（jiā）工應正確地選擇葉型曲麵加工方案。在數控銑床、加工中心上加工葉片汽道型（xíng）麵時，為了避免（miǎn）刀具與被加工型麵間發（fā）生幹涉，刀具一般選用（yòng）球（qiú）頭銑刀，葉型曲麵加工方案常使用兩種加（jiā）工方案：1）如圖15(a)葉片回轉加工即刀具沿著葉片截麵型線方向（xiàng）加工，數控（kòng）機（jī）床必需增加一個轉動軸（zhóu）來參與聯（lián）動，加工時工件葉片回轉，刀具沿工件葉片截（jié）麵型線切削一周，橫向進刀後再切削下一（yī）周。這種方（fāng）案符（fú）合零件數據給出情況，便於加工後檢驗。由（yóu）於葉型是光滑連續（xù）的曲麵，所以用一刀成形的方法，生成沿型線連續的刀具軌跡，一次（cì）加工出內弧（hú）和背弧。葉型的（de）準確度高，葉型表麵加工質量較好。但要求（qiú）刀軌（guǐ）的步長較小，否則在加（jiā）工背弧時會出現過切現（xiàn）象，因此（cǐ）數（shù）控程序較長，加工效率相對較低。2）如圖（tú）15(b)沿著葉片的輻射線方向加工，葉片不回轉加工即（jí）刀具沿著葉片軸線加（jiā）工。這種方案加工時每次近似沿直線加工，由於葉片型麵在輻（fú）射方向上的曲率（lǜ）半徑要遠大於截麵方向，因此（cǐ）刀軌可采用較大的步長，而且一般（bān）不會出現過切現象，加工程序短，切削加工的效率較高，但（dàn）表麵（miàn）加工質量較差。

      在數控加工前，可以通過CAD/CAM軟件進行自動編程（chéng），並模擬仿真加工，這樣，可以減少試加工時（shí）間，並減少（shǎo）不必（bì）要的損失。現在葉片製造通過改（gǎi）進工（gōng）藝，將去毛坯餘量（liàng）工序（xù）改在普通機床上完成（chéng），縮短葉（yè）片在數控機床上的加工工時，盡（jìn）量利用數控機床（chuáng）加工精度高的特性，完成葉片型麵的精加工工序（xù）。
 
      3.2汽（qì）輪機葉片的數控（kòng）加（jiā）工編程步驟（zhòu）
 
      隨著CAD/CAM技術的發（fā）展，數控自動編程技術能直（zhí）接將零件的幾何（hé）信息轉化為數控加工程序，給汽輪機葉片的數控（kòng）加工程序的編（biān）製帶來了（le）很大的方便。基於UG或Pro/E軟件（jiàn）的葉片數控加工編程主要步驟包括如下內容：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（hé）編輯，並可以將加（jiā）工數據（jù）和信息生成刀位源文件，刀位源文件主要包括刀具信息、加工坐標係信（xìn）息、刀具位置和姿態信息以及各種加工輔助命令信息等；5）上述生成的刀（dāo）位源文件還需要經過後置處理器，轉變為機床能夠接受的數控程序，通過（guò）後置處理程序將（jiāng）刀位文件轉換成為數控機床可讀（dú）的（de）ＮＣ代碼。在交互操作過程中，在圖（tú）形方式下交（jiāo）互編（biān）輯刀具路徑，生成適合具（jù）體機床的（de）數控加工程序。
 
      在編製（zhì）數控加工程序（xù）時（shí），本著基準統一、減少（shǎo）走刀次數的原則，把葉片葉身型麵、葉冠與葉根圓角（jiǎo）、進、出（chū）汽邊圓（yuán）角的數控加工（gōng）程序編製在一起（qǐ）。在葉（yè）片的加工中根據工（gōng）藝的需（xū）要，一般選擇葉根（gēn）的中心軸線為加（jiā）工坐標係的零（líng）點。由於目（mù）前葉片葉身（shēn）型麵設計（jì）越來越複（fù）雜，精度要求越來越高，因此數控加工程序（xù）也越來（lái）越複雜，出現錯（cuò）誤的概率也隨（suí）之增加。
 
      通常情況下（xià），如果加工程序編製不恰當，可能出現下（xià）列問題：1）加工方案不合理，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（líng）件加工（gōng）不（bú）完（wán）全，出現大的殘留；刀具半徑選擇過小，切削效率較低；3）刀具與工件之間發生幹涉或碰（pèng）撞；4）刀具走刀路線、進退刀的方式不（bú）合理；5）刀位軌跡不正確，零件外形或尺寸錯誤；6）切削參數選擇不當，如主軸轉速、進給速（sù）度、步距等（děng）選擇不合適；7）加工過程中刀具與（yǔ）工件之間發生過切現象；8）零點選（xuǎn）擇不恰當，無法找到對刀點。這些問題的出現往往會給實（shí）際零件（jiàn）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（líng）件、返（fǎn）修（xiū）零件或工裝、零件報廢和延遲產品交付等。這樣會從根本上削弱數控加工技術的可（kě）靠性並影響其推廣應用。因此數控（kòng）加（jiā）工程（chéng）序的實現、質量、效率很大程度上取決於所（suǒ）編程序的合理性，為（wéi）避（bì）免上述問題出現，可利用UG或（huò）Pro/E軟件加工仿真功（gōng）能，可預先模（mó）仿（fǎng）加工過程，檢查是否出現上（shàng）述問題，這樣在正式加工前就可以發現（xiàn）問題，從而可提高加工準（zhǔn）備效率，縮短程序調試周（zhōu）期，加快生（shēng）產過（guò）程。
 
      隨著機床技術的發展，數控機床日益廣泛地應用於葉片加（jiā）工。總之，采用數控機床進行葉片數控加工的（de）主要優越性表現在：1）能提高（gāo）葉片加工質（zhì）量，保證葉片型線更接近理論葉型。一次裝夾完成多道工序，可減（jiǎn）少裝夾次（cì）數、基準統一，這樣不（bú）僅可提高（gāo）勞動生產率，更重要的是可減少裝夾和定位誤差，大大提高加工質量。2）能提高葉片加工效率。采用五坐標加工中（zhōng）心加工汽（qì）道（dào）型（xíng）麵（miàn），工（gōng）序集（jí）中、工裝少、效率高、精度高。3）采（cǎi）用加工中心加工葉片可以完成（chéng）結構更（gèng）複雜的葉片加工，如（rú）帶冠彎扭葉片等，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（tōng）過基於數控機床的汽輪機葉片的數控加工生產（chǎn）實踐證明，葉片（piàn）加工質量好，葉片加工效率高，較好地解決了葉片批量生（shēng）產的質量和效率（lǜ）問題，在生產中取得了很好的效（xiào）果，這為葉片（piàn）等具有複雜曲麵的零件加工提供了一種新的工（gōng）藝方（fāng）案（àn）和加工思（sī）路。
 
      4結束語
 
      本課題（tí）著重介紹運用Pro/E、UG等軟件對汽輪機葉（yè）片進行三維造型和數控加工編程生成,為葉（yè）片的數字化設（shè）計製（zhì）造(包括葉片型麵的參數化設（shè）計、葉片（piàn）型麵數控編程及型麵測（cè）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。
 
      隨著汽輪機葉片加（jiā）工要求的提高，加工誤差的分析（xī）研究就顯得越發重（chóng）要，尤其是葉（yè）片加工中的變（biàn）形問題。必須尋求有效的方式減少加工中的變形。比如，可以（yǐ）將機（jī）床的回（huí）轉工作台（tái）改為雙軸同步驅（qū）動，減少單側（cè）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，給葉片預加拉力（lì），減少加工中因切削力作用所產生（shēng）的變形等（děng）。如何減少汽輪機葉片加工的誤差，提高（gāo）葉片的加工（gōng）精度，提高加（jiā）工（gōng）效率，獲得葉片（piàn）良好的整（zhěng）體性能（néng），是一個十分有意義的研究課題。
 
      在（zài）葉片的加工過程（chéng）中正確地選擇（zé）合理的加工工藝基準，確定合理的工藝流程和加工方法，設計合（hé）理可靠適用的工藝裝備，研究設計嚴密（mì）可靠的（de）測量方法，才能保證加工出合格的葉片。葉片（piàn）數控加工的刀具耐用度與切削用量之間不是單純的函數關（guān）係，必須找出（chū）其最佳組合，即優化切（qiē）削用量。同時選好銑削刀具，提高切削參數（shù），完善優化數控程序設計，用足用好數控機床，充分發揮其經（jīng）濟效益，為加工汽輪機（jī）葉（yè）片開創新的（de）工（gōng）藝思路。
 
      目（mù）前葉片的加工一般使用多軸（3、4、5軸）加工中心代替傳統（tǒng）的（de）加工方法，新型五軸聯動加工（gōng）中心可以（yǐ）加工一般三軸數控機床所不能加工行或很難（nán）一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲麵。國產新型五軸聯動加工中心的研製成功，給汽輪機葉片的數控加工帶來了新的飛越，在汽輪機葉片的加工（gōng）中（zhōng）得到了較好的應用，葉片型麵加工工藝得到了很大的改（gǎi）進，工藝方法（fǎ）更（gèng）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（qì）輪機葉片製造（zào）技（jì）術（shù）趕上了國際先進水平，並促進電力、飛機和（hé）軍（jun1）工業的發展，對促進經（jīng）濟發展和國防建設具有重大意義。