轴流式水轮机叶片三轴与五轴虚拟制造对比研究*

申毅莉

(梧州学院电子信息工程系，广西梧州 543002)

轴流式水轮机叶片三轴与五轴虚拟制造对比研究*

申毅莉

(梧州学院电子信息工程系，广西梧州 543002)

论文以轴流式水轮机叶片为研究对象，在加工理论分析的基础上，对叶片进行加工工艺分析和规划，包括确定机床类型、装夹方式、刀具选用、加工轨迹等。然后分别采用三轴和五轴联动数控机床对叶片进行虚拟制造，即几何切削仿真和机床切削仿真。最后对虚拟制造结果进行分析，得到结论，采用五轴联动数控机床加工叶片，虽然叶片的加工精度较高，加工效率也较高;但成本及加工费用也相对较高。所以在叶片加工精度要求不太高的情况下，采用三轴联动数控加工叶片比较经济实惠，但要控制好误差。

叶片;三轴联动;五轴联动;虚拟制造

0 引言

叶片加工的数控编程是叶片制造中一项非常重要的工作。由于轴流式水轮机叶片的曲面形状复杂，且大多为不展开的雕塑曲面，因此传统的加工方法采用“木模法”或结合普通数控机床，进行加工制造，此加工工艺存在生产效率低、劳动强度大，不能有效保证叶片型面的准确性和制造质量［1］。

随着数控技术与多轴联动数控机床的发展，使用多轴联动数控机床能克服上述弊端，但是多轴联动数控机床，属于高端产品，运动精度高，价格昂贵，编程相对复杂［2，4-5］。因此，对于原先使用“木模法”或结合普通数控机床加工叶片的生产企业，不太可能在较短时间内将原有的老旧设备更新为多轴联动数控机床及配套设备。这些企业寻求用原有的技术装配三轴联动数控机床加工叶片，保证加工质量，提高加工效率。因此，有必要分别对三轴和五轴联动数控机床加工叶片的质量做出对比分析，使这些企业清晰了解并认识三轴和五轴联动数控机床加工叶片的质量差异，根据企业的生产要求，合理选择符合自己要求的生产装备。

本文内容将分别就三轴和五轴联动数控加工叶片进行对比分析。

1 加工参数的理论基础

1.1 走刀步长的确定

1.1.1 确定走刀步长方法

曲面加工刀具轨迹步长计算方法可分为三类:等步长法、步长筛选法和步长估计法［3］。

表1 走刀步长方法

1.1.2 确定五轴走刀步长

下面以确定五轴走刀步长为例进行说明，采用步长估计法的计算过程。

计算刀具轨迹时，其误差的大小应通过确定合适的走刀步长来控制。若用r0、r1间的弦长Δl(即进给步长)近似代替相应的弧长s1，则当给编程精度要求ε时，进给步长Δl应满足:

式(1)即为五坐标加工时走刀步长较精确的计算公式。其中，曲面法曲率kn和短程挠率τg可按以下给出的简化算法进行计算:

1.2 走刀行距的确定

走刀行距是指两相邻切削行刀具轨迹或刀具接触点路径之间的距离，其大小是影响曲面加工精度和效率的重要因素。

1.2.1 走刀行距的确定

走刀行距需保证切削行全长均满足给定的残余高度要求，亦即只能以轨迹全长上各切削点允许的走刀行增量的最小值作为最终结果。因此，在确定各切削点的允许行距时，可用该点所在切削行的前面各点的允许最小行增量作为控制参考值，仅当该点行距允许值可能小于其最小值时才进行较严格的迭代搜索，由此可较大简化总的计算量。

对于球头刀，不管走刀方向如何，其球头部分在比较平面上的投影轮廓曲线始终为半径等于刀具半径的圆弧，且其中心位于局部坐标轴上，其走刀行距可直接用解析式计算，即:

则q1、q2两点间的距离|q1q2|即为有效的加工带宽度，即近似作为走刀行距的估计。

允许残余高度为h，曲率k0，k0取负值，此时曲线局部外凸;反之，k0取正值，曲线局部外凹。

1.2.2 切削参数的选择

切削参数包括主轴转速、进给速度、切削深度和切削宽度等。确定切削用量参数时要根据机床说明书的规定和要求，以及刀具的耐用度去选择和计算，当然也可以结合实践经验。

主轴转速n根据允许的切削速度v和刀具直径D选择:n=1000v/πD。其中，切削速度v受刀具耐用度的限制。

进给速度是切削用量的主要参数，要根据零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与工件材料选取。

2.2.3 其他工艺问题

(1)加工工序的划分

在数控机床上加工零件的工序划分方法见表2。

表2 加工工序的划分

由于叶片为雕塑曲面，需要加工正面、背面，最好能一次装夹完成粗、精加工，所以选择粗、精加工分序法来确定加工工序。

(2)对刀点的确定

所谓对刀是确定工件在机床上的位置，也即是确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系。尽管对刀过程一般是从各坐标方向分别进行，但它可理解为通过找正刀具与一个在工件坐标系中有确定位置的点(即对刀点)来实现。选择对刀点的原则是:便于确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置、容易找正、加工过程中便于检查、引起的加工误差小［3］。

对刀点可以设在工件上、夹具上或机床上。根据生成的刀位轨迹，找到加工叶片的下刀点，通过它确定对刀点。

2 叶片数控加工工艺分析及规划

2.1 确定数控机床类型

在水轮机叶片加工中常用的加工设备有三轴、五轴数控镗铣床和五轴数控龙门铣床，但其加工效果、效率以及经济性都各有利弊。

三轴联动数控机床，如图1所示，在加工过程中三轴机床的刀具轴线在工件坐标系中的方向是固定的，它始终平行于Z坐标轴。

与三轴联动相比，如图2所示为双摆头五轴联动数控机床。在三轴联动的基础上增加两个旋转自由度，可以实现五轴联动，灵活性增强。五轴联动在加工过程中刀具轴线是变化的，刀具轴线控制原则是兼顾高加工质量和切削参效率，同时带来更多、更复杂的技术，而且机床成本高，加工费用高。

图1 三轴联动数控机床

图2 五轴联动数控机床

2.2 测量叶片毛坯以及控制余量

轴流式水轮机叶片毛坯为铸造结构，且所有表面都是曲面［2］，加工之前在叶片毛坯上很难准确地确定其定位基准，只有通过叶片毛坯的三维测量和夹具来解决。加工前将全部叶片一次测量完，缩短装夹时间，减少编程次数。

叶片在测量之前，应确定其测量位置(即加工位置)。其方法是:叶片轴向绕x轴转动，h1和h2将会得到不同尺寸，如表3所示。

表3 不同的加工位置

根据实际加工方便的需要以及各方面因素考虑，通过不断调节叶片的位置来寻求h1和h2的最优值(-10°位置)，如图3所示。

图3 －10°位置示意图

2.3 确定夹具

装夹方案是在叶片的轮缘上焊接工艺轴。粗车法兰端面，并在法兰端面中心和工艺轴中心打两个顶尖孔。相应的夹具用两顶尖座，固定端置于法兰上，轴向可调顶尖座，置于轮缘上的工艺轴端。

利用夹具和标记，找正加工位置，确定工件零点，并在中部采用三个通用的千斤顶以确定叶片的空间位置，并在叶片的加工面的反面上焊接拉耳，采用拉杆装置进行拉紧。夹具的几何模型示意图如图4所示。

图4 夹具示意图

图5 半圆套定位夹具体示意图

该夹具存在不足，对于叶片这样体积大、质量重的工件，为了提高加工效率，减少装夹时间，通常是采用完成正面的精加工之后，再将叶片翻转180°，再对叶片背面进行加工。如果在叶片的正面加工完成之后，还在其正面焊接拉耳，将会对叶片表面质量产生较大影响，而且夹具对叶片的装夹不方便。针对以上情况，改进夹具，将法兰轴端的顶尖换成半圆定位套，如图5所示。

采用半圆定位套后，则夹具体不再需要采用拉杆装置和在叶片背面焊接拉耳，也易于叶片的翻面加工。半圆定位套下面的半圆套为定位元件，上面的半圆套起夹紧作用。

2.4 选择铣削方式

轴流式叶片加工部位有叶片正、背面型面，法兰球面，法兰R120过渡面等。为了避免发生碰撞和干涉现象，提高加工效率等。根据三轴机床和五轴机床刀轴控制方式以及后述的仿真加工多次修改并验证，采用三轴及五轴机床加工时，将叶片正、背面各分为Ap1(As1)、Ap2(As2)、Ap3(As3)、Ap4(As4) 、Ap5(As5) 五个区域进行加工，如图6所示。

不同的加工区域通过调整加工方法中刀轴控制方式的参数，进、出刀控制等可能导致碰撞的因素，再进行刀位计算和仿真检查，修调参数。原则是机床与工件和夹具不碰撞和干涉情况下，尽量提高加工效率。

2.4.1 叶片型面铣削

在加工叶片正、背型面时，经过分析，水轮机叶片正、背面型面的驱动方法选择表面积(Surface Area)驱动方式，并进行分层铣削。经过规划，该驱动方法生成的有方案I和方案II的走刀路线，如图7a，7b所示。

图6 加工区域划分

图7 刀位轨迹计算

虽然方案I较方案II加工时间少，加工效率高，但是随着方案II的切削加工方向，叶片型面的曲率变化较小，有利于切削加工工艺性能的改善，而且方案II加工所得的轴流式水轮机叶片表面质量较好。因此选择方案II。

计算刀位轨迹，确定刀路没有干涉现象之后，对叶片进行3D材料切削仿真加工，验证刀位轨迹的正确性并检验仿真加工所得叶片精度是否满足要求。根据后续仿真情况，最终经仿真加工后得到的叶片精度都符合公差要求。

2.4.2 法兰球面及周边曲面铣削

法兰球面及周边曲面是轴流式叶片较难铣削的部位，它是由球面、自由曲面、R(过渡圆弧曲面)四个曲面组成，且过渡R又是一个以中心向两边逐渐变化的不规则R，如图6所示。从位置上看，球面、R与型面基本成一个近90°的直角，作业区间窄小，且五轴联动机床铣头部分比较大等原因，这就给编程、铣削、刀具的选择带来许多困难。

首先要解决铣削方式问题，然后要解决铣头与叶片可能碰撞问题。采用三轴联动以及五轴联动机床加工时，将法兰球面及周边曲面分成如图6所示的Ap3(As3)、Ap4(As4)、Ap5(As5)三个区域分别铣削。采用五轴机床加工时，由于Ap3(As3)部分因在铣削时旋转轴趋近于0°，铣轴中心到铣头外形的尺寸大于R边界距球面的距离，无法采用五轴联动加工，所以 Ap3(As3)部分采用三轴联动沿y轴铣削。

对于图6所示的Ap4(As4)、Ap5(As5)两个区域会出现数控铣头与叶片碰撞的可能，主要采用加长刀具长度的方法来解决。铣削出水边曲面时，由于出水边曲面为窄长条，曲率半径较小，铣削方向应顺x方向铣削，每刀切削宽度应小些，所以在铣削进水边时应尽量采用较小直径、齿数较多的硬质合金立铣刀进行端铣。加工完成后，对其进行简单倒棱即可达到设计要求。

2.4.3 刀具选择

水轮机叶片通常都采用ZG0Cr13Ni4Mo材料制造，属马氏体不锈钢，硬度较高，加工较困难。为了保证加工的效率和质量，从刀具的类型上，应选择硬质合金刀;刀具形状的选择根据加工部位来确定，对刀具干涉很重要。

根据刀具的性能及特点，三轴联动加工和五轴联动加工所用的刀具分别如表4和表5所示。

表4 三轴联动加工刀具

表5 五轴联动加工刀具

3 叶片几何切削仿真

3.1 叶片几何切削仿真过程

叶片动态切削过程的几何仿真，对生成的刀位轨迹，采用真实的实时仿真图形显示，模拟叶片加工中2D材料的切除过程，以进一步检查和校验刀具与叶片表面以及夹具体的干涉情况、进出刀方式的合理性以及检查分析加工的几何误差等。以下以五轴联动几何切削仿真为例，三轴联动的相同。

五轴联动正面加工的刀具轨迹的生成操作过程流程如图10所示。

(1)进入加工环境，完成加工环境的初始化。

(2)分析/创建几何体、刀具，得到毛坯模型。现实加工中，经过多次粗加工，一次精加工后得到工件，UG创建毛坯几何体时，采用偏置模式，根据粗、精加工余量，本论文中将叶片型面法向偏置一个给定值7.0mm得到毛坯模型，如图8;粗加工时采用φ80的R6圆角刀片面铣刀，主要参数设置如图9所示。

(3)生成叶片五轴刀位轨迹。设置驱动方法、刀轴、投影矢量、切削参数，规划刀位轨迹的切削方法、刀具路径的方向、刀轴的控制以及进退刀等，最终生成刀具路径。流程如图9所示。

图8 水轮机叶片毛坯

图9 刀具设置参数

图10 刀位轨迹的生成流程图

从所生成的刀具路径中观察刀具是否与夹具体发生干涉。粗加工刀路完成后，对水轮机叶片进行精加工刀路轨迹的规划以及计算，其过程与粗加工方法是类似。

3.2 仿真结果

生成并确认精加工轨迹无误后，进行叶片3D材料的切削仿真，检查所加工的叶片精度是否在公差范围内，才可以进行机床仿真环节检查各种可能存在的机床、夹具体、叶片之间的干涉碰撞问题。其切削仿真加工如图11和图12所示。

图11 水轮机叶片的2D切削仿真

图12 水轮机叶片的3D切削仿真

仿真加工完成之后，采用直接距离计算法，借助UG功能直接计算刀具曲面与叶片曲面之间的距离来判断是否干涉。经测量，无干涉。

4 机床切削仿真

机床运动仿真:在模拟真实机床加工过程中，数字显示每一个加工刀位点对应机床的五个坐标轴的坐标值，模拟的仿真图形和信息可以连续或者单步显示，以便对有问题的地方仔细观察分析。机床仿真加工的流程图如图13所示。

4.1 数控机床的调用

要实现数控机床加工过程的仿真，主要包括以下几个方面:

(1)虚拟机床的建模及其装配的建立，如图1、图2所示的三轴和五轴联动机床数字模型。

(2)机床运动模型的创建

(3)添加机床入库，UG系统能识别并使用该仿真模型。

(4)调用机床:调用机床模型对零件模型进行仿真加工。

(5)机床仿真加工。企业一根

据自身的特点建立其机床仿真模型。

①加工环境下打开要验证的已经生成刀路轨迹的水轮机叶片，切换到机床导航器，然后载入用来仿真加工的机床运动模型，如图14所示，将叶片安装到机床工作台上，如图15所示。

②确定要进行机床仿真的刀位文件→机床仿真→设置碰撞检查→选取要检查碰撞的对象→确定→机床运动仿真，其仿真设置操作过程如图16a、b、c所示。

图15 叶片装配到五轴机床上

图13 机床仿真加工流程图

图14 装备约束

图16 仿真设置

4.2 运动仿真

在仿真机床的工作过程中，不仅可以通过缩放、平移以及旋转操作来全方位地观察仿真过程并及时发现加工中的问题，而且可以以通过干涉和碰撞的设置让IS＆V在发生干涉碰撞时，给出警告以便可以对加工零件进行及时修正。仿真加工过程很真实模拟该机床的实际加工情况，起到减少并取代试切的效果。三轴联动和五轴联动数控机床运动仿真如图16、图17所示。

图18五轴数控机床仿真

图17 三轴数控机床仿真

5 结束语

经过机床切削仿真，检验仿真结果，得到如下结论:相比三轴联动数控仿真加工，五轴联动数控加工是实现大型与复杂型面零件加工的重要手段。五轴联动数控机床仿真加工叶片，虽然叶片的加工精度较高，加工效率也较高;但成本及加工费用也较高。

因此，针对目前仍然有企业用三轴联动加工轴流式水轮机叶片的情况，可以做如下选择，叶片的加工精度要求不高的情况下，可以采用三轴联动数控加工叶片，但要控制好误差。

通过数控加工的几何仿真，在计算机构造加工环境以及加工中的零件、刀具轨迹、刀具外形和检验NC程序的正确性，并针对其存在的碰撞干涉等问题进行修改，直到形成合格的零件程序，这样能够很好地回避各种制造中的风险，减少甚至取代试切，降低生产成本，提高工作效率。

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(编辑 李秀敏)

Contrast Research for 3-axi and 5-axis Virtual Manufacturing of Axial Flow Turbine Blades

SHEN Yi-li
(Department of Electronics Information Engineering，Wuzhou University，Wuzhou GuangXi543002，China)

In this paper，as the research object of the axial flow turbine blades，the blades are analyzed and planned based on the processing theory analysis，included themachine tool type，the clamping way，tool selection，cutting path etc.Axial flow turbine blades aremanufactured virtually by means of 3-axis and 5-axis CNCmachine tools respectively，that are geometry cutting simulation and machine cutting simulation.Finally，conclusion is got.The blades aremanufactured by 5-axis CNC machine tools，so that the highermachining accuracy and efficiency of blades，but the higher expenses and processing cost.Therefore，In the case of the lower blademachining accuracy，the blades are manufactured by 3-axis CNC machine tools but the tolerance is controlled.

blade;3-axis CNC machine;5-axis CNC machine;manufactured virtually

TH165;TG65

A

1001-2265(2014)01-0020-06

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.006

2012-07-03;

2013-04-24

广西高等学校科研项目一般项目:面向制造特征的叶片数字建模和物理仿真的研究(2013YB225);梧州学院院级科研项目:基于Vericut的叶片类零件多轴虚拟制造及优化策略的研究(2012C003)。

申毅莉(1980—)，女，广西梧州人，梧州学院讲师，硕士，主要从事数控加工技术及CAD/CAM研究等，(E-mail)sally-shenyl@163.com。