葉片是汽輪機的（de）核心關鍵零件,是汽輪機（jī）的心髒,葉片加（jiā）工質量的好壞直接影響到汽輪機的工作效率（lǜ）以及可靠性。隨著汽輪機設計要求（qiú）的提高,葉片（piàn）加工要（yào）求也越來越高,特別是葉片型麵加（jiā）工一直是汽輪機生產的瓶頸口,傳統（tǒng）的葉片加工方式其加工工藝原始、加工手段落後,工人勞動負荷大,作業環境惡劣,生產效率很難提高,加工質量難以保證。為此必須研究葉片加（jiā）工新的工藝方案和加工手段,作者主要探討了基於並（bìng）聯（lián）機床（chuáng）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（lún）機葉片（piàn）的方案是切實可行的。
 
      1  汽輪機葉片結構特點

      葉（yè）片是汽（qì）輪機（jī）極為（wéi）重要的零（líng）部（bù）件,葉片的製造水平直接影響到汽（qì）輪機的效率。按功能作用的不同,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。動葉片的結構主要由葉身型麵、葉根、葉冠、拉筋、中間體等組成。

  
      葉片的基本部分稱為葉身型麵,葉（yè）身結構複雜,多為扭轉自由曲（qǔ）麵（miàn）。葉身型麵分為內型麵(或內弧)、背型麵（miàn）(或背弧)、進（jìn）氣邊圓角、出氣邊（biān）圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等幾個部分。葉身型麵是（shì）由若（ruò）幹個截（jié）麵型線擬合而（ér）成（chéng）的光滑複雜（zá）曲麵,由一組等距或不等距平行截麵型（xíng）線組成的空間扭（niǔ）曲麵,其中（zhōng）葉（yè）身部分的橫截麵稱為葉型,其每一個（gè）橫截麵邊緣叫型線,一條型線由（yóu）進氣邊圓弧、背弧（hú）、出（chū）氣邊圓弧和內弧（hú）組成,型線的結構決定葉片的工作情況（kuàng）,有的型麵為彎扭（niǔ）變（biàn）截麵或等截麵（miàn）彎扭曲麵（miàn）。常見（jiàn）的葉根結構形式有菱形、T形、叉形和樅樹形等。外端的固定則稱（chēng）為葉冠。葉片氣道的進、出氣邊較薄,葉冠、葉根（gēn）圓角較（jiào）小。
 
      2 基於UG軟件（jiàn）葉片的三維建模
 
      葉片的結構一般比較複雜,其建模過程也相對複雜（zá）。葉片的三（sān）維（wéi）建模主（zhǔ）要分為葉身型麵、葉（yè）根和葉冠建模等（děng）部分。首先進行葉身造型,其次進行（háng）葉根（gēn）和葉冠造型,然後再將三者進行布爾運（yùn）算相加到一起,最（zuì）後進行（háng）附加結構的操作,這樣便可形成一個（gè）完整的葉片。數控程序的編製（zhì）是根據葉片模型的尺寸關係（xì）確（què）定的（de）,所以建立的葉片模型的好壞,直接影響到數控（kòng）加工（gōng）程序的編製（zhì）,最終也就影響到葉片的加工質量。通過CAD/CAM軟件(如Pro/E、UG、MasterCAM、CATIA、Soliderworks等)進行葉片（piàn）的三維建模。
 
      采用（yòng）UG軟件完（wán）成葉（yè）片的實體（tǐ）建模（mó）。圖（tú）1、2為某動葉片三維造（zào）型,如圖3、4為某靜葉片三維造型。葉片（piàn）型麵的原始設計數據一般是一係（xì）列的離散點或分段圓弧表示的截麵（miàn）型線,這就需（xū）要用曲麵擬合的方法在（zài）UG/Modeling模塊中生成光滑（huá）連續的曲麵。在葉片截麵（miàn）型線構造時,由（yóu）於離散點數量較多,輸入十分麻煩而且容易出錯,可以在CAD中（zhōng）事先處理,用樣條線擬合各個截麵型線,采集出許多控製點,在建模時將控製（zhì）點文件調入。對截麵不相同的型麵建（jiàn）模,首先構造各個（gè）截麵型線（xiàn）,然後用通過曲麵組命令（lìng）,依次選擇各截麵型線(選擇時要保證各個（gè）截麵的方向一致),最後用蒙皮法生（shēng）成葉型（xíng）曲麵。對截麵相同的型（xíng）麵建模,首先構造截麵以及生成線,然後用已掃掠（luě）命令,使（shǐ）截麵沿著生成線方向掃描(需（xū）要控製參（cān）考方向,保證各個截麵的形狀相同),形成型麵。
 
      葉根和（hé）葉冠的建模（mó）,由於兩者形狀相對規則,通過拉伸（shēn）、旋轉命令（lìng）即可完成特（tè）征的描（miáo）述,最後運用布（bù）爾運（yùn）算命令進行修（xiū）剪,得到葉根（gēn）及葉（yè）冠的（de）模型。
 
      3 葉片的數控加工工藝
 
      葉片是汽輪機的主要部件之一,尤其它的氣道部分決定了汽輪（lún）機的發電功率,直（zhí）接影響汽輪機產品的（de）質量（liàng）。葉片數控（kòng）加工是表（biǎo）征汽輪機製造（zào）技（jì）術達到現代先進製造水平的重要標（biāo）誌之一。國外已（yǐ）普遍采用數（shù）控設備加工葉片,因此葉（yè）片數控加工（gōng）技術的應用開發已勢在必（bì）行。數控加工葉片優越性:(1)能提高葉片加工質量,保證葉片型線（xiàn）更接近理論葉型;(2)提（tí）高葉片加工效（xiào）率;(3)降低了工人的勞動（dòng）強度。
 
      汽輪機葉（yè）片（piàn）的材料一般為不鏽鋼,為難加工材料,常用的有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等,這些材料強度高、韌性（xìng）大、熱硬性好、加工時（shí）極易變形,加工難度（dù）大。汽輪機葉片毛坯主要有3種:(1)鍛造（zào）毛坯;(2)方鋼毛坯;(3)精密鑄造毛坯。其中鍛造（zào）毛坯主要用於動葉片和結構簡單的靜葉片（piàn）的製（zhì）造;方鋼毛坯適用於整體尺寸較小(<300mm)的葉片（piàn）;精密鑄造毛坯主要用於結構（gòu）複（fù）雜的、鍛造工藝難（nán）以達到（dào）要求的、而（ér）機（jī）加工餘量較小的葉片。葉片切削（xuē）加工特性主要表現為:切削（xuē）力大,切削變形大,切削（xuē）熱大,刀片易磨損。
 
      隨著我國汽輪機行業的不斷發展,葉片的設計水平也在不斷的提高,主（zhǔ）要為變截麵扭曲葉（yè）片,葉片氣道型線部分是空間三坐標數據點（diǎn）,加工精度要求很（hěn）高,加工難度很大（dà）。由於（yú）葉片外形複雜,而且葉片種類變化多樣,多為扭轉曲麵,加（jiā）工工藝要求高,葉片機械加工工作量一般要（yào）占（zhàn）整台汽輪機冷（lěng）加工工時（shí）的25%~40%,需要多軸(如四、五軸)聯動的數控機床來加工。隨著（zhe）汽輪機葉（yè）片加工要求的不斷提高,對加工設備及（jí）工（gōng）藝技術水（shuǐ）平（píng）要求（qiú）很高。它要求（qiú）設備（bèi）要有更靈活的切削運動（dòng）,能實現多（duō）方位以及複合曲麵結構的加工,不僅要求機床加工時（shí）運行平穩,能實現高速加工（gōng）,而且要求機床具有高的運動加速度,提高加工效率,實現敏（mǐn）捷式加工。
 
      根據（jù）葉片零件（jiàn）圖,分析葉片的具體結構,確定（dìng）葉片數控加工內容:主要有葉型曲麵(內弧、背弧),進氣（qì）邊圓角、出氣邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角（jiǎo）等（děng）的加工。
 
      葉型曲（qǔ）麵的加工常用（yòng）兩種加工方案:(1)葉片不回轉加（jiā）工即刀具沿著葉片軸線加工。這樣加工近似沿直線加工,所以切削效率較高,但表麵加工質量較差;(2)葉片回轉加工（gōng）即刀具沿（yán）截麵型線加工。數控機床必需增加一個轉動軸來參與聯動,加工時工件（jiàn）葉片回轉,刀具沿工件葉片截麵型線切（qiē）削一周,橫向進刀（dāo）後再切削（xuē）下一周。這種方案加工效率相對（duì）較（jiào）低,且易出現過切,但葉（yè）型表麵加工質量較（jiào）好。由於（yú）葉型是光滑連續的（de）曲（qǔ）麵,所以用一刀（dāo）成（chéng）形的方法,生成沿（yán）型線連續的刀具軌跡,一次加（jiā）工出內弧（hú）和背弧。
 
      對葉根圓（yuán）角和葉冠圓角,則用側銑的方法加工（gōng）。葉片加工工藝過程如圖5。

      通過CAD/CAM軟件根據三維模型生成數控加工指令,對（duì）實體模型進行模擬加工,確定加工刀具（jù）路徑、加工參（cān）數和刀（dāo）具補償,然後生成數（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6為葉片CAD/CAM流程圖。

      4 並聯機床的結構與工作原理
 
      4.1並聯機（jī）床的結構特點

     
      並聯機床是新一（yī）代高性能機床,它是在Stewart平台（tái）的基礎上設計而（ér）成的。並聯機床的核心機構就是Stewart平台。Stewart是一種新型的、6自由度的（de）空間並聯結（jié）構,它由上下兩個平台和6個可獨立自由伸縮的杆件組成,伸縮杆和兩個平台通過虎克鉸（jiǎo）和球（qiú）鉸鏈進行連接。如圖（tú）7、8所示（shì）為基於Stewart機構的國內某公司生產的並聯加工中心HLNC5001的主（zhǔ）要結構,它是由一個定平台、一個動平台和（hé）6根驅動杆組成。驅動杆的一端通過虎克鉸（jiǎo）與（yǔ）定平台相連;另一端通過球鉸與動（dòng）平（píng）台（tái）相連。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),它用於安裝各個零部件,是機床的主體,對整個（gè）機床起到支撐作用;(2)6根伸縮杆（gǎn）,為動平台的各種運動提供動力,通（tōng）過改變伸縮杆（gǎn）的長度來控製動平台的位姿（zī）,以滿足加工需要（yào）;(3)動平台,用於安裝主軸部件,同時也是6根杆的控製對象;(4)主軸部件（jiàn）,其主要部分為電主軸（zhóu）,提供切削時的（de）刀具動力;(5)刀（dāo）頭點,它是數控（kòng）係統的（de）控製點,利用刀頭點作（zuò）為控製（zhì）點（diǎn）,可以形成全閉環控製,可以對彈性變形以及振動引起的（de）誤（wù）差進（jìn）行補償,提高加工精度,減少並聯運動機床的動態誤差;(6)回轉台,用於裝夾工件,完成零件的回（huí）轉加工;(7)連接（jiē）件,連接各類零部件,如虎克鉸、球鉸鏈（liàn）等,使並聯運動機床能夠按照要求靈（líng）活運動;(8)操作麵板,提供良好的人機交互界麵,能有效地操作機床。該並聯機床提供了中文顯（xiǎn）示的用戶界麵;(9)其他部件（jiàn）,如（rú）刀庫、排屑機、冷卻係統、液壓係統等輔助部件。
 
      4.2並聯機床的工（gōng）作原理
 
      從HLNC5001並聯機床的結構可以看出,並聯機床是由（yóu）六自由度空間並聯機構（gòu）組成的,即由6根可伸縮杆通過球鉸或虎克鉸（jiǎo）將固定平台與動平台相連,它的工作（zuò）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（chéng）的,而（ér）不是像傳（chuán）統機床那樣是由各（gè）運動（dòng）部件的運動疊加而成;如（rú）果將上（shàng）平台作為固定平（píng）台,以伸（shēn）縮杆的位移（yí）作為輸入變量,則可以控製（zhì）動平台的空間位移和（hé）姿態,即通過改變6根（gēn）可（kě）伸縮杆（gǎn）的杆長（zhǎng）,動平台可以實現不同的位置和姿態;動平台上裝有電主軸,刀具裝卡在動平台電主（zhǔ）軸上隨動平台（tái）一起運動（dòng）,以實現對曲麵的加工;6根可伸縮杆由滾珠絲杠副和（hé）滾珠花鍵副構成,由6個伺服電機驅動來（lái）控製各杆的杆長;在機床工作（zuò）台上串聯了一個數控（kòng）回轉台,在葉片加工時使葉片隨數控轉台繞X軸回轉(A軸),並和並聯機床的其他（tā）6軸實現聯動,形成七軸聯動的並串（chuàn）聯加工係統（tǒng）,從而實現空間任（rèn）意複雜形狀（zhuàng）的曲（qǔ）麵加工;在加工葉型曲麵時,通（tōng）過數控轉台的回轉,使葉片毛坯和刀具相對運動,可以生成連續（xù）的加工路徑,並且隻需一次裝（zhuāng）夾,就可以加（jiā）工出包括內弧、背弧和進出氣（qì）邊圓角在內的完整的葉片（piàn）葉型曲麵,而且在不發生幹涉的前提下可（kě）以（yǐ）任意調（diào）整刀具的加工姿態,從而實現空間任意複雜形狀的曲麵加工,使葉型曲麵的加工質量得到保證。這種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基於並聯機床的（de）汽輪機葉片的數控加工

      隨著CAD/CAM技術的發展,自動（dòng）數控編程技術能直接將零件的幾何信息轉（zhuǎn）化為數控加工程（chéng）序,給汽（qì）輪機（jī）葉片的數控加工程序的編製帶（dài）來了很大的方便。目前應用較成（chéng）熟的CAD/CAM軟件有UG、Pro/E、Mastercam等（děng）,這些軟（ruǎn）件的出現使得以往四、五軸聯動加（jiā）工編程中存在的問題得到了解決（jué）。基於並聯機床的汽輪機葉片的數控加工（gōng）流程（chéng）主（zhǔ）要分為兩大（dà）部分完成:(1)CAD的處理過程;(2)並聯機床（chuáng）的加工過程（chéng）。主（zhǔ）要加工內容為（wéi）葉（yè）片的葉身型麵、葉根、葉冠（guàn）及（jí）葉身與葉根、葉冠的交（jiāo）接麵。圖9為並聯機（jī）床（chuáng）加工汽輪（lún）機葉片工作流程圖（tú）。

      基於UG或Pro/E的葉片數控加工編程主要包括（kuò）如（rú）下內容:(1)葉片零件三維造型;(2)確定葉（yè）片數控加工工藝方（fāng）案,選定數控機床、刀具、夾具和量具等;(3)刀（dāo）位（wèi）計算並生成刀具運動軌跡;(4)刀具運動軌跡仿（fǎng）真、校（xiào）驗和編輯,並生成刀位文件;(5)最後通過後置處理程序將刀（dāo）位文件轉換成為數（shù）控機床可讀的NC代碼。
 
      采（cǎi）用UG軟件進行葉片的數控（kòng）加工,其數控加工（gōng）編程一般可由下列步驟來完成:在UG/CAM中生成了刀具軌跡並進行了加工仿真和幹涉校驗後,可以將加工數據和信息（xī）輸出成為刀位源文件(CLSF)。刀位源文件(CLSF)主要包括刀具信息、加工坐標係信息、刀具位置和姿態（tài）信（xìn）息以（yǐ）及各種加工輔助命令（lìng）信息等,還需要經過後（hòu）置處理器,將其轉變為機床能夠接受的數控程序,也可以（yǐ）用並聯機床自帶的後處理程序進（jìn）行（háng）後處（chù）理。UG軟件提（tí）供了各種複雜零件（jiàn）的粗精加工,用（yòng）戶可以根據零件結構、加工表麵形狀和加工精度要（yào）求選擇合適的加工類型,在每種加工類型中包括了多個加工模塊。應用加工模塊可快速建立加工操作。在交互操作過程中,在圖（tú）形方式下交互編輯刀具路徑,生成適（shì）合具體機床的數控（kòng）加（jiā）工程序。
 
      在編製數控加工程序時,本著基準統一（yī）、減（jiǎn）少走刀次數的原（yuán）則,把葉片葉身（shēn）型麵、葉冠與葉根圓角、進、出氣邊（biān）圓（yuán）角的數控加工（gōng）程序編製（zhì）在（zài）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加工（gōng）坐標係的零點。由於（yú）目前葉片葉（yè）身型麵設計越來越複雜,精度要求越來越高,因此數控加工程序也越來越複雜（zá）,出現錯誤的概（gài）率（lǜ）也隨之增加。通常情況下,如果加工程序編製不恰（qià）當,可能出現下列問題:(1)加工方案不合理,影響加工效率;(2)刀具參數設置不當,如刀具半徑選擇過大,則零件加工不完全,出現大的殘留;刀具半（bàn）徑選擇過小,則切削效率較低（dī）;(3)刀具與工件之（zhī）間發生幹涉或碰撞;(4)刀具走刀路線、進退刀的方式不合（hé）理;(5)刀位軌跡不（bú）正確,零件外形或尺寸（cùn）錯誤;(6)切削參（cān）數選擇不當,如主軸轉速、進給（gěi）速度、步距等選擇不（bú）合適;(7)加（jiā）工過程（chéng）中（zhōng）刀具與工件之（zhī）間發生過切現象(8)零點選擇不恰當,無法找（zhǎo）到對刀點。這些問題的出現往往會給實（shí）際零件的加工造（zào）成很多（duō）麻（má）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、延遲產品交付等。這樣會從根本上削弱數控（kòng）加工技術的可靠性並影響其推廣應用。因（yīn）此數控加工（gōng）質量、效率很大程度上取決於所編程序的合（hé）理性。為避免上述問題出現,可（kě）利用UG或Pro/E軟件加工仿真功能,預先模仿加工過程,檢查是否出現上述問題,這樣在（zài）正式加工前就可以發現問題,從而可提高（gāo）加工準備效率,縮短程序調（diào）試周期,加快生（shēng）產過程。
 
      有（yǒu）了先進的並聯機床,還需要配合先（xiān）進的刀（dāo）具,才能更好地發揮並聯機床的優勢。考慮到生產效率和葉片質量,符合現代機加工少餘量高速銑削的理念,所有工步（bù）都選用硬質合（hé）金刀具,一般采用立銑刀、球頭立銑刀、球頭錐銑刀、帶角圓的（de）圓柱銑刀(環形刀)、鼻型刀（dāo）等加工。根據並聯機床的功（gōng）能特性,一次（cì）裝夾葉片,能夠（gòu）完成90%的加工量,消除了由於多次裝（zhuāng）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機葉片的數控加工生（shēng）產實踐證明,葉片加工質量好、效（xiào）率高,較好地解決了葉片批（pī）量生產的質（zhì）量和效率問（wèn）題,取得了很好的效果,因此用並聯機床加（jiā）工汽輪機葉片的方案是切實可行的。這不僅為葉片等具有複（fù）雜（zá）曲麵的零件（jiàn）加工提供了一種新的加工設備和工藝方案,還為促進並聯機床的（de）產業化和實用化起到很好的推動作用。
 
      6 結論及展望
 
      作者主要研究了基於並聯機床的汽輪機葉片的（de）數控加工技術。通過改進工藝,將（jiāng）去葉片毛坯餘量工序改在普通機床上完成,縮短葉（yè）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（gāo）的特（tè）性,完成葉片型麵的精加（jiā）工工序。葉片加工（gōng）的刀具耐用度與切削用量（liàng）之（zhī）間不是單純的函數關係,必須（xū）找出其最佳組合,優化切削用量。同時選好銑削刀具（jù）,提高切削（xuē）參數,完善數控程序設計,用（yòng）足用（yòng）好數控機床,充分發揮其經濟效益,為加工汽（qì）輪機葉片開創新（xīn）的工藝思路。
 
      隨著汽（qì）輪機葉片加（jiā）工要求的提高,加工誤差的分析研究就顯得越（yuè）發重要,尤其（qí）是葉片加工中的變形（xíng）問題。必須尋求有（yǒu）效的方（fāng）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,減少單側驅動所產生的扭轉變形;加工葉片時零件裝夾方式可以由頂尖壓緊改為拉伸（shēn）的裝夾方式,給葉片預加（jiā）拉力,減少加工中因（yīn）切削力作（zuò）用所產生的（de）變形等。如何減少汽輪機葉片的加（jiā）工誤差,提高加（jiā）工（gōng）精度和加工效率,獲（huò）得葉片（piàn）良好的整體性（xìng）能,是一個十分有意義的研究課題。
 
      目前葉片的（de）加工一般使用（yòng）五軸加工中心代（dài）替傳統的加工方法,新型五軸機床可以加工一般三（sān）軸數控機床所不能加工或很難一次（cì）裝夾完成加（jiā）工的連續、平滑的自由曲麵。並聯機床是隨著並聯機構的理論（lùn）研（yán）究與計算機軟硬件技術不斷發展而產生的（de）,並聯機床具有模塊化程（chéng）度高、剛度高、剛度重量比大、動態性能好、響應速度（dù）快、適應性強、容易實現多軸聯動等優點,非常適用於複雜曲（qǔ）麵的加工。國產並聯機床的研製成功,給汽輪機葉片的數控加工帶來了新的飛（fēi）越,使（shǐ）複雜形狀的葉片有了（le）更（gèng）多的加工手（shǒu）段,提供了葉片（piàn）的數控加工新途徑,葉片型麵加工工藝（yì）得到了（le）很大的（de）改進,工藝方法更為靈活,提高了葉片（piàn）加工（gōng）生產率和加工質量,減輕了勞動強度。它充分利用數控技術的潛力,徹底改變了傳統機床的結構配置和運動學原理。國產（chǎn）並聯機床以其獨（dú）特的（de）優勢成為新一代數控機床的範例（lì）,在汽輪機葉片的加工中得到了較好的應用,大大降低了機床的（de）成（chéng）本,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（jìn）電力、飛機和（hé）軍工行業的發展,對促進經濟發展和國防建設具（jù）有（yǒu）重（chóng）大意義。