课程设计说明书-基于proe的汽轮机叶片数控加工工艺及仿真大学论文.doc

课程设计说明书题 目: 汽轮机叶片数控加工工艺设计及仿真 姓 名: 学 院: 机械与控制工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 机械12-1 指导教师: 代宣军 2016年 1 月 13 日目 录摘要1关键词11 本课题研究的内容及意义12.1汽轮机简介22.2汽轮机叶片简介32.2.1汽轮机叶片的结构与分类 32.2.2汽轮机叶片的材料 53 汽轮机叶片三维建模63.1 PRO/E软件简介 63.2基于PRO/E软件的叶片三维建模分析73.3汽轮机叶片建模83.3.1汽轮机叶片型面数据点的提取 83.3.2汽轮机叶片叶身建模103.3.3汽轮机叶片叶根建模123.3.4汽轮机叶片叶冠建模133.3.5汽轮机叶片建模总结134 叶片加工工艺分析及方案制订144.1叶片毛坯的选用144.2叶片叶根和叶冠加工工艺设计154.3叶片叶身型面加工工艺设计154.4叶片工艺流程155 叶片的数控加工165.1四轴联动加工中心简介165.2叶片数控加工工艺分析175.3数控编程185.3.1切削参数设定185.3.2刀具设置195.3.3机床设置195.3.4NC序列设置205.3.5轨迹生成和加工仿真215.3.6刀位文件和后置处理22参考文献26附录A叶片工艺卡片附录B叶片叶身部分刀位文件及NC代码汽轮机叶片数控加工工艺设计及仿真摘要：本课题主要研究了基于Pro/E的汽轮机叶片三维造型设计、汽轮机叶片加工工艺设计，重点研究了基于Pro/E的汽轮机叶片数控加工技术。本文详细介绍了基于Pro/E的汽轮机叶片的三维建模；阐述了叶片从毛坯粗加工到叶片型面精加工的加工工艺及工艺流程关键词：汽轮机叶片；Pro/E；数控加工；1. 本课题研究的内容及意义在整个汽轮机的发展历程中，汽轮机叶片的发展占据着相当重要的地位。因为叶片是汽轮机实现能量转换的关键部件,提高汽轮机工作效率的关键一环。叶片的加工工艺也在不断地与时俱进，而叶片的数控加工工艺一直是机械制造领域中的一个研究热点。随着数控技术的发展和应用，国内外当下的主流的CAD/CAM软件有UG、PRO/E等，汽轮机叶片的数控加工将在今后占据越来越主要的地位，而普通机床也不会退出叶片加工的领域，因为相对数控机床而言使用普通机床的成本更低且加工某些叶根叶冠的效率更高。2. 汽轮机及其叶片简介2.1汽轮机简介汽轮机是用具有一定温度和压力的过热蒸汽(工质)为动力，并将蒸汽的热能转换为转子旋转的机械能的动力机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机，也可用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。汽轮机具有单机功率大、热效率高、运转平稳事故率低、寿命长等优点。在汽轮机中，蒸汽的热能转变为旋转的机械能，一般可通过两种不同的作用原理来实现：一种是冲动作用原理，另一种是反动作用原理。由牛顿第三定律可知，当某物体对另一物体施加作用力时，此物体就必然要受到与其作用力大小相等、方向相反的的反作用力，这个作用力称为冲动力。冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度的变化。质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。受到冲动力作用的物体产生了速度变化，该运动物体图1 冲动式汽轮机工作原理图1-轴；2-叶轮；3-动叶；4-喷嘴就做了机械功。以单级冲动式汽轮机结构为例，如图1。蒸汽在喷嘴中产生膨胀，压力降低，速度增加，蒸汽的热能转变为蒸汽的动能。高速汽流流经叶片时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能转变为轴旋转的机械能。在反动式汽轮机中，蒸汽不但在喷嘴（静叶栅）中产生膨胀，压力降低，速度增高，高速汽流对动叶产生一个冲动力；而且在动叶栅中也膨胀，压力降低，速度在动叶出口相对于动叶进口时增加，汽流必然对动叶产生一个由于加速而引起的反动力，使转子在蒸汽冲动力和反动力的共同作用下旋转作功。 汽轮机由转动部分和静止部分所组成。汽轮机转动部件的组合体称为转子，它包括主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及装在轴上的其他零件。蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过叶轮、主轴和联轴器传递给发电机或其他设备，并使它们旋转而作功。汽轮机的静止部分包括基础、台板(机座)、汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等部件，但主要是汽缸和隔板。汽轮机转子一般分为四类，分别是套装转子、整锻转子、组合转子和焊接转子。套装转子的结构结图2所示。套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。主轴加工成阶梯形，中间直径大， 两端直径小，这样不仅有利于减小转子的挠度，而且便于叶轮的套装和定位。套装转子的优点是叶轮和主轴可以单独制造，故锻件小，加工方便、节省材料、容易保证质量、转子部分零件损坏后也容易拆换。其缺点是轮孔处应力较大、转子的刚性差，特别是在高温下工作时，金属的蠕变容易使叶轮和主轴套装处产生松动现象。因此这类转子只适用于中、低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中、低压部分，其工作温度一般在400以下。本文例子中的叶片正是套装转子中的末一级动叶片。 图2 套装转子 1-油封环；2-轴封套；3-轴；4-动叶槽；5-叶轮；6-平衡槽2.2汽轮机叶片简介叶片是汽轮机的关键零件,又是最精细、最重要的零件之一。它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。它是整个汽轮机能量转换的关键部件，决定着汽轮机的工作效率和安全可靠性。2.2.1汽轮机叶片的结构与分类 汽轮机叶片按用途可分为动叶片和静叶片。动叶片动叶处安装在转子叶轮或转鼓上，接受喷嘴叶栅射出的高速气流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转。静叶隔板用于固定静叶片，并将汽缸分成若干个汽室。 图3 汽轮机动叶叶片一般由叶身（图3中3）、叶根（图3中2）和叶冠（图3中1）三个部分组成。叶根的作用是将叶片固定在转子，它的结构应该在保证任何运行条件下叶片都能可靠地固定在转子上的条件下，同时力求制造简单、装配方便。转子的结构形式、叶片的强度和安装工艺要求等决定着叶根的结构形式。叶根通常有以下几种类型：（1）T型：如图4-a，此种叶根结构简单，加工装配方便，工作可靠。但由于叶根承载面积小，故叶轮轮缘弯曲应力较大，故常用于受力不大的短叶片。（2）外包凸肩T型：如图4-b所示为带凸肩的单T型叶根，其外包凸肩能阻止轮缘张开，减小轮缘两侧截面上的应力。（3）双T型：如图4-d所示为带凸肩的双T型叶根，由于增大了叶根的承载面，故它可用于较长的叶片。此种叶根的加工精度要求较高，特别是两承载面之间的尺寸误差大时受力不均匀，叶根强度大幅下降。（4）菌形：如图4-c所示。这种叶根和轮缘的载荷分布比T型合理，因而其强度较高，但加工复杂，故不如T型叶根应用广泛。（5）叉形：图4-e所示为叉形叶根，这种叶根的叉尾直接插入轮缘槽内，并用两排铆钉固定。叉尾数可根据叶片离心力大小选择，被大功率汽轮机末级叶片广泛采用。（6）枞树形：如图4-f，这种叶根和轮缘的轴向断口设计成尖劈形，以适应根部的载荷分布，使叶根和对应的轮缘承载面都接近于等强度，因此，在等尺寸的情况下，枞树形叶根承载能力更高。 图4 叶根类型汽轮机同一级中，用围带、拉筋连在一起的数个短叶片或中长叶片称之为叶片组（成组叶片）；用围带、拉筋将全部叶片连接在一起的称之为整圈连接叶片；不用围带、拉筋连接的叶片称自由叶片。也有用围带、拉筋将整圈叶片连接在一起，形成整圈连接叶片，如图5。围带的作用：增加叶片刚性，改变叶片的自振频率，以避开共振，从而提高了叶片的振动安全性；减小汽流产生的弯应力；可使叶片构成封闭通道，并可装置围带汽封，减小叶片顶部的漏气损失。拉筋的作用：拉筋的作用是增加叶片的刚性，以改善其振动特性。但是拉筋增加了蒸汽流动损失，同时拉筋还会削弱叶片的强度，因此应尽量避免采用拉筋，有的长叶片就设计成自由叶片（如图6）。 图5 整圈叶片 图6 自由叶片叶身是汽轮机的主要通流部分，承担着把蒸汽的动能转变为机械能的任务，要求有较好的气动特性，比如型线、进汽角、出汽角等。叶型（型面）是指叶身部分的横截面形状。型线是指型面的横截面形状的周线。按叶型沿叶高是否变化可把叶片分成等截面叶片（图7-a）和变截面叶片（图7-b）。等截面叶片的截面处处相等，适用于短叶片。变截面的叶片高度增大后可提高叶片的工作效率，同时为了改善叶片的强度条件，自下而上叶片的截面积逐渐缩小，如图8是一种典型的弯扭叶片实体图。 图7 叶片类型 图8 弯扭叶片2.2.2汽轮机叶片的材料汽轮机叶片受高温 高压蒸汽的作用，工作中承受着较大的弯矩，高速运转 中的动叶片还要承受很高的离心力;处于湿燕汽区的 叶片，特别是末级，要经受电化学腐蚀及水滴冲蚀,动叶片还要承受很复杂的激振力。因此，叶片用钢应满足以下要求: 有足够的室温、高温力学性能和抗姗变性能 有高的抗振动衰减能力高的组织稳定性良好的耐腐蚀和抗冲蚀能力良好的工艺性能因此1Crl3、2Crz3等及以此为基含有 Mo、W、Nb、B、Ni等强化元素的12%一13%Cr不锈钢， 有良好的抗振性能和抗腐蚀性能，成为汽轮机叶片的主要材料。但在某些工作温度簇400和要求抗腐蚀性不高的过热燕汽区工作的叶片，可用一些低合金钢制作叶片以降低造价，如ZoerMo、ZsMnZv及15MnMoVCu等强化型铬不锈钢。在湿蒸汽区工作的叶片需用抗腐蚀 性高的不锈钢，并随着使用温度的提高及叶片尺寸的加大要使用有更高高温强度或强度的叶片用钢材料。 Icr13、2Cr13等可用于工作温度簇450C的叶片。温度超过500，需在ICr13型的基础上，加入多元合金元素Mo、W、Nb、B、Ni等强化的钢。 3 汽轮机叶片三维建模3.1 PRO/E软件简介Pro/E是美国参数技术公司的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。它具有如下特点和优势：参数化设计和特征功能、单一数据库、全相关性、 基于特征的参数化造型、装配管理、易于使用。其NC加工模块具有强大的加工、后置处理功能。Pro/E NC提供了数控车削、铣削、钻孔和线切割等数控模块，详见表1。表1 PRO/E NC模块模块名称执行功能Pro/E NC-MILL2.5轴铣削3轴铣削和孔加工Pro/E NC-TURN2轴车削和中心线钻孔4轴车削和中心线钻孔Pro/E NC-WEDM2轴车削和4轴线切割数控加工Pro/E NC-ADVANCED2轴到5轴铣削和孔加工2轴到4轴车削及孔加工车铣加工中心上的车削、铣削和孔加工2轴车削和4轴线切割 3.2基于PRO/E软件的叶片三维建模分析 汽轮机叶片的建模主要分为三部分，即叶身型面建模、叶根建模和叶冠建模。其中三部分中最复杂的无疑是叶身型面的建模。若叶身建模完成后可以以叶身两端面为基准进行叶根和叶身的建模。因此首先要解决叶身建模的问题。首先，必须要具备叶身型面的设计数据。一般设计者会给出叶身各个截面的型线，叶身型面一般由直线段、圆弧段和样条曲线段组成。在建模是可以直接导入型面的型线，也可以提取出型线上的坐标点再导入到PRO/E中。在此可以给出两种基本的建模方案，方法一如图9，方法二如图10。本文则以第二种方法为例，介绍叶根建模的整个过程。 图9 方法一 图10 方法二方法一，即直接导入工程图纸和提取型线数据点后再把数据文件导入PRO/E。直接导入工程图到PRO/E的做法应用相当广泛，在叶片建模中也不失为一种方法。但是，对这两种方法深加研究，就可以发现直接导入工程图有弊端。型线的工程图导入指定的基准面后有两种后续的处理方法。其一是利用PRO/E的曲线编辑功能把一些细微的线段和样条曲线连接起来后再做混合，另一种是在各个制定截面的基准面上利用PRO/E的“使用边”的功能抓取型面边界线条草绘成一个封闭截面。若给定的型面较少，工作量不大，若给定的型面很多，则每个界面都需重新草绘，工作量相当大。合并连接曲线后经常需要再利用PRO/E的曲线光滑命令使曲线更加光顺，否则在混合后的曲面会出现不少的细微的凹凸处。这对后续的曲面加工来说是致命的。导入数据点的方法的前期准备工作相对比较繁琐，尤其是提取数据点和数据的处理都比较麻烦，但是一旦编制成数据文件，导入PRO/E后几乎可以不用做什么处理就可以直接混合生成曲面了。而且在绘图的时候没有多余的线条，相当地简洁。综上所述，两种方法各有优缺点，在工程图的型线较简单、质量较好的情况下使用第一种方法可能比较简单；而在型面比较多，型线又由很多段线条组成的情况下采用第二种方法或许比较好。3.3汽轮机叶片建模3.3.1汽轮机叶片型面数据点的提取 由于给定的叶身型面通常不是由单一的样条曲线组成，若完全按照给定的型线设计会比较麻烦。本文则完全使用样条曲线来替代其中的圆弧和直线，理论上只要直线和圆弧上取得的数据点足够多，是可以完全满足设计精度的要求。提取数据点工作的第一步都是把所要提取的型面型线的坐标原点（中心点）移动到和AUTO CAD世界坐标系重合（如图9）。把型面型线移动到原点是为了把所得的数据点导入PRO/E生产相应曲线后的PRO/E中的世界坐标相吻合，可以不在移动曲线而直接混合产生曲面。（1）样条曲线拟合点的提取图11 叶片型面数据点选中目标曲线，输入“list”命令在按回车键（如图11所示），就可看到AUTO CAD出现文本框（如图12所示）。其中详细地列出了每个控制点的坐标。若控制点过多，无法再一个页面显示完全，可根据提示按回车键知道列出所有的控制点。把控制点复制下来，按PRO/E的*.ibl文件的制定格式保存起来。如图所示。这些离散的数据点处理起来比较麻烦，可以使用批处理删除复制下来的文本中的“x=”、“y=”和“z=”等多余字符，并给每个数据点之前添加一个序号。除此之外，也可以使用Office中宏的功能来处理数据达到制定格式的要求。其中有关PRO/E的*.ibl文件的格式和语句可以参考相关的PRO/E书籍，在此不再赘述。 图12 数据点窗口 图13 ibl格式的文件(2)直线和圆弧数据点的提取直线和圆弧数据点提取的操作基本和以上样条曲线数据提取的步骤类似，在此相同部分就不再赘述，就不同的部分作如下说明。由于在一个平面内定义一条直线只需两个点的坐标，因此使用“list”命令只能得到两个坐标点，即直线的起点坐标和终点坐标。但是仅仅这两个坐标点在导入PRO/E生成曲线时会产生较大的误差。因此，再次首先把直线段等分成20个小线段，再提取这些小线段的起点和终点坐标。由于型面中型线的直线段通常很短，只有2mm左右，20个等分点完全可以满足精度要求。对于圆弧的数据的提取也采用同样的方法，先等分，再提取出等分后的微小圆弧起点和终点坐标。圆弧段通常也相当的短，在此等分成40段。若不能满足精度要求，可以完全加大等分的段数来获得更高的精度。3.3.2汽轮机叶片叶身建模把2.3.1中所提取的数据点保存为spline-blade.ibl文件。在PRO/E中新建零件，把spline-blade.ibl文件导入PRO/E中。具体的操作步骤如下所示：单击窗口右边菜单栏中的【曲线】-【自文件】-【完成】后如图12所示，PRO/E要求选取坐标系，然后选择PRO/E中的原坐标系，出现如图13所示的打开对话框。选择上一步建立的数据文件。PRO/E立即自动建立好如图14所示的空间曲线。图14 建立曲线 图15 选取坐标系 图16 完成曲线建立若上述数据文件中定义的是闭合曲线，则立马就可以开始曲面混合造型。若上述步骤中定义的不是闭合曲线，则需要连接所各个曲线段然后再混合造型。曲线连接的操作如下，选中所建立的曲线特征，右键单击后出来如图17所示的菜单，单击【编辑定义】/【完成】，出现如图18所示菜单，选择【合并】并选取两条需要合并的曲线就可以使两条曲线合并成一条。 图17 编辑定义 图18 合并曲线接下来，使用边界混合命令，按住Ctrl键一次选择从A-A到K-K界面的型线，如图19所示。至此就完成了叶身背面的建模，依照上述步骤再完成叶身内面的边界混合。再对叶身两端的截面进行填充。填充的操作步骤如下，单击【编辑】【填充】，选取叶身的一个端面，完成。如图20所示。 图19 混合曲面 图20 填充叶身两端面填充完叶身两端面，再通过【编辑】【合并】命令把叶身的内面和背面以及叶身两端面四个曲面合并成一个，如图21所示。图21 合并曲面 再对选中左边模型树中的“合并”，进行【编辑】【实体化】。完成以上实体化后得到如下所示的叶身实体效果图22图22 叶身效果图3.3.3汽轮机叶片叶根建模叶片叶身造型完成后，接着就能进行叶根部分的造型。叶根的造型相对来说比较简单。单击拉升【拉伸】【实体】，草绘完成后如图23所示。再以叶根内面或者背面为基准，【拉伸】【实体】【切除材 图23 叶根造型料】-【定义】草绘叶根槽，如图24所示。接着【阵列】-选择【第一方向线】完成叶根槽的构建。如图25所示。图24 叶根槽阵列 图25 叶根效果图 【插入】【斜度】，选定好【拔模曲面】和【拔模枢轴】，输入【拔模角度】，如图26所示。 图26 叶根拔模 图27 叶根效果图【拉伸】【实体】【切除材料】【定义】进入草绘界面，绘制好铆钉孔截面，完成后如图27所示。至此叶根部分的建模基本完成。3.3.4汽轮机叶片叶冠建模在拉伸叶冠之前，先以叶根为基准建立叶根的草绘基准面。再在这个基准平面上拉伸出叶根的总体模型。接着以叶根端面为基准，【拉伸】-【实体】-【去除材料】-【定义】，草绘如图28所示图28 叶冠草绘 图29 叶冠拔模最后对所得的叶冠上下两型面进行拔模，【插入】-【斜度】，选择好【拔模枢轴】和【拔模曲面】，完成后完成叶冠型面的构建，如图29。3.3.5 叶片汽轮机叶片建模总结至此，叶片的建模基本完成。此外，还必须根据设计对叶片根冠和叶身交接处倒圆角，以及叶根两侧面的圆弧段切除。最后完成的建模效果图如30所示。 图30 叶片效果图4 叶片加工工艺分析及方案制订4.1叶片毛坯的选用工艺的最高原则是在保证加工质量的前提下，取得最高的经济效益。也就是说要依据工厂现有的设备和工人，合理地发挥出工厂的产能。现给定的生产条件如下（只列出了相关的加工设备，不适合加工此种叶片的设备未列出）：（1）一台四轴数控加工中心（2）4台立式升降台铣床XA5032（3）10台万能升降台铣床XA6132（4）两台数控线切割DK7740（5）一台专用铣床汽轮机叶片加工总的分为两个阶段：毛坯和机加工阶段。毛坯的定制一般是在专门的模锻工厂进行。然后进行一些热处理步骤，再运到叶片厂进行机加工的阶段。叶片的材料的选用在上文已经有了交详细的交代在此就不在赘述。本例中选用的材料为2Cr13。2Cr13为马氏体不锈钢，淬火状态下硬度高，耐蚀性良好，是一种被广泛使用的汽轮机叶片材料。但是也是一种较难加工的材料，因此在安排工艺时要特别注意刀具的散热和磨损，在某些工序中要加入切削液防止刀具烧坏。汽轮机叶片的毛坯一般有两种-模锻而成或者用方坯直接铣制。一般叶片不用铸造，因为叶片工作条件的缘故，叶片对材料的韧性、强度等力学性能要求较高，铸件通常不可避免地含有缩孔、疏松等铸造缺陷，不适合做为叶片的加工方法。故本例中叶片采用模锻的形式。，叶片的毛坯的形状尺寸较为复杂，不同表面所确定的余量也不尽相同，如叶身曲面的余量为3mm。因此在附件A中有详细的图纸。4.2叶片叶根和叶冠加工工艺设计在叶片的加工过程中，合理地选择工艺基准显得至关重要，因为叶片的结构相对复杂，而且叶根和叶冠之间的相对位置精度要求较高，尤其是叶根和叶根的装配表面。根据工艺设计的统一基准原则，采用叶片叶根进汽边侧面作为精基准定位能比较方便地加工出叶根和叶冠的大多数表面。因此，尽早优先加工此面。根据工厂的现状，所有的叶根的加工全部在普通铣床上完成，因为即使精加工普通机床完全能满足设计的精度要求，不一定非要上数控铣。在加工叶根和叶冠等体现不出数控机床高柔性、高精度、高效率的优点。且该叶片每年的产量远超上千件，属于大批量生产。采用一些专用的铣床有利于提高加工效率。另外考虑到成本问题，所以数控铣床只用来加工叶身曲面，以此来充分利用工厂宝贵的数控铣床资源。4.3叶身型面加工工艺设计叶根和叶冠的加工通常混在一起，因为它们之间有装配位置的要求。而叶身曲面的加工相对来说较为独立。理论上叶身曲面的要求较高，加工起来难度也是最大的。但是在实际操作中发现由于叶片的曲面检测较为困难，通常只用样板检测规定截面的型线，其他截面无法作检测，所以加工起来的弹性还有很大的。完成叶根基准的精加工后，就能进行叶身曲面的加工。曲面的粗精加工安排在一台四轴联动数控铣床上进行，而后对曲面进行手工磨。叶身除了用数控铣床的加工外，还可考虑用仿形铣床，因仿形铣床的成本较数控铣床低。若不用来作精加工，则能完全满足叶片粗铣的要求。叶身曲面的数控铣削完成以后安排一道叶身磨削的工序。因为叶身曲面的粗糙度要达到1.6，这种粗糙度的要求即使是五轴高速洗也是难以精加工出来的，因为即使是五轴高速铣削也会不可避免的留下加工刀痕。而去除加工刀痕必须通过磨削的工序来实现，知识五轴铣削加工出来的磨削余量可能相对来说少一些。但是在满足零件要求的条件下采用四轴而非五轴主要考虑到的是加工成本的问题。鉴于目前五轴高速铣还未普遍流行，采用五轴铣的方法必须采用外加工的形式，这无疑会增加工厂的生产成本。4.4叶片总体工艺流程表2是叶片的工艺流程路，每个工序都有工序卡片，附录A中有详细的工序卡。现就上述工艺流程做详细说明：（1）线切割叶根：之所以采用线切割叶根的方法，是因为这种叉形叶根若用常规的铣削加工，工序显得繁杂，工时耗费得较多。尤其是叶根叉形槽和端面的切削用量相当地大，用线切割代替铣削可提高生产效率的同时降低生产成本。（2）线切割叶冠：线切割叶冠同时加工了叶根的两侧和总长。若用铣削的方法，由于一般情况下在长度方向所留的余量相当可观，至少得分两步工序铣总长，并且还不算叶冠两侧面的加工。若叶片更大，达到500mm以上，甚至600mm的话在加工过程中就不得不考虑搬运的问题了。由于工件重量较大，相当一部分工时将耗费在搬运上。采用线切割可一步到位地解决这些问题。（3）磨叶根两侧面：磨两侧面是精加工的开始，叶根进汽边侧面作为作为重要的工艺基准，在精加工前优先加工出来完全符合基准统一的原则。在此基准下可以很方便地加工根冠的其他平面。（4）铣叶身曲面：把曲面的加工放在很靠后的位置，是因为限于数控铣床数量稀少要充分运用。在前面步骤中若发现工件有不可修正的缺陷就直接舍弃而不再占用数控铣床，同时也因为曲面的铣削粗精加工在同一个工序中。5 叶片的数控加工5.1四轴联动加工中心简介在以往的三维零件型面加工过程中多采用三坐标联动加工,其特征是加工轴线始终不变,即始终平行于Z坐标轴。对于较为复杂的异形零件,如:螺旋桨叶片、涡轮叶片、复杂模具零件等,往往需要多次装夹并使用专用工装夹具,且难以保证加工精度。而在四轴联动加工中, 可通过有效控制刀具和曲面切削点法矢夹角的方法,使切削余量相对均匀,并可一次装夹加工成形,大大提高了加工效率和保证了加工精度。目前的数控铣床乃至加工中心,一般均提供X、Y、Z这 3 个移动轴联动加工的功能,并在数控系统中预留了A 轴或B 轴联动控制的功能。如果在上述机床中增加可联动的数控回转工作台( 数控分度头) , 即增加了1 个回转轴,机床即可进行四轴联动加工。如图31所示四坐标立式NC机床是在3个线性平动轴（X、Y、Z）的基础上增加1旋转轴（绕X旋转）。 多轴加工的主要优点体现在 ：通过一次装夹加工复杂的形状，从而减少因重新装夹引入的工件误差；在极大程度上减少加工时间和夹具数量；能够用较为自由的刀具姿态进行加工，可以使用较少、较短的刀具进行加工；可以倾斜刀具进行加工，进行较高效率的切削，而且会使刀具负载更均匀，提高加工效率和刀具寿命；可以使用立体毛坯进行工件加工，无需使用特别铸造成型的毛坯；加工复杂孔和型腔时，可以节约大量工装和时间。 图31 四轴机床模型表2 工艺流程表 5.2叶片数控加工工艺分析 数控加工的最终目的是根据零件设计的工艺要求，编制出控制刀具走刀的路径文件，然后将文件输出到如空设备，生产出高质量的产品。整个工艺过程中，数控编程是其中最为关键的一个环节。数控编程最终是计算加工过程中刀具的刀位文件。PRO/E NC提供了多种铣削加工类型，可以根据零件的结果、加工表面形状和加工精度选择适合的方法。PRO/E NC的数控编程要历经一下7个步骤，其流程如图31所示。 图32 PRO/E NC 数控编程过程的流程图普通铣床上的工艺规程卡实际上只是一个工艺过程卡，切削用量、进给量、工序的工步往往等都是由工人自行选定。数控铣床上加工程序是数控铣床的指令性文件，加工过程全部按指令自动执行。因此数控铣床加工工艺与普通铣床工艺规程有较大的差别。数控铣床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量、进给路线、刀具尺寸以及铣床的运动过程。工艺方案的好坏直接影响铣床的效率和加工质量。由于数控机床数控铣床集中加工工序的特点，因此安排在数控加工中心的一个工序通常为多个工步，使用多把刀具。考虑到此，把叶身曲面的精加工和粗加工放在加工中心的同一个工序里分不同工步完成。（1）粗加工：叶身曲面粗加工的主要是去处毛坯大部分的余量，为精加工做好准备。叶身的粗加工分为背面和内面两个工步进行。背面用4轴铣削的方式，内面用三轴铣削的方式。（2）精加工：去处粗加工后留下的余量，达到既定的表面质量。该汽轮机叶片叶身曲面比较复杂，加工精度要求较高，用三轴联动的加工中心难以在一次装夹的情况下加工完毕。因此选用四轴加工中心，避免二次装夹带来的装夹误差。5.3数控编程5.3.1切削参数设定 叶片的型线是由直线段、圆弧段、样条曲线这三种类型线条构成，导入PRO/E后的线条全部转换为样条曲线。叶片的的型面以这些样条曲线混合而成，但是叶片的型面的最小曲率半径很难直接测量或者计算。但是又涉及到选择铣刀直径问题。有一种比较繁琐的解决方法是，首先大概估计设定一种刀具直径，然后选用这把刀具，在后来刀具路径屏幕演示中可以看到走刀路径。若刀具的走刀路径没有到达叶片内凹面中曲率较大的部位时就可以判断该刀具半径过大，需重新选定一个小的刀具半径。若在屏幕演示时看不出问题，在仿真切削的时候可以通过观察叶片曲率较大部位有无材料被切除，或者切除是否充分来判断设定刀具半径是否过大。经过反复试验，本课题中的叶片适合选用D25R2的立铣刀（如图33）进行粗加工，因为考虑到粗加工时切除材料的效率，所以没有选择指定更小的刀具；精加工用则使用D20的球铣刀（如图34）。 图33 立铣刀 图34 球头刀另外合理地选择切削参数也至关重要，其中背吃刀量在机床、工件和刀具刚度允许的情况下可以直接设定为加工余量，这是提高生产效率的一个有效措施。切削线速度一般根据刀具厂商提供的说明书中的推荐参数设定。主轴转速则根据切削线速度和刀具指定来进行计算设定。但是切削参数的设定大多数情况下依据工人师傅的经验结合实际的生产情况优化选择。各个参数之间没有严格的函数关系，而是根据加工的要求不断改动。例如，粗加工时通常选定直径大的刀具，背吃刀量大，切削速度快；精加工常选择直径小的刀具，背吃刀量小，切削速度低，但是表面光洁度较高。5.3.2刀具设置首先在PRO/E中新建一个【制造】，选择mmns-mfg-nc。加工过程中用到两类刀：圆柱铣刀（粗加工）和球头刀（精加工），按【菜单管理器】-【制造设置】-【刀具】建立D25R2、D20这两把刀（如图35）。并给两把刀一次设定刀具位置1、2。此处若没有设置刀具号生成的数控代码中将始终使用一号刀，这将体现在加工仿真的时候就是不管粗精加工始终是一把刀具在加工，而在PRO/E的屏幕演示中则无法发现这个错误。 图35 刀具设置5.3.3机床设置按【菜单管理器】-【制造设置】-【工作机床】进入到如图36所示界面。进入NC机床设置，选择轴数为“4轴”、机床类型为“铣削”、激活“使用旋转输出”后完成退出。加工零点选择默认坐标。按【退刀/曲面】进入如图所示的“退刀设置”界面，类型选择“圆柱”，方向为叶身长度方向（此处是Y轴），值是70（这个圆柱面要完全包括工件，否则可能发生撞刀事故），如图37所示。在退刀设置中选择的类型是“圆柱”是因为叶身的曲面不是单侧的曲面，若通过对刀平面来设置对刀，那会使得刀路轨迹比较繁琐，效率较低。 图36 操作设置 图37 退刀曲面设置5.3.4 NC序列设置 根据前文的数控加工工艺分析，叶身的NC序列由三组序列组成分别为：叶身背面粗加工NC序列、叶身内面粗加工NC序列、叶身曲面精加工序列。（1）叶身背面粗加工NC序列单击【菜单管理】【加工】【NC序列】【曲面铣削】【4轴】，可看到默认要设置的选项有“刀具”、“参数”、“曲面”、“4轴平面”、“定义切割”，单击“完成”将进入以上选项的依次设定。其中“刀具”根据工序选择；“参数”包含进给速度、进给量、主轴转速、有无切削液等，可更具切削用量手册查询得到，或者根据刀具厂商提供的参考数值和经验进行设定；“曲面”的设定就是选择我们待加工的表面；“4轴平面”，4轴就是指第四根轴的法向平面，也就是选择刀具绕某个轴转动而一直要平行的那个平面，在此出就是和叶身的两端面平行的平面；“定义切割”是定义走刀的方式，如图38所示是定义的叶身背面粗加工的走刀方式的预览。图38 背面工走刀轨迹预览（2）叶身内面粗加工NC序列 叶身粗加工NC序列的设置步骤与以上的类似，但是由于选择的加工方式为3轴铣削，其中曲面和参数的设置略有不同。例如“步长”这个参数就要设置得比较小可以选择1mm到2mm，若步长过大加工粗来的表面的余量可能会比较大，不符合精铣的要求。内面粗加工的走刀方式如图39所示，为沿叶身的长度方向。图39 内面粗加工走刀方式预览（3）叶身曲面精加工NC序列 叶身曲面精加工NC序列用4轴铣削的方式。由于使用的是球头刀，为了达到便面粗糙度要求必须设定较小的步长，但是过小的步长又会导致加工效率降低。走刀方式设置成沿叶身型面型线的轨迹比较合理。5.3.5刀具轨迹和加工仿真完成以上各项设置后就可进行PRO/E的屏幕演示，在屏幕演示中可以看到刀具轨迹。图40为叶