0引言
 
      葉片是汽輪（lún）機的核心（xīn）關鍵（jiàn）零件，是汽輪機（jī）的心髒，葉片加工質量的好壞直接影響到汽輪機的工（gōng）作（zuò）效率以及可靠性。隨著汽輪機設計要求（qiú）的提高，葉片形狀複雜，葉片加工要求也越來越（yuè）高（gāo），特別是葉片型麵加（jiā）工一直是汽輪機葉片生產（chǎn）的瓶頸口，傳統的葉片加工方式（shì）加工工藝原始、加工手段（duàn）落後，工人勞動負荷大，作業環境惡劣，生產效率很難提高，加（jiā）工質量（liàng）難以保（bǎo）證（zhèng）。因此研究汽輪機葉片製造（zào）新技術、新工藝已（yǐ）勢在必（bì）行，本文主要（yào）研究汽輪機葉片加工的新的工藝方案和加工手（shǒu）段，探討了汽（qì）輪機（jī）葉片的數控加工技術。
 
      1汽輪機葉片（piàn）結（jié）構特點（diǎn）分析
 
      1.1汽輪機葉片結（jié）構組成及其（qí）作用
 
      汽（qì）輪機葉片按功能（néng）作用的不同可分（fèn）為動葉（yè）片（如圖1所示）和（hé）靜葉片（piàn）（如圖2所示）兩種。
 
      動葉片安裝在轉（zhuǎn）子葉輪或轉鼓上，接受（shòu）噴（pēn）嘴葉柵射出的（de）高速汽流，把蒸汽的動能轉換為機械
能，使轉子（zǐ）旋（xuán）轉。葉片裝於轉子上如圖3所示。動葉片與汽（qì）輪機轉子相連接並隨轉子一（yī）起（qǐ）轉動，是將汽流的動能轉換為有（yǒu）用功的極其重要（yào）的（de）零件；靜葉片（又稱導（dǎo）葉）與汽輪機靜子相連（lián）接處於不動狀態，作導（dǎo）向葉片，其主要作用是改變汽流的方向，引導蒸汽進入下一列動葉片。不同功率（lǜ）的（de）汽輪機中，處（chù）於不同級的葉片因工作條件不同（tóng），動葉片與靜葉片具有各（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：葉身是葉（yè）片的基本工作（zuò）部分，又稱為葉身型麵，葉身結構複雜，多為扭轉自由曲麵。如圖4所示為（wéi）葉片型麵，葉身型麵分為內型麵（或內弧）、背型麵（或背弧）、進汽（qì）邊圓（yuán）角（jiǎo）、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等（děng）幾個部（bù）分，如圖1所示。葉身（shēn）型麵是由若幹個截麵型線擬合而成的光滑複雜曲麵，由一組等（děng）距或（huò）不等距平行截麵型線組成的空間扭曲麵，其中葉身部分的橫截麵稱為葉型，其每一個橫（héng）截（jié）麵邊緣叫型線，如圖（tú）5所示，一條葉片截（jié）麵型線由葉盆曲線內弧）、葉（yè）背（bèi）曲線（背弧）、進汽邊曲線和出汽（qì）邊曲線四條曲線組成（chéng），型線的結構決定葉片的工作情況，有的型麵為彎扭（niǔ）變（biàn）截（jié）麵或等截麵彎扭曲麵。

  
      葉身可分為直（zhí）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化，是等截麵葉片。扭葉片是葉根到（dào）葉冠的型（xíng）線不規則（zé），是變截麵葉（yè）片（piàn）。由於葉片型麵是由複雜（zá）的（de）自由曲麵組成,幾何精度要求高,傳統的加工方法無法滿足葉片加工的精度要求，因（yīn）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（yè）根：葉片通（tōng）過葉（yè）根牢靠地（dì）固定在葉輪上，保證（zhèng）在任何（hé）條件下葉片不會鬆動。葉根的作用是（shì）緊固動葉片（piàn），使其在經受（shòu）汽流（liú）的推力（lì）和旋轉離心力作用下，不至於從輪緣溝槽（cáo）裏拔出來。

      因此要求它與輪（lún）緣配合部分要有足（zú）夠的強度且應力集中要小。常見（jiàn）的葉片的葉根結（jié）構形狀如圖7（所示，可以分為：叉形（直叉）、階梯叉（等強度）、榫齒形、T形（xíng）、菌形（xíng）和縱樹形（如圖（tú）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（guàn）部分通常裝有圍帶（dài），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，使葉片（piàn）剛性增加；（2）可以改變葉片的自振頻率，從而（ér）避開共振；能減小葉片的振幅，提高葉片的抗振性；（3）可以使葉（yè）片（piàn）構成封閉槽道；並可（kě）裝置圍帶汽封，減少葉片頂部的漏汽損失。
 
      葉（yè）片汽（qì）道的進、出汽（qì）邊較薄，葉冠、葉（yè）根圓角較小。
 
      1.2汽輪機葉片與葉輪（lún）的裝配
 
      如（rú）圖（tú）8所示葉輪的結構一般由輪緣、輪（lún）體(輪麵)和輪殼三（sān）部分組成。輪緣用（yòng）來固定葉片，其具體結構與葉片（piàn）的受力（lì）情況及葉根形狀有關；輪（lún）殼是葉輪套於主軸上的配合部分，其結構取（qǔ）決於葉輪在主（zhǔ）軸上的套裝方式，為了保證輪殼有足夠的（de）強度，輪殼部分一般都要加厚。輪體是（shì）葉輪的中（zhōng）間（jiān）部分，它起（qǐ）著（zhe）連接輪緣（yuán）與輪殼的作用，其斷麵應根據受力情況（kuàng）來確定。葉（yè）輪按其輪（lún）體的斷麵（miàn）型線（xiàn）可分為以下四種：等厚度葉輪、雙曲線葉輪、錐形葉（yè）輪和等強（qiáng）度葉輪（lún）等。葉片的葉根（gēn）與葉輪裝配如圖9所示。

      2汽（qì）輪機葉片CAD/CAM技術工作流（liú）程

      汽（qì）輪（lún）機葉片的三維實體造型和數控加工程序的編製是葉片加工（gōng）關鍵技術。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圖，用三維軟件進行葉片設計，克（kè）服常規設計的不足，提高（gāo）了設計效率，縮短汽輪機葉片的開發（fā）周期。通過（guò）CAD/CAM軟件根據三維造型生成數控加工指令，對實體模型進（jìn）行（háng）模擬仿真加工，確定加工刀具路徑、加工參數和刀具補償的方法，然後生成數控（kòng）機床（如加工中心）可識別的NC程序輸入數（shù）控機床進行葉片數控（kòng）加工。如圖10為汽輪機葉（yè）片CAD/CAM技術工作流程圖。其中例（lì）如采用基於Pro/E軟件對葉（yè）片的三維造型步驟如圖11所示。 

 

     

  
      汽輪（lún）機葉片的結構一般（bān）比較複雜（zá），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型麵、葉根和（hé）葉冠建模等（děng）部（bù）分。首先進行葉身造（zào）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，最後（hòu）進行附加結構的設計，這樣便可形成一個（gè）完整的葉片。數控加工程序的編製是根據葉片三（sān）維模型的尺寸關係確定的，所以葉片三維（wéi）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（如Pro/E、UG等）進行葉片（piàn）的三維建模實例（lì）：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（tú），分析葉片的具體結（jié）構（gòu），確定葉片數控加工內容：主要有葉（yè）型曲麵（內弧、背弧），進汽（qì）邊圓角、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角等的加工。可將葉（yè）片加工分為四個大的加工（gōng）區域：1）基準麵加工區。在該區域內采用四坐標（或三坐標）臥式加工中心，同時加工出所有的基準麵，如：葉根和葉頂的（de）背麵（或背徑向麵）、葉根兩側麵、葉根端麵、內徑向麵及葉頂頂針孔等。2）汽道型麵加工區。在此區域內采用五（wǔ）坐標五聯動加工中心，一次（cì）完成整個汽（qì）道型（xíng）麵（miàn）加工，以代替（tì）在普通機床上多工（gōng）序完成（chéng）的工作，可大大提高加工效（xiào）率和質（zhì）量。3）葉根加工區。在此區域（yù）內完成葉根的加工，由於葉根（gēn）品種多、變化大，要按不同的類型采用不同的機床和（hé）銑刀型式進行加工。4）葉冠加（jiā）工區。在此區（qū）域內（nèi）采用三坐標立式或臥（wò）式加工中心加工鉚（mǎo）釘頭（tóu）、葉（yè）頂加厚截麵等部位。
 
      葉片數控加工應正確地選擇葉型曲麵加工方案。在數控銑床、加工中（zhōng）心上加工葉片汽道型麵時，為了避（bì）免刀具與被加工（gōng）型麵間發生幹涉，刀具一般選用球頭銑刀，葉型曲麵（miàn）加工方案常（cháng）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加工，數控機床必需增加一個轉動軸來（lái）參與聯動，加工時工件葉片回轉，刀具沿工件葉片截麵型線切削一周，橫向進刀後再切削下一周。這種方案（àn）符合（hé）零件數據（jù）給出情況（kuàng），便於加工後檢驗。由於葉型是光滑連續的曲麵，所以用一（yī）刀成形的方法，生（shēng）成（chéng）沿型線（xiàn）連續（xù）的刀具軌跡，一次加工出內弧和背弧。葉型的準確度高，葉型表（biǎo）麵加（jiā）工質量較好。但要求刀軌的步長較小，否則（zé）在加工背弧時會出現過切現象，因（yīn）此數控（kòng）程序（xù）較長，加工效率相（xiàng）對較低（dī）。2）如圖15(b)沿著葉片的輻射線（xiàn）方向加工，葉片不回轉加工即刀具沿著葉片軸線加工。這種方案加工（gōng）時每次近似（sì）沿直線加工，由於葉片型麵（miàn）在輻（fú）射方向上（shàng）的曲率（lǜ）半（bàn）徑要遠大於截麵方向，因此刀軌可采（cǎi）用較大（dà）的步長，而且一般不會出現（xiàn）過切現象，加工程序短（duǎn），切削加工的效率較高，但表麵加工質量較差（chà）。

      在數控加工前，可以通過CAD/CAM軟件進行自動編程，並模擬仿真加工，這樣，可以減（jiǎn）少試加工時間，並減（jiǎn）少不必要的損失。現在葉片製造通過改進工藝，將（jiāng）去毛坯餘量工序改在（zài）普通機床上完成，縮短葉片在數控機床上的加工工時，盡量利用數控（kòng）機床加工精度高的（de）特性，完成葉片型麵的精加工工序。
 
      3.2汽輪（lún）機葉片的數控加工編程步驟
 
      隨著CAD/CAM技術的發展，數控自動編（biān）程技術（shù）能直接將（jiāng）零件的（de）幾何信息轉化為（wéi）數控加工程序（xù），給汽輪機葉片的數控加工程序的（de）編製帶來了（le）很大的方便。基（jī）於UG或Pro/E軟件的葉片數控加工（gōng）編程主要步驟包括如下內容：1）葉片零件三維造（zào）型；2）確定葉（yè）片數控加工工藝方案，選定數控機床、刀（dāo）具、夾具和量具等；3）刀位計算（suàn）並生成刀具運動軌（guǐ）跡；4）刀具運動軌跡加（jiā）工仿真（zhēn）、幹涉校驗和編輯，並可以將加工數據和信息生成（chéng）刀位源文件（jiàn），刀位源文件主要包括刀具信息（xī）、加工坐標係信息、刀具位置和姿態信息以及各（gè）種加工（gōng）輔助命令信息等；5）上述生成的刀位源文件還需要經過後置處理器，轉變為（wéi）機床能夠接受的（de）數（shù）控程序，通過後置處理程序將刀位文件轉換成為數（shù）控機床（chuáng）可讀（dú）的ＮＣ代碼。在交互操作過程中，在圖形方（fāng）式下（xià）交互編輯刀具（jù）路徑，生成適（shì）合具體機（jī）床的數控加工程序。
 
      在編製數控加工程序時，本著基準統一、減少走刀次數的（de）原則，把（bǎ）葉片（piàn）葉身型麵、葉冠與葉根圓角、進、出汽邊圓角的數控加工程序（xù）編製在一起。在葉（yè）片的加（jiā）工中根據工藝的需要，一般選擇葉根的中心軸線為加工坐標係的零點。由於（yú）目前葉片葉身型（xíng）麵設計越來越複雜，精度要求越來越（yuè）高，因（yīn）此數控加工程序也越來越複雜，出現錯誤的概率也隨之增加。
 
      通常情況下，如果加工程序（xù）編製不恰當，可能出現下列問題：1）加工方案不（bú）合理，影響加工效率；2）刀具參數（shù）設置不當（dāng），如刀具半徑選擇過（guò）大，零件加工不完全，出現大的殘留；刀具（jù）半徑選（xuǎn）擇過小（xiǎo），切削效（xiào）率較低；3）刀具與工件之間發生幹（gàn）涉或碰撞；4）刀具走刀（dāo）路線、進退刀的方式不合理；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（dāng），如主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速、進給速度、步距等選擇不合適；7）加工過（guò）程中刀具與工件之間（jiān）發生（shēng）過切現象；8）零點選（xuǎn）擇不恰當，無法找到對刀（dāo）點。這些問題的出現往往會給實際零件的加工造成很多麻煩，諸如重新編製加工程序、加工後（hòu）必須打磨零件、返修零件或工裝、零件報廢和延遲（chí）產品交付等。這樣會（huì）從根本上削弱數（shù）控加（jiā）工技術的可靠性並影響其推廣應用。因此數控加工程序的（de）實現、質量、效率（lǜ）很大程度上取決於所編程序的合理性，為避（bì）免上述問題出現，可利用UG或Pro/E軟件加（jiā）工仿真（zhēn）功能，可預先（xiān）模仿加工過程（chéng），檢查是否出現上述問題，這樣在正式加工前就（jiù）可以發現問題，從而可提高加（jiā）工準備效率，縮短程序（xù）調試周期，加快生產過程。
 
      隨（suí）著機床（chuáng）技術的發展，數控機床日益廣（guǎng）泛地應用於葉片加工。總（zǒng）之，采用數控機床進行葉（yè）片數控（kòng）加工的（de）主要優越性（xìng）表現在：1）能提高（gāo）葉片加工質量（liàng），保證（zhèng）葉片型線更接近理論葉型。一次裝夾完成多道工序，可（kě）減少裝夾（jiá）次數、基準統一，這樣不僅可提高勞動生產率，更重（chóng）要的是可減少裝夾和（hé）定位誤差，大大提高加工質量。2）能提高葉片加工效率。采用五坐標加工中心加工汽道型麵，工序集中、工裝少、效率高、精度（dù）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（jiā）工，如帶冠彎扭葉片等，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。
 
      通過基於數控（kòng）機床（chuáng）的汽輪機葉片的數（shù）控加工（gōng）生產實踐證明，葉片（piàn）加工質量好，葉片加工（gōng）效率（lǜ）高，較好地解決（jué）了葉片批量生產的質量和效率問題，在生產中取得了很好的效果，這為葉片等具有（yǒu）複雜曲麵的（de）零件（jiàn）加工提供了一種（zhǒng）新的工藝方案和加工思路。
 
      4結束語
 
      本課題著重介紹運用Pro/E、UG等軟件對汽輪機葉片進行三維造型和數控加工編程生（shēng）成（chéng）,為葉（yè）片的數字化設計製（zhì）造(包括葉片型麵的參數化設計、葉片（piàn）型麵數控編程及型麵測具設計（jì）)提供強大的技術支持（chí）,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。
 
      隨著汽輪機葉片加工要求的提高，加工誤差的分（fèn）析研究就顯（xiǎn）得越發重要，尤其是葉片加工中的變形問題。必須尋求有效的方式減少加工中（zhōng）的變形。比如，可以將機床的回轉工（gōng）作台改為雙軸同步驅（qū）動，減少單側驅動所產生的扭轉變形；加工時葉片（piàn）零件裝（zhuāng）夾方式可以由頂尖壓緊改為拉伸的裝夾方式（shì），給葉片預加拉力，減少加工中因切削力作用所產（chǎn）生的變形（xíng）等。如何減（jiǎn）少汽輪機葉片加工的（de）誤差，提高葉片的加工精度（dù），提高加工效率，獲得葉片（piàn）良好的整體性能，是一個十分有意義（yì）的研究課題。
 
      在（zài）葉片的加工過程中正確地選（xuǎn）擇合理的加工工藝基準，確定合理的工藝流程和（hé）加工方法，設計（jì）合理可靠適用的工藝裝（zhuāng）備，研究設計嚴密可靠的測量方法，才能保證加工出合格的葉片。葉片數控加工的刀具耐用度與切削用量之間（jiān）不是單純的函數關係，必須找出其最佳組合，即優化切削用量。同時選好銑削刀具，提高切削參數，完善優（yōu）化數控程序（xù）設計，用足用好（hǎo）數控機床，充分發揮（huī）其經濟效益，為加工汽輪機葉（yè）片開創新的工藝思路。
 
      目前葉片的（de）加工一般（bān）使用多軸（3、4、5軸）加工中心代替傳（chuán）統的加工方法（fǎ），新型五軸聯（lián）動（dòng）加工中心可以加工一般三軸數控機床所不能加（jiā）工（gōng）行或很難一次裝夾（jiá）完成加（jiā）工的連續、平滑的自由曲麵（miàn）。國產新型五軸（zhóu）聯動加工（gōng）中心的研製成功，給汽輪機葉片的數（shù）控加（jiā）工帶來了新的（de）飛（fēi）越，在汽輪機葉（yè）片的加工中得（dé）到了較好的（de）應用，葉片型麵加工工（gōng）藝（yì）得到了很大的改（gǎi）進，工藝方（fāng）法更為（wéi）靈活，提高了葉片加工生產率和加工質量，減輕（qīng）了勞動（dòng）強度，從而使我國的汽輪機葉片製造技術趕上了國際先進水平（píng），並促進電力（lì）、飛機（jī）和軍工業的發展（zhǎn），對促進經濟發展和國防建設具有重（chóng）大意義。