葉片是汽輪機的核（hé）心關鍵零件,是汽輪機的心髒（zāng）,葉片加工質量的好壞直接影響到汽輪機的工作效率以及可（kě）靠性。隨著汽輪機（jī）設計（jì）要求的提高（gāo）,葉（yè）片加工要求也越來越高,特別是葉片型麵加工一直是汽輪機生產的瓶頸口,傳統的葉片加工方式（shì）其加工工（gōng）藝原始（shǐ）、加工手段落後,工人勞動負荷大,作業環境惡劣,生產效（xiào）率很難提高,加工質量難（nán）以保證。為此必須（xū）研究葉片加工新的工藝方（fāng）案和加工手段,作者主要探討了基於並聯機床的汽輪機（jī）葉片的數控（kòng）加工技術,經生產實踐證明,葉片加工（gōng）質量高,用並聯機床加工汽（qì）輪機葉片的方案是切實可行的。
 
      1  汽輪機葉片結構特點（diǎn）

      葉片是汽輪機極為重要的零部件,葉片的製造水平直接影響到（dào）汽輪機的（de）效率。按功能作用的不同,汽（qì）輪機葉片可分為動葉片(如圖（tú）1、2)和靜葉片(如（rú）圖3、4)兩種（zhǒng）。動葉片的結構（gòu）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,葉身結構複（fù）雜,多為扭轉（zhuǎn）自由曲麵。葉身型（xíng）麵分為內型（xíng）麵(或內弧)、背型麵(或背（bèi）弧)、進氣邊圓角、出氣邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等幾個部分。葉身型麵是由若幹個截麵（miàn）型線擬合而成的光滑複雜曲（qǔ）麵,由一組等距或不等距平行截麵（miàn）型線（xiàn）組（zǔ）成（chéng）的（de）空（kōng）間扭曲（qǔ）麵,其中葉身部分的橫截麵（miàn）稱為（wéi）葉型（xíng）,其每一個橫截麵邊緣叫型線,一條（tiáo）型線由進氣邊圓弧、背弧、出氣邊圓弧和內弧組成,型線（xiàn）的結構決（jué）定葉片的工作情（qíng）況,有的型麵為（wéi）彎扭變截麵或等截麵彎扭曲麵。常見的葉根結構形式有菱形、T形、叉形和樅樹形（xíng）等。外（wài）端（duān）的固定則稱為葉冠。葉片氣道的進（jìn）、出氣邊較薄,葉（yè）冠、葉根圓角較小。
 
      2 基於UG軟件葉片的三維（wéi）建（jiàn）模
 
      葉（yè）片的結構（gòu）一般比較複雜,其建模過（guò）程也相對複雜。葉片的三維建模主要分為葉身型麵、葉根和葉冠建模等部分。首先進行葉身造型,其次進行葉（yè）根和葉冠造（zào）型,然後（hòu）再將三（sān）者進行布爾運算相加（jiā）到一起,最（zuì）後進行附加結構的操作,這樣便可形成一個完（wán）整的葉片。數控程序的編製是根據葉片模型（xíng）的尺寸關係確定的（de）,所以（yǐ）建立（lì）的葉片模型的好（hǎo）壞,直接影響到數控加工程序的編製,最終也就影響到葉片的（de）加（jiā）工質量。通過CAD/CAM軟（ruǎn）件(如Pro/E、UG、MasterCAM、CATIA、Soliderworks等)進行葉片的三維建模。
 
      采用UG軟件（jiàn）完成葉片的實體建模。圖1、2為某動葉片三維造型,如圖3、4為某靜葉片三維造型（xíng）。葉片型（xíng）麵的原始設計數據一般是一係列的離（lí）散點或分段圓弧表（biǎo）示的截（jié）麵型線,這就需要（yào）用（yòng）曲麵擬合的方法在UG/Modeling模塊中生成光滑連續的曲麵。在葉片截（jié）麵型線構造（zào）時,由於離散點數量較多,輸入十分麻煩而（ér）且容易出錯,可以在CAD中事先處理,用樣條線擬合各個截麵型線,采集出許多控製點,在建模時將控製點文件調（diào）入。對截麵不相同的型（xíng）麵建模,首先構造各個截麵型線（xiàn）,然後（hòu）用通過曲麵組命令,依次選擇各截麵型線(選擇（zé）時要保證各個截麵的方向一致),最後用（yòng）蒙皮法生成葉型曲麵。對截麵相同的型麵建模,首先構造截麵以及生成線,然後（hòu）用已（yǐ）掃掠命令,使截麵沿著生成線方向掃描(需要控製參考方向,保（bǎo）證各個截麵的形狀相同),形成（chéng）型麵。
 
      葉根和（hé）葉冠的（de）建模,由於兩者形狀相對規則,通過拉伸、旋轉命令即可完成特征（zhēng）的描述,最後運用布爾運算命令進行修剪（jiǎn）,得到葉根及葉冠的模（mó）型。
 
      3 葉（yè）片的數控加工工藝
 
      葉片是汽輪機（jī）的主要（yào）部件之一（yī）,尤其它的氣道部分（fèn）決定（dìng）了汽輪機的發電功率,直接影響汽輪機產品的質（zhì）量。葉片數控加工是表（biǎo）征汽輪機製造技（jì）術（shù）達到現代（dài）先進製造水平的重要標誌之一（yī）。國外已普遍（biàn）采用數控（kòng）設（shè）備（bèi）加工（gōng）葉（yè）片,因此葉（yè）片數控加（jiā）工技術的應用開發已勢在必行。數控加工葉片（piàn）優越性:(1)能提高葉（yè）片加工質量,保證葉（yè）片（piàn）型線更接近理（lǐ）論葉型;(2)提高葉片（piàn）加工效（xiào）率;(3)降低了工人的勞動（dòng）強度。
 
      汽輪機葉片的材料一般為不鏽鋼,為難加工材料（liào）,常用（yòng）的（de）有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等,這些材料強度高、韌性大、熱硬（yìng）性好、加工時極易變（biàn）形,加工難度大。汽輪機葉片毛坯主要有（yǒu）3種:(1)鍛造毛坯;(2)方鋼毛坯;(3)精密鑄造（zào）毛坯。其中鍛造毛坯主要用（yòng）於動（dòng）葉片和結構簡單的靜葉片的製造;方鋼毛（máo）坯適用於整體尺寸較（jiào）小(<300mm)的葉片;精密（mì）鑄（zhù）造毛坯主要用於結構複雜的（de）、鍛造工藝難以達到要求（qiú）的、而機加工餘量較小的葉片。葉片切削加工特性主（zhǔ）要表現為:切削力大,切削變形大,切削熱大,刀片易磨損。
 
      隨著我國汽（qì）輪機（jī）行業的不斷發展,葉片的設計水平也在不斷的提高,主要（yào）為變截麵扭曲葉片,葉片氣道型線部分是空間三坐標數據點,加工精度要求很（hěn）高,加工難度很大。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（miàn）,加工工藝要求高,葉片機械（xiè）加工工作量一般要占（zhàn）整台汽輪機冷加工工時（shí）的25%~40%,需要多軸(如四、五軸)聯動（dòng）的（de）數控機床來加工。隨著汽輪機葉片加工要求的不斷（duàn）提高,對加工設（shè）備及工藝技術水平（píng）要求很高。它要求設備要有更靈活的切削運動,能實現多方位以及複（fù）合曲（qǔ）麵結（jié）構的（de）加工,不僅要求機床加（jiā）工時運行平穩,能實現高速加工,而且要（yào）求機床具有高的運動加速度,提高加工效率,實現敏捷式加工。
 
      根據葉片零件圖,分析葉（yè）片的具體（tǐ）結構,確定（dìng）葉片數控加工內容:主要有葉型曲麵(內（nèi）弧、背弧),進氣邊圓角、出氣邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角等（děng）的加工。
 
      葉型曲麵的加工常用兩種加工方案:(1)葉片不回轉加工即刀具沿著葉片（piàn）軸線加工。這樣加工近似沿（yán）直線加工,所以切削效率較高,但表麵加工質（zhì）量較差;(2)葉片回轉加工即刀具沿截麵型線加工。數控機床必需增加一個轉動軸來參與聯動,加工時工件葉片回轉,刀具沿工件葉（yè）片截麵型線切削一周,橫向進（jìn）刀後再（zài）切削下一（yī）周。這種方案加工效率相對（duì）較低,且易出現過切,但葉型表麵加工質量較好。由於葉型是光滑連續的曲麵,所以用一刀成形（xíng）的方法,生成沿（yán）型線連續的刀具軌跡,一次加工出內弧和背弧。
 
      對葉根圓角和葉冠圓角,則用側銑的方法加工。葉片（piàn）加工工藝過程如圖（tú）5。

      通（tōng）過CAD/CAM軟件根據三維模型生成數（shù）控加工指令,對實體模（mó）型進行模擬加工,確定加工刀具路（lù）徑、加工參數和刀具補償,然後生成（chéng）數控機床(如加工（gōng）中心)可識別的NC程序輸入數控（kòng）機（jī）床進行葉片數控加工。如圖6為葉片CAD/CAM流程圖。

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

     
      並聯機床是新一代高（gāo）性能機床,它是在Stewart平台的基（jī）礎上設計而成的。並聯機床的核心機構就是Stewart平台。Stewart是一種新型的、6自（zì）由度的空間並聯結構,它由上（shàng）下兩個平台和6個可獨立（lì）自由（yóu）伸縮的杆件（jiàn）組（zǔ）成,伸縮杆和兩個平台（tái）通過虎克鉸和球鉸鏈進行（háng）連接（jiē）。如圖7、8所示為基於Stewart機構的國內某公（gōng）司生產的並（bìng）聯加工中心HLNC5001的（de）主要結構（gòu）,它是由一個定平台、一個動平台和6根驅動杆組成。驅動杆的一端通（tōng）過虎克鉸與定平台相連;另一端（duān）通過球（qiú）鉸與動平台相連。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（jī）床的主體,對整個機床起到支（zhī）撐作用;(2)6根伸縮杆,為動平台的各種運動提供（gòng）動力,通過改（gǎi）變伸縮杆的長度來控製動平台的位姿,以滿足加工需要;(3)動平台,用於安裝主軸（zhóu）部件,同時也是（shì）6根杆的控製（zhì）對（duì）象;(4)主軸部件,其主要部分為電主軸,提供切削時（shí）的刀（dāo）具動力;(5)刀頭點（diǎn）,它是數控係（xì）統的控製點,利用刀頭點作為控製點,可以形成全閉環（huán）控製,可以對彈性變形以及振動引（yǐn）起的誤差進行補償,提高加（jiā）工精度,減少並聯運動機床的動（dòng）態誤（wù）差;(6)回（huí）轉台,用於裝夾工件,完成零件的回轉加工;(7)連接件,連接各類零部件（jiàn）,如虎克鉸、球鉸鏈等（děng）,使並聯運（yùn）動機床（chuáng）能夠按照（zhào）要求靈活運動;(8)操作麵板,提供良（liáng）好的人機交互界麵,能有效（xiào）地操作機床。該並聯機床提供了中文顯示的用戶界麵;(9)其他部件,如刀庫、排屑機、冷卻係統、液壓係（xì）統等（děng）輔助部件。
 
      4.2並聯機床的工作原理
 
      從HLNC5001並（bìng）聯（lián）機床的結構（gòu）可以看出,並聯機床是由六自（zì）由度空間並聯機構組成的,即由6根（gēn）可伸（shēn）縮杆通過球鉸或虎克（kè）鉸將固定平台與動平台相連,它的工作原理是:機床主軸與刀具的運動是由6根驅動杆的運動複合而成的（de）,而不是像傳統機床那樣是（shì）由各運（yùn）動部件的運動疊加而成;如果將上平台作（zuò）為固定平台,以伸縮杆的位移作為輸（shū）入變量,則可以控（kòng）製動平台的空間位移（yí）和（hé）姿態,即通過改變6根可伸縮杆的杆長,動平台可以實現不（bú）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軸上隨動平台一起運動（dòng）,以實現對曲麵的加工;6根可伸縮（suō）杆由滾珠絲杠副和滾（gǔn）珠花鍵副構成,由（yóu）6個伺服（fú）電機（jī）驅動來（lái）控製各杆的杆長;在機床工（gōng）作台上串聯了一個數控回轉台,在葉片加工時使葉片隨數控轉台（tái）繞X軸回轉(A軸（zhóu）),並和並聯機床的其他6軸實現聯動,形成七軸聯動（dòng）的（de）並串聯加（jiā）工（gōng）係統,從而實現空間任意複雜形狀的曲麵（miàn）加工;在加（jiā）工葉型曲麵時,通過數控轉台（tái）的回轉,使葉片毛坯和刀具相對運動,可以生成連續的加工路徑,並且（qiě）隻需一（yī）次裝夾,就可以加工出包括內弧、背弧和進出氣（qì）邊圓角在內的完整的葉片葉型曲麵,而且在不發生幹涉的前提下（xià）可（kě）以任意調整刀具的加工姿態,從而實現空間任意（yì）複雜形狀的曲麵加工,使（shǐ）葉型曲麵的加工質量得到保證。這種並（bìng）聯機床特別適合加工複雜曲麵的零件,如葉片、葉輪、螺旋漿及（jí）複雜（zá）模具的型腔（qiāng）加工等。
 
      5基於並聯機床的汽（qì）輪機葉片的數控加工（gōng）

      隨著CAD/CAM技術的發（fā）展,自動（dòng）數控（kòng）編（biān）程技術能直接將零件的幾何信（xìn）息轉化（huà）為數（shù）控加工（gōng）程序,給汽輪機葉片的數控加工程序的編製帶來（lái）了很大（dà）的（de）方便（biàn）。目前（qián）應用較成熟的CAD/CAM軟件有UG、Pro/E、Mastercam等,這些軟件的出現使（shǐ）得以往四、五軸聯動加工（gōng）編程中存（cún）在的問題得到了解決（jué）。基於並聯機床的汽（qì）輪機葉片的數控加工流程主要分為兩大部分完成:(1)CAD的處理過（guò）程;(2)並聯機床的加工過程。主要加工（gōng）內容為（wéi）葉片的（de）葉身型麵、葉根、葉冠及葉身與葉根、葉冠的交接麵。圖9為並聯機床加工汽輪機葉片工作流程圖。

      基於UG或Pro/E的葉片（piàn）數控加工編（biān）程主要包括如下內容:(1)葉（yè）片（piàn）零件三（sān）維造型;(2)確定葉片數控加工工藝（yì）方案,選（xuǎn）定數控機床、刀（dāo）具、夾具和量具等;(3)刀位計算並生成刀具運動軌跡;(4)刀具運動軌跡仿（fǎng）真、校驗（yàn）和編輯（jí）,並生成刀（dāo）位文（wén）件;(5)最後通過後置處理程序將刀位文（wén）件轉換成為數控機床可讀（dú）的NC代碼。
 
      采用UG軟件進行葉片的數控加（jiā）工,其（qí）數控加工編程一般可由下列步驟（zhòu）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（jiā）工數據和信息輸出成為刀位源文件(CLSF)。刀位源文件(CLSF)主（zhǔ）要包括刀具信息、加（jiā）工坐標係信息、刀（dāo）具（jù）位置和姿態信息以及各種加工輔助（zhù）命（mìng）令信息等,還需要（yào）經過後置處理器,將其轉變為機床能夠接受的數控程序,也可（kě）以用並聯機（jī）床自帶的後處理程序進行後處理。UG軟件提供了各種複雜零件的粗精加工（gōng）,用戶可以根據零件結（jié）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（zhǒng）加工類型中包括了多個加工模塊（kuài）。應用加工模塊可快速建立加工操作。在交互操作過程（chéng）中,在圖（tú）形（xíng）方式（shì）下交互編（biān）輯刀具路徑,生成適合具體機床的數控加工程序。
 
      在編（biān）製數（shù）控加工程序時,本著基準統一、減少走刀次數的（de）原則,把葉片（piàn）葉身型麵、葉（yè）冠與（yǔ）葉根圓角、進、出氣邊圓角的數控加工程（chéng）序編（biān）製在一起。在葉片的加工中根據工藝的需要,一般選擇葉（yè）根的中心軸線為加工坐標係的零點。由於目前葉片葉身型麵設計越來越複雜,精（jīng）度要求越來越高,因此數控加工程序也越來越複雜,出（chū）現錯誤的概率也隨之（zhī）增加。通常（cháng）情況下,如果加工程（chéng）序編製不恰當,可能出現下列問題:(1)加工方案不合理,影響加工效（xiào）率;(2)刀（dāo）具參數設置不當,如刀具半（bàn）徑選擇過大（dà）,則零（líng）件加工不完全,出現大的（de）殘留;刀具半徑選擇過小,則切削效率較低;(3)刀（dāo）具與工件之間發生幹涉或碰撞;(4)刀具（jù）走（zǒu）刀路線、進退刀的方式不（bú）合理;(5)刀位（wèi）軌跡不正確,零件外（wài）形或（huò）尺寸錯誤（wù）;(6)切削（xuē）參數選擇不當,如主軸轉速、進給速（sù）度、步距等選（xuǎn）擇不合適;(7)加工過程中刀具與工件之間發生過切現象(8)零點選擇不恰當（dāng）,無法找到對刀點。這些（xiē）問題的出現往往會給實際零件（jiàn）的加工造成很多麻煩（fán）,諸（zhū）如重新編製加工程序、加工後（hòu）必須（xū）打磨零件、返修零件或工裝、零件報廢、延遲產品交付等。這（zhè）樣會（huì）從根本上削弱數控加工技術的可（kě）靠性並影（yǐng）響其推廣應（yīng）用。因此數控加工質量、效率很大程度上取決於所編（biān）程（chéng）序的合理性。為避免上述問題出現,可利用UG或Pro/E軟件加工仿真（zhēn）功能,預（yù）先模仿加工過程,檢查是否出（chū）現上述問題,這樣在正式加工前就可以發現問題,從而可提高加工準備效率,縮短程序調試周期,加快生產過程（chéng）。
 
      有了先（xiān）進的並聯機床,還需要配合（hé）先進的刀具,才能更好地發揮並（bìng）聯機床的優勢。考慮（lǜ）到生產效率和葉片（piàn）質量,符合現代機加工少餘量高速銑削的（de）理念,所有工步都選用硬質合金刀具,一般采用立銑刀、球頭立銑刀、球頭錐銑刀、帶角圓的圓柱銑刀(環形刀)、鼻（bí）型刀等加工。根據並聯機床的功能特性,一次（cì）裝夾葉片,能夠完成90%的加工量,消除了由（yóu）於多次裝夾造（zào）成的定位誤差（chà）,葉片質量有了可（kě）靠的保證。
 
      通過基於（yú）並聯機床的汽輪機葉片的數控加工生產實（shí）踐證明,葉片（piàn）加工質量好、效率高（gāo）,較好地（dì）解決了葉片批量（liàng）生產的質量和效率問題,取得（dé）了很（hěn）好的效果,因此用並聯機床加工汽輪機葉片的方（fāng）案是切實可行的。這不僅為葉片等具有複雜曲麵的（de）零件加工提（tí）供了一種新的加工設備和工藝（yì）方案,還為促進並聯機床的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（jī）於並聯機床的汽輪機葉片的數控（kòng）加（jiā）工技術。通過改進工藝,將去葉片毛坯餘量（liàng）工序改在（zài）普通機床上完成,縮短葉片在數控機（jī）床上的加工工時,盡量利用數控（kòng）機床加（jiā）工精度高的特性,完成葉片型麵的精加工工序。葉片（piàn）加工的刀具耐用度與切削（xuē）用量之間不是單純的函數關係,必須找出其（qí）最佳組合,優化切削用量。同時選（xuǎn）好（hǎo）銑削刀具,提高（gāo）切削參數,完善數控程序設計,用足用好數控（kòng）機床,充分（fèn）發揮其經濟效益,為加工汽輪機葉片開創（chuàng）新的工藝（yì）思路。
 
      隨著汽輪機葉（yè）片加工（gōng）要求的（de）提高,加工誤差的分析研究就顯得越發重要,尤其是葉片加（jiā）工中的變形問題。必須尋求有效的方（fāng）式減少加工中的變形。比如,可以（yǐ）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（niǔ）轉變形;加工葉片時零件裝夾（jiá）方式可以由（yóu）頂尖壓緊改為拉伸的裝夾（jiá）方式,給葉片預（yù）加拉力,減少加工中因切削（xuē）力作用（yòng）所產生（shēng）的變形（xíng）等。如何減少汽輪機葉片的加工誤差,提高加工精度和（hé）加工效率,獲得葉片良好的整體性能,是一個十分有意義的研究課題。
 
      目前葉片的加工（gōng）一般使用五軸加工中心（xīn）代替傳統的加工方法,新型五軸機床可以（yǐ）加工一般三軸數（shù）控機床所不能加（jiā）工或很難一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲麵。並聯機床是隨著並（bìng）聯機構的理（lǐ）論研究（jiū）與（yǔ）計算機（jī）軟硬件技術不斷（duàn）發展而產生的,並聯機床具有模（mó）塊化程度高、剛度高、剛度重量比大、動態性（xìng）能好、響應（yīng）速度快、適應性強、容易（yì）實現多軸聯動等（děng）優（yōu）點,非常（cháng）適用於複雜曲麵的（de）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越,使複雜形狀的葉（yè）片有了（le）更多的加工手段,提供了葉片的數控加工新（xīn）途徑,葉片型麵加工工藝得到了很大的改進,工藝（yì）方法更為靈（líng）活,提高了葉片加（jiā）工生產率和加工質量,減輕了勞動強度。它充分利用數控技術的潛力,徹（chè）底改變了傳統機床的結構配置和運動學原理（lǐ）。國（guó）產並聯機床以（yǐ）其獨特的優勢成為新一代數控機床的範（fàn）例,在汽輪機葉（yè）片的加工中得到了較好的應（yīng）用,大（dà）大降低了機床的成本,從而（ér）使我國的汽輪機葉片製造技（jì）術趕上了國際先進水平,並促進（jìn）電力、飛機和軍工（gōng）行業（yè）的（de）發展,對促進（jìn）經濟發展和國防建設具有重大意（yì）義。