近年來大型汽輪機中的葉片普遍采用彎扭葉型，其精度要求高、制造難度大，而主要的加工難點則集中在對型面的加工上。由于多軸銑相比傳統三軸銑具有加工適應性強、切削狀態好的優點，目前該類葉片的型面加工通常都采用多軸銑的方式來進行。

　　然而，目前國內汽輪機葉片多軸數控加工設備及軟件基本由國外廠商所提供，并采取捆綁銷售。由于專用編程軟件根據葉片加工的特點及專用機床的配置而設計，因此針對性很強。不僅具有豐富的多軸加工策略，還包含了葉片輔助工藝設計功能。當輸入葉片的造型數據后，只要進行簡單的參數設定，就能配合專用葉片機床快速完成葉片加工。然而由于在程序中包含了大量的機床專用指令，因此無法直接移植到其它數控機床上進行使用。近年來雖然市場上也出現一些國產的葉片加工機床，有的還在某些技術上有所突破，但總體來講應用效果并不十分理想，其中的一個重要原因就是沒有解決好葉片的多軸編程問題。而基于通用CAD/CAM軟件的應用研究及二次開發，無疑是解決葉片多軸編程的可行之路。本文將在分析葉片多軸加工特點的基礎.基于SIEMENS NX軟件對葉片多軸加工中的若干關鍵技術進行研究。

　　1 葉片多軸加工的工藝特點

　　以一個典型的葉片型面多軸銑加工工藝為例，所包含的主要工序通常有(如圖1)：

　　(1)型面開槽：在靠近葉根(或葉冠)的一端的型面毛坯上開出一條寬槽，以方便后續加工的刀具落刀，如圖1a所示。

　　(2)型面半精加工：在上述工序所開的槽處落刀，沿汽道方向進行擴槽加工，如圖1b所示。

　　(3)過渡面清根加工：以葉根(或葉冠)側面為導向，繞汽道面加工出符合要求的圓弧過渡面，如圖1C所示。刀具一般采用帶錐度球刀，根據余量情況，可采用不同直徑的刀具進行多次切削。

　　(4)汽道面整體精加工：一般使用直徑較小的帶錐度球刀，以較小的切削量和較大的切削速度完成整個型面的精加工，如圖1d所示。

　　圖1葉片型面多軸銑加工工藝的主要工序

　　在上述典型工藝中，型面的半精及精加工均采用螺旋線銑削方式，其走刀軌跡由刀具圍繞葉片型面作整周回轉的一系列螺旋線所形成。而開槽及清根加工則采用類似的繞葉片作整周回轉的軌跡，其共同的特點是：葉片整周切削過程中，軌跡光滑連續，可采用高速銑削;同時切削過程中葉片對稱受力，使加工變形大大減小。

　　多軸銑在給葉片型面加工帶來很多優點的同時，也帶來了許多應用上的復雜性。首先是多軸算法相比3軸算法對被加工曲面的質量提出了更高的要求。曲面局部的不光順及相鄰曲面的非光滑連接，不僅會在由驅動點投影生成刀觸點時出現交叉或重疊，同時也會在形成刀軸矢量時產生突變，生成不合理的刀具軌跡。其次是刀具運動參數設置的復雜性。為了改善刀具的切削狀態，多軸加工中的刀軸矢量必須根據被加工曲面的形狀變化而變化。在計算刀具軌跡時，刀軸矢量一般通過定義刀具與曲面的前傾角(1ead angle)和側傾角(tilt angle)來設定，如圖2所示。由于前傾角和側傾角均可在一個合理的取值范圍內變化，如何在不同的位置設置不同的傾角，使刀具在具有良好的切削狀態的前提下，盡可能地采用不同的位置參與切削來提高刀具的耐用度，是非常值得研究的。但變傾角的合理設置與實現又是一項非常復雜和困難的工作。再就是與3軸銑相比具有不同的驅動軸速度控制方式。3軸銑程序中每個程序段定義的切削速度僅為三個線性軸的合成速度，而多軸程序中的切削速度則為線性軸與轉動軸的合成速度，各軸的速度分配情況更復雜。如果程序中的切削速度設置不合理，就會在葉片加工中出現由于超出控制軸響應速度而導致的葉片過切或欠切現象。

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　　圖2刀具的前傾角和側傾角

　　2葉片多軸加工編程中的關鍵技術

　　汽輪機葉片型面加工涉及到多軸數控加工編程與復雜曲面造型。以下以國產4軸立式加工中心及7軸混聯機床為葉片加工設備，以NX為葉片多軸加工編程軟件，來對應用通用軟件解決葉片多軸加工編程中的一些關鍵技術進行討論。

　　2.1 葉片型面的高質量幾何建模技術

　　在多軸加工中，曲面的光順性及曲面間的光滑連接特性對生成多軸數控加工程序的質量影響很大，這就對葉片型面的幾何建模提出了更高的要求。葉片型面的高質量幾何建模，首先是指型面在各截面型線方向上要保持光順。其次，在葉片徑向上曲面也要求同樣保持光順。如果型面是分塊構造的，則還需保證各曲面片在連接邊界上保持至少Gl連續。

　　型面在截面型線方向上的光順性，主要由截面型線的質量所決定。每個截面型線一般由內弧、背弧、進汽邊圓弧和出汽邊圓弧這四段曲線來構成。內、背弧段的數據一般為離散點，而進、出汽邊圓弧的數據大多由圓心和半徑數據直接給出。內、背弧曲線在NX中可由過型值點的三次參數樣條曲線(spline through points)來定義。曲線在定義之初往往無法直接滿足光順性要求，需要進行適當的編輯處理。打開曲線的曲率梳(curve combs)功能，能直觀地反映曲線的光順性，并幫助去除定義數據中可能存在的“壞點”。結合應用型值點自動光順(smooth spline)功能及手工的微調處理，使編輯形成的曲線曲率梳平滑而沒有拐點，同時又不超出曲線允許的擬合誤差，如圖3所示。根據筆者的經驗，比較理想的處理方法為：先定義并調整自由端點矢量條件下的內、背弧樣條曲線，然后均勻取圓弧上的數點用樣條線或二次曲線來表示進、出汽邊圓弧，并控制兩端與樣條相切。這種方法不僅很好地滿足了擬合精度，而且也容易保證曲線的光順性。

　　圖3某截面型線背弧段的光顧處理

　　型面的定義可于所有截面型線按要求定義完成后進行。為了保證后續處理的靈活性，不妨將型面分塊構造，同時特別注意曲面間的G1連續性要求。如內、背弧面可使用曲線放樣功能(mesh surface-一through curves)來完成，而后續進出汽邊圓弧面則必須采用網格曲面功能(mesh su柏ce_through curve mesh)來構造，并控制邊界相切條件。按上述方法構造的型面在葉片徑向上也能保持G2連續，但是否光順而沒有多余拐點，則主要取決于各截面型線給出的質量。鑒于多軸螺旋線刀軌是沿汽道截面方向來生成的，曲面在該方向上的質量對刀軌一般影響不大，在此不展開討論。

　　2.2基于法矢分析的汽道面變傾角加工技術

　　機床驅動軸速度的突變與反向，是引起葉片加工誤差的主要原因之一。由于進、出汽邊型面在曲率半徑上與內、背弧面間相差很大，特別在加工到進汽邊曲面時，刀具會在短時間內產生很大的擺角，引起驅動軸速度的突變。如果在進入該位置前采用大前傾角，并逐步過渡到結束該位置加工時的較小前傾角，就能有效減小擺角。另外，由于截面型線中的內弧段為凹曲線，而其余各段則為凸曲線。在等前傾角加工的情況下，刀具在進入內弧面及退出內弧面之前，會出現兩次擺動方向的突然反向。要避免或改善上述現象，就需要在加工中實現變前傾角控制。此外，對于大彎扭葉片型面及斜葉根(葉冠)情況，還必須通過變側傾角控制，才能實現型面全范圍的有效加工，避免與葉根、葉冠間可能發生的干涉問題。

　　在葉片專用編程軟件中，可以設定刀具加工到汽道不同截面時，在切人和切出內、背弧段處所采用的不同傾角，還可以在上述各位置上設置不同的切削速度，以獲得理想的加工程序。但上述參數無法由軟件自動設定。參數設置的合理與否，主要由編程人員對工藝的理解與編程經驗所決定。基于法矢分析的汽道面變傾角加工能為編程人員對加工參數的設定提供一些理論依據。由于篇幅關系，這里僅介紹前傾角的變傾角控制方法。#p#分頁標題#e#

　　前傾角的取值主要根據刀具的切削狀態及干涉條件來定，在葉片多軸加工中通常可在5°一50°間取值，合理的取值可基于對各截面型線的法矢分析為基礎來進行。圖4a所示為根據某截面型線所生成的法矢，圖4b所示為定義與出汽邊起點處法矢夾一較大偏角的矢量。在其余三個進、出汽邊始末點處按同樣方法定義不同的偏角的矢量后，插值生成的繞型線的控制矢量，如圖4c所示。以這些矢量來控制刀軸，就能使刀具在進、出汽圓弧處的擺角明顯減小，并避免刀具在內弧段出現突然擺動反向問題。

　　圖4截面型線的法矢分析

　　葉片型面多軸螺旋銑在NX中可由以型面為驅動面的曲面輪廓變軸刀軌(variable—contour—surface area)來定義，而刀軸控制最常采用的是相對驅動面(relative to drive)方式。但該方式只能使刀具與曲面間保持恒定的前傾角和側傾角，當需要實現變傾角編程時，必須將刀軸方向控制方式設定為插值(interpo—late)，然后在驅動面的各關鍵點上設置刀軸矢量方向。刀軸矢量方向可預先按上述基于法矢分析的方法來確定，型面上其余各處的刀軸矢量就由這些定義的矢量插值得到。圖5所示即為前傾角與側傾角同時可變的某斜冠葉片的刀軸矢量設定及生成的刀軌。

　　圖5可變前傾角與側傾角約葉片刀軸矢量設定及生成的刀軌

　　2.3基于動力學特性分析的切削速度優化技術

　　使用NX進行編程時，無法在被加工面的不同位置設置不同的切削速度。這樣，通常生成的加工程序中其切削速度F是恒定的。而切削速度實際上是各運動軸合成的一個等效速度，各運動軸的實際速度需按一定關系進行換算。以FANUC Oi為控制系統的四軸立式加工中心為例，一條直線加工指令G01 Xx Yy zz Aa Ff中，各軸的速度分解采用如下方法：

　　其中 分別為各軸的切削速度。

　　為了對等切削速度多軸螺旋銑的動力學特性進行分析，以下在一個典型的型面精加工四軸程序中截取一段，并在讀取各軸的位移數據后，分析了刀具在繞型面轉一周的過程中各軸的速度及加速度。從輸出的速度曲線來看，各軸的速度變化曲線各不相同，如圖6所示(僅列出Z軸與A軸的曲線，下同)。但從圖7所示的加速度曲線上看，各軸則表現出幾乎相同的特征：在整個時間段內均會在同樣的三處出現峰值。經與原程序對比后發現，分別出現在進入和退出出汽邊圓弧及在內弧段刀軸突然反向處，正好對應于加工中極易出現過切等質量問題的位置。

　　圖6Z軸、A軸的速度曲線

　　圖7Z軸、A軸的加速度曲線

　　為了改善上述情況，對切削速度進行變速控制是一種可行的方案。即在預測到驅動軸會出現過高加速度點之前，對切削速度進行逐級減速，然后在過該點后再逐漸加速至正常速度。在NX的后置處理模塊Post.builder中，能利用tcl語言對刀位數據進行分析與處理。利用tcl語言加入速度優化算法，對后置處理模板文件進行定制，就能在對刀位文件進行后置處理的過程中解決變速控制問題。或對經正常后置處理生成的加工程序由定制的速度優化程序進行處理，也能實現上述要求。上述加工程序經定制的速度優化程序處理后，各軸的加速度峰值均得到了明顯的抑制，如圖8所示。#p#分頁標題#e#

　　圖8優化后的Z軸、A軸加速度曲線

　　經實際機床切削對比后表明，基于動力學特性分析的切削速度優化，能大大改善葉片加工過程中各驅動軸的動力學特性，從而有效地提高葉片型面的加工精度。

　　3 結語

　　加強對葉片多軸加工編程中的關鍵技術的研究，能擴大通用CAD/CAM軟件對于葉片多軸銑加工編程的適用性。不僅能促進先進的葉片型面加工工藝的普及應用，同時也能酉己合國產葉片加工機床的研發，逐步打破國外葉片型面加工專用機床的壟斷。