汽轮机叶片菌型叶根圆弧加工方法研究

汽轮机叶片菌型叶根圆弧加工方法研究

刘俊峰

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：目前，菌型叶根生产主要有两种方式：采用菌型叶根专用机床或者是数控卧式加工中心。相对于数控卧式加工中心，菌型叶根专用机床的缺点主要有：功能单一、刚性差、转速低，叶根表面粗糙度差；而且刀具只能在单一加工平面内运行，对刀具直径要求严格，无形中增加了刀具使用成本。而数控卧式加工中心虽然具有刚性好、转速高、生产效率高、叶根表面质量好、刀具直径可变等优点，但是存在一个很大的问题：加工程序编制问题。基于此，本文主要对汽轮机叶片菌型叶根圆弧加工方法进行分析探讨。

关键词：汽轮机叶片；菌型叶根；圆弧加工；方法研究

1、前言

菌型结构广泛应用于汽轮机叶片的叶根部分，形状呈菌型并辅以圆弧面及过渡曲面。如图1所示为某汽轮机叶片，根部为菌型结构，材料为0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢，切削性能极差。叶根粗加工常用线切割成形，精加工用菌形叶根成形铣刀铣削完成。但叶片菌型叶根数控加工过程中，须多轴联动，刀具运动轨迹复杂;无法按工件坐标系进行程序编制，编程难度大，也无专用的后置处理程序。因此，结合机床的运动特点，研究数控加工过程中刀具轨迹，设计通用的数控加工程序，是菌型叶根数控加工的技术关键。

图1

2、工件装夹方案

本研究汽轮机叶片菌型叶根精加工在北一大隈MAVC-630H型卧式加工中心上进行。该机床能实现4轴联动数控加工，CNC系统为OKUMAOSP-E100;行程为X轴1000mm，Y轴800mm，Z轴810mm，B轴连续旋转。叶片装夹方案如图2所示，叶片固定在回转工作台上，保证工作台回转中心与叶根圆弧圆心连线与Z轴平行。加工过程中，工作台带动叶片绕Y轴旋转，机床主轴带动刀具实现X、Y、Z直线坐标轴的移动。工件回转中心(设定为加工坐标系的原点)并不与叶根圆弧中心重合，而是分布在相反的两侧。为了保证叶根形线的准确性，不产生过切，必须严格保证切削过程中刀具与工件接触点处的刀轴矢量时刻与圆弧法向一致，即刀轴矢量时刻指向圆心，但刀轴并不能摆动，只能通过工件的旋转和刀具的直线移动来实现接触点法线与刀具轴线一致。

图2

3、刀具运动轨迹算法

图3为刀具运动轨迹算法示意图，其中:O为叶片在工作台上的旋转中心;O1为叶根圆弧圆心;L1为叶根圆弧半径;L2为叶片旋转中心至叶根圆弧顶距离;P为叶根弧线C上某任意点;C为安装位置叶根弧线;C忆为叶片转动后叶根弧线;C1为刀具运动轨迹。

弧线上的任意点P，法矢量PO1与OO1间的夹角为A，切削加工过程中，刀轴始终平行于Z轴，无法绕O1在XZ平面内摆动，为了实现法矢量与刀轴重合，只能通过工作台的旋转和刀具在XZ平面中的移动来实现。PO1为自由矢量，叶根弧线上任意P点绕O旋转A角度后，到达P忆点，其法矢量正好平行于Z轴，此点即为刀位点在加工坐标系中的准确位置。旋转角度B及旋转后刀位点在加工坐标系中的具体位置可通过如下公式计算:

图3

根据数控加工中坐标系确定的基本原则，图4中，当工作台绕Y轴顺时针旋转为B轴正向，逆时针旋转为B轴负向，则刀位点在加工坐标系中的位置为:

X=-OP忆sinB(4)

Z=OP忆cosB(5)

4、数控加工程序设计与实践

数控加工程序设计过程中，只要给定叶根弧线半径，测量出叶片旋转中心至叶根圆弧顶距离，等间距插值圆弧所夹圆心角，由上述公式求出每一插值点在加工坐标系中的X、Z坐标值和工作台的回转角度B，顺序连接每一个插值点在加工坐标系中的准确位置，形成图4中C1所示的刀具运动轨迹，只要插值间距足够小，完全能满足加工精度要求，从而加工出汽轮机叶片菌型叶根型线。进、退刀位置可以综合考虑叶根弧线最大弧长、刀具直径和安全余度，由以公式(6)确定出最大圆心角后，再根据公式(1)~(5)求出。

式中:L3为圆弧弦长;D1为刀具直径;安全余度为10mm。OKUMAOSP-E100系统4轴联动数控加工程序段的基本格式为:

G1X~Y~Z~B~F~;

其变量VC允许使用表达式，条件转移等，编程方便、灵活，在数控加工程序的设计过程中得到了广泛的应用。汽轮机叶片菌型叶根数控加工部分程序如下:

O1234

N100G0G90G40G94G17G21G10G53

N102G91G28Z0

N104T1M6

N106VC30=3.1415926

N108VC1=457.41

N110VC2=300

N112VC3=60

N114VC4=80

N116VC5=0.01

N118VC6=ATAN[[VC3/2]/SQRT[VC1*VC1-[VC3/2]*[VC3/2]]]

N120VC7=VC1+VC2

N122VC8=VC6+[[VC4+10]/VC1]*[180/VC30]

N124VC9=ATAN[[VC1*SIN[VC8]]/[VC2+VC1*[1-COS[VC8]]]]

N126G0G90G15X=VC7*SIN[VC8]Y0B=VC8+VC9S1500H1M3

N128G56Z=VC7*COS[VC8]-VC2H2M8

N130VC10=VC8

N132VC10=VC10-VC5

N134IF[ABS[VC10]GTVC8]GOTON142

N136VC11=ATAN[[VC1*SIN[VC10]]/[VC2+VC1*[1-COS[VC10]]]]

N138G1G90X=VC7*SIN[VC10]Z=VC7*COS[VC10]-VC2B=VC10+VC11F500

N140GOTON132

N142G91G28Z0

N144G28X0Y0B0

N146M2

程序中变量含义如表1所示。

表1

5、菌形叶根数控加工程序的开发及试验研究

加工中，叶根圆弧需用成型铣刀一次加工成型，要加工出标准圆弧，不发生干涉现象，刀轴应始终保持与圆弧中心（即叶根辐射线）重合。

试验过程中我们首先利用现有P型叶根轮槽铣刀进行原理性实验加工，在此过程中，我们经历了多次的失败过程，通过不断总结失败的原因及逐步深入的理论研究，最后用菌型叶根刀具进行试加工实验件，要在普通三轴铣床上加工出这种叶根圆弧，需要加一个绕Y轴旋转的回转台，工件装夹在回转台上，回转台的转动与工作台的移动的合成动力轨迹形成刀轨，这种加工方法不受叶片叶根圆弧R大小的限制。

实际加工过程中，刀具Y轴对刀到某一位置不动，在工件随工作台旋转时保证刀尖始终在叶根圆弧上，且刀轴始终通过叶根辐射线，其数学模型为：

X＝X′+XB，Z＝Z′+ZB

其中，X′、Z′为圆弧上某工作台平移产生的位移，XB、ZB为随回转台旋转产生的位移，X、Z为这点的绝对位移，选转台回转中心为编程原点，刀具初始在C（pXo，Z）位置，如果o要加工Lp点的圆弧，则可看成工件随回转台的转动和刀具的移动的合成，具体步骤：第一步：工件随回转台绕回转中心的顺时针旋转B角度；第二步：刀具移动到Cp'点，在这点上，刀具在工件的辐射线上，Lp′点就为刀具新的坐标点（X，Z），这样就能加工出所要求的圆弧，由图中可得：

只要求出弧上各点的X、Z、B坐标值即为机床刀具运动轨迹。将上述推导出的公式用VB语言开发应用程序，编制数控加工程序，保证满足产品图纸技术要求。

4、结语

根据机床的结构特点及四轴联动数控加工菌型叶根时刀具与工件之间的几何关系，研究了在加工坐标系中刀具运动轨迹的基本算法，利用OKUMAOSP-E100系统VC变量设计的菌型叶根数控加工程序很好地应用于生产实践，程序短小，灵活，为菌型叶根数控加工编程技术提供了参考。

参考文献：

[1]OKUMAOSP-E100M编程手册(第5版)[M].2008，6.

[2]孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2002