混流式转轮铸造叶片的数控加工难点及解决方法

1、 引言

　　混流式转轮铸造叶片数控加工过程中面临的难点主要包括：（a）如何在加工前就能确定每块铸造叶片的毛坯余量，并对余量不足的区域进行补焊，以避免在加工过程中占用机床时间补焊或加工后再进行叶片补焊；（b）如何确定叶片加工位置（加工较小叶片时，通常可以在机床上通过跑点校正叶型并调整叶片加工位置，但这种方法不适合大尺寸叶片），如何在叶片没上机床前就将叶片毛坯按最佳加工位置调整并装夹好，不占用机床时间；（c）铸造叶片一般较大，如何设计铣工具才能既保证叶片装夹方便稳固，同时还要使设计具有通用性，减少铣工具成本；（d）粗铣叶型占了65%以上的叶片加工时间，对提高效率至关重要，数控编程方法上如何改进，使粗铣叶型时效率更高，最大可能地减少叶片的加工工时；（e）如何设计工艺吊攀，用于叶片加工过程中翻身、叶片加工结束后转运及后序的转轮装焊。

　　我们通过运用先进的叶片3D 测量技术，并使用UG软件进行CAD 设计和CAM 编程，使以上问题都顺利得到了解决。本文将分别从叶片毛坯3D 测量、叶片铣工具设计和叶片数控编程以及叶片工艺吊攀设计进行阐述。

2 、叶片毛坯3D 测量

　　加工铸造叶片，如果毛坯余量不够或者叶片装夹位置不合理，很可能导致叶片上局部区域未被加工出来，从而造成后序补焊和返工工时增加。因此在第一个阶段，需要确定合理的叶片加工余量和最佳叶片装夹位置。我们知道空间任一自由物体共有6 个自由度，分别为沿X、Y、Z 轴移动的3 个自由度和绕X、Y、Z 旋转的3个自由度，若使工件在空间处于固定不变的位置，就必须对这6 个自由度加以限制［1］。根据这一原理，我们事先在每块叶片毛坯上焊装了3 个球作为控制点来控制叶片的6 个自由度。同时在叶片毛坯上各部位（包括正背面、进出水边、上冠下环边）按要求画上大致规则的栅格点，并用三维测量仪测出这些毛坯点的坐标以及3 个球的球心坐标。然后我们使用3D 测量软件，将这些毛坯点与叶片3D 模型进行自动拟合计算，3D 测量软件会自动将这些毛坯点调整到叶片各处余量均匀的位置（即叶片最佳装夹位置），并将该最佳位置对应的3 个球心坐标转换成加工坐标系输出。有了这3 个球心的加工坐标，就可以在叶片铣工具上按这3 个点的相对位置关系装上3 个凹球面支撑座，这样毛坯叶片就可以通过三个球面定位，被顺利装夹到叶片铣工具上，并保证按此位置加工，毛坯叶片各处余量均匀。通过3D 测量软件的计算，我们可以事先就确定毛坯余量是否足够，并且软件会明确标出毛坯叶片上哪一块区域的余量不足，方便我们在叶片加工之前就对该部位进行补焊，不需要占用机床时间，并使加工后叶型完整美观。

　　2.1 测量仪器

　　为保证测量数据的准确性，我们采用激光跟踪仪对叶片毛坯进行了取点测量（如图1 所示）。这是因为激光跟踪测量仪具有高精度、高效率、实时跟踪测量、操作简便等优点，并且通过转站的方法可扩大测量范围，通过拟合计算，把不同站位数据相互联系，形成一个统一的坐标系，适合大尺寸工件空间点位的测量。

　　2.2 毛坯准备

　　为了便于测量后寻找叶片最佳装夹位置，根据6 点定位原理，我们在测量前在毛坯叶片背面适当位置预先焊接了3 个螺母，并拧上3 个钢球来控制毛坯叶片的6个自由度（钢球可拆卸，便于钢球重复使用，节约成本）。同时在毛坯叶片背面焊接上适量的吊攀，便于对毛坯叶片进行装夹紧固，如图2 所示。

　　2.3 测量取点及毛坯数据输出要求

　　毛坯坐标取点要按一定的要求进行：叶片各个不同部位要分开取点，并用所属的表面命名加以区分。表面取点时大致均布即可，不需要很规则的栅格点，叶片表面曲率大的地方或者表面余量少的地方（如局部凹下去的地方）需要多测几个点。正、背面上取点不要离边界太近，应离开至少50mm 为宜，进水边按头部形状一般每个截面取三点，出水边、上冠和下环边取点可取在叶片厚度中间的部位［3］。这些要求的制定是便于保证后序通过软件可将毛坯点与叶片模型进行正确的拟合。将这些测量点按所需的格式输出成DAT 文件，就可以开始下一步。

　　2.4 用3D 测量软件拟合并计算出毛坯最佳装夹位置，然后输出加工坐标系下各毛坯测量点的新坐标将毛坯测量点与叶片3D 模型进行拟合，3 D 测量软件会自动计算毛坯点与叶片模型之间的距离，并将叶片位置调整到各部位余量均匀的最佳位置。3D 测量软件并可使每个测量点按其余量多少显示为不同的颜色，且各表面的点（正面、背面、进水边、出水边、上冠边、下环边）可以选择显示或者关闭，这样毛坯叶片各处余量也就一目了然，如图3。

　　左侧色谱颜色变化与测量点余量多少相对应，比如余量超过10mm 则该测量点显示为红色，余量如果低于10mm 则该点显示为深蓝色，余量范围可以任意设定。从图3 中可以看出右下侧序208 点加工余量最少。这时就可以判断叶片各部位是否要在加工前补焊以及补焊区域的大小，可避免加工过程中在机床上补焊或加工后补焊，减少因此造成的工时损失，并提高叶片加工后表面质量。

　　最后按加工坐标系输出所有测量点（包括3 个定位球球心）的新坐标，这样根据3 个球心坐标就可以确定毛坯叶片在铣工具上的装夹位置，且按此位置加工，叶片各处余量均匀，不必在机床上再去校正叶型。

3 、叶片铣工具的设计

　　叶片加工分两次装夹，分别加工完成叶片的正面及背面叶型，铣工具设计也分成正面铣工具和背面铣工具两部分。其中正面铣工具要能实现灵活调节叶片位置，因为每块叶片毛坯不同，装夹位置也不相同，正面铣工具需要能适用于所有的叶片。背面铣工具结构虽相对固定，但要注意保证定位基准面准确。背面铣工具铣加工时要特别注意这一点：铣工具筋板曲面和4 定位销相对位置关系要正确，背面铣工具加工零点X、Y、Z 3 个角尺面要铣准。这是整块叶片虽然分两次装夹完成，但加工后叶片正、背面型线加工误差符合设计公差要求的关键所在，不得有丝毫马虎。

　　3.1 正面铣工具

　　正面铣工具主要包括一块大底板和3 个带凹球面的支墩以及一些压板及支撑附件。3 支墩凹球面与叶片上所焊的3 个球相配，叶片3 球定位后，通过叶片毛坯上预先焊的4 个工艺吊攀被固定到大底板上。鉴于每块毛坯叶片的装夹位置均不相同，设计正面铣工具时要充分考虑其能够实现灵活调节即通用性。因此正面铣工具底板上设计有成排的螺孔以方便装夹，3 个支墩及其他支撑附件也都设计成高度可调式结构。叶片正面在卧式镗铣床上的装夹俯视图如图4 所示。

　　3.2 背面铣工具

　　背面铣工具主要由一块大底板和一些曲面筋板组成。筋板被预先铣成叶片正面一致的曲面，同时筋板侧面装有4 个定位销，用于保证叶片第二次装夹时的准确定位。由于叶片背面铣工具直接关系叶片加工精度，对保证加工质量非常重要，因此背面铣工具筋板的型面与定位销的相对位置需要十分准确。为此，我们特地设计了第4只定位销用来校核，这样可以很方便核对背面铣工具的加工是否正确，因为当第一块叶片正面铣好装夹到背面铣工具上，如果发现叶片与筋板曲面间隙较大，有了第4只销子就容易判断到底是背面叶片铣工具的问题还是叶片加工的问题，这也是我们这么多年加工叶片总结出来的经验。加工背面叶型时，每块叶片装夹位置准确一致，有效地保证了叶片型线的精度要求，又保证了叶片重量的一致性，方便以后的转轮装焊配重。

　　为节约成本起见，叶片背面铣工具也摈弃了之前筋板焊死在底板上的结构，改为筋板与底板之间用螺栓及定位块连接，以便底板可以重复用于其他产品。为保证拆下来的筋板以后装回到大底板上还是在同样的位置，我们特别设计了若干定位块，每块筋板安装到底板上后，在底板上先拧上小的定位块（定位块与底板之间的连接螺栓与定位块孔采用小间隙配合），然后将定位块与筋板配焊牢，每块筋板用2 个定位块固定。这样的设计既确保了筋板位置的唯一性，又可使筋板可拆卸，以便大底板能通用于其他产品。

4、 叶片的数控编程

　　叶片数控加工是通过三轴铣的方法、分两次装夹完成整张叶片的叶型加工。叶片主要的加工难度是在插铣加工叶片四周边和粗铣加工叶型的时候，因为这两步加工时叶片余量多且不均匀，占用了叶片65%~70%的加工时间，如果提高了这两步的效率，也就提高了整张叶片的加工效率。在UG 软件中进行叶片周边插铣加工和叶型粗加工的编程方法如下：

　　4.1 叶片四周边插铣加工的编程

　　叶片四周采用插加工方法去除多余的材料，这是因为叶片是不锈钢材料，且曲面四周加工需要刀具悬伸长，而插铣加工时刀具只受轴向力，能切除更多的材料，提高效率］。在UG 中选择曲面铣MILL CONTOUR 加工模式，并选取其中的固定轴曲面加工FIXED CONTOUR 命令，驱动方式选用曲面驱动SURFACE AREA，以叶片进水边为例，产生的插铣刀轨如图6 所示。

　　4.2 叶片叶型粗铣加工的编程

　　4.2.1 等高线粗加工

　　混流式转轮叶片为X 型叶片，且曲率较大，局部余量较多，因此粗铣编程采用直径大的圆刀片铣刀进行等高线加工，通过控制小的切削深度，大直径刀盘可以一刀就完成叶片粗加工，且切削平稳。编程时先将X 型叶片分成4 个区域，然后画出4 块封闭的边界线，每个切削区域都采用从高到低的等高线曲面轮廓加工方式。在等高线加工方式中，为了提高效率，还可以定义在不同的高度范围内使用不同的切削深度，在曲率大的地方采用较大的切削深度，曲率小的地方采用较小的切削深度。在UG 中选择曲面铣MILL CONTOUR 加工模式，并选取其中的等高线轮廓加工Z LEVEL PROFILE 命令，选取叶片正面延长面作为加工面PART，切削区域CUT AREA 也选取该延长面，选取其中1 块封闭边界线为修剪边界TRIM，并定义好加工高度范围LEVEL RANGE 及该范围切削深度，即可生成刀轨，具体如图7 中所示。

　　4.2.2 插铣粗加工叶型面

　　有时在叶片中间局部区域余量非常多，即使采用等高线加工，依然会发生整把刀都嵌入毛坯中切不动的情况。下面介绍一种非常好的粗加工方法：将工作台旋转一定角度，使叶片表面与主轴轴线形成一定角度，然后采用插铣的方法粗加工叶片表面，可取得非常好的效果。需要注意的是，因为不同的区域插铣加工需要工作台旋转不同的角度，为了编程加工方便，加工零点需要设置在旋转工作台的中心。在UG 中选择曲面铣MILL CONTOUR 加工模式， 并选取其中的固定轴曲面加工FIXEDCONTOUR 命令，驱动方式选用曲面驱动SURFACEAREA，通过定义UV 百分比可任意确定加工的范围。刀轴定义为需要的矢量方向，后处理程序会根据刀具矢量方向，自动输出B 轴需要旋转的角度（这需要UG 后处理程序的配合）。图8 为工作台旋转45°的插铣刀轨。

5 、其它要点

　　5.1 叶片出水边厚度的控制

　　有一点需特别注意：精加工时要严格控制出水边厚度，在出水边上均匀取5~6 个点，量取法向厚度并提供给操作者，让操作者在精加工叶型时控制好每块叶片出水边厚度。这样可以有效控制叶型误差，并使每块叶片的重量趋近一致，为后序的转轮装焊配重创造有利的条件。

　　5.2 精加工后叶片的吊运

　　叶片精加工以后下机床前还有一步很重要的步骤要做，为了方便叶片打磨，使转轮装焊时吊运方便，我们用UG 软件计算出了叶片重心位置，并沿着叶片装焊位置的轴线方向，在叶片重心位置竖直上方用顶针在叶片背面点出了吊攀位置。叶片连同背面铣工具下机床后，在该位置焊接了一个与叶片同种材料的不锈钢吊攀，然后叶片就可以很方便地从铣工具上吊下并进行后序的打磨；装焊转轮时，该吊点会使叶片自然处于装焊位置，极大地方便了装焊，如图9。

6、 结语

　　本文全面阐述了大型铸造叶片在毛坯测量、叶片铣工具设计和叶片数控编程三个关键步骤的技术难点及其解决方法，文中的一些设计细节是基于作者多年数控加工叶片的实践经验，本文所论述的关于混流式转轮铸造叶片数控加工的先进方法和理念，可为叶片数控加工工艺最优化提供具有现实指导意义的解决方案。