透平叶轮数控加工
□ 何道贵
一、数控铣与铸造工艺比较
透平叶轮一般有两种制造方法：铸造或是铣削。对于少品种大批量生产的制造商来说，由于铸造的单件成本比铣削花费低，因而此种情况下适于采用铸造工艺。然而采用铸造工艺也带来一些缺陷，以致越来越多的透平机械制造商采用了数控铣削的办法加工透平叶轮。采用铸造的缺点是：
1.与锻造材料相比，铸造材料物理特性既不均匀，也不连续。而常规方法检测不到的夹渣正是引起叶轮失效的根源。
2.两个铸件间的几何形状不一致。由于透平机械的性能只有在保证为其特别设计的叶轮形状的前提下才能实现，因而采用铸造叶轮时，两台机器的性能是不一样的。如果要使两台机器达到同样的性能，需要进行艰苦的工作，不仅非常费时，而且很难实现。
3.由于采用铸造工艺而导致的叶轮形状上的差异，可能引起离心泵叶轮过早汽蚀，使离心式压气机过早喘振，使涡轮输出的功率比预期的少。
4.铸件形状的偏差也影响到备件及在检修时的更换。换上一个形状有些许不同的叶轮，往往要求重新调整控制系统。
5.铸造模具的准备工作需要很长的时间，而且价格不菲，不易修改。铸造成本低是针对同一个模具能反复使用的情况而言的。
6.对于需要经受高温的叶轮，铸造不失为一个好方法。因为高温材料较硬，铣削这种材料需要很长的时间。当然目前已开发出专用软件，用于快速铣削这种材料。
基于以上考虑，愈来愈多的透平机械制造商转用数控加工的办法加工样品、小批量甚至大批量产品。数控加工既准确，又精密，连贯性好，制造周期短，而且易于修改几何尺寸。
二、5轴铣削加工
具有复杂形状的透平叶轮，需要用5轴铣床进行加工，才能加工到其几何形状的每个角落。
在一个现代化的设计系统中，需要加工的几何体由CAD系统进行设计，然后在CAM系统中转换为刀具的运动轨迹。输出结果通过后置处理程序转换为铣床5个轴的每个轴的运动。 对于透平机械叶轮，有必要考虑专用的CAM软件。从工艺上来讲，叶轮加工主要由以下5个截然不同的操作组成：
1） 粗加工叶片间的流道
2） 铣削轮毂部分
3） 修圆进口边和出口边
4） 在小切削量下精加工叶片表面
5） 叶片根部变半径圆角加工
对于叶片表面上刀具不能达到的地方，需要给予特别注意。因为此时容易引起刀具与相邻叶片的干涉。
1.点加工与侧刃铣削
在采用5坐标数控加工中心之前，大部分透平机械制造商采用3轴或4轴机床加工叶轮，而且大多采用点加工法，即叶片表面上每一点都通过刀尖加工成一个点。当刀具沿叶片表面移动时，将留下一些凹坑或残留尖角，而这些凹坑或尖角的高度值取决于编程技巧。点加工也是一种可行的方法，但是这种方法却有一些不可避免的缺点：
（1）叶片表面不光顺，会留下一些小凹槽。而这些小凹槽必须与流动方向平行（见图1）。
（2）对于弯曲程度较厉害的叶片，由于叶片空间距离较近，加工过程中与相邻叶片间的干涉很难避免。
（3）如果要减轻凹槽对流场的影响，就需要很长的加工时间。即是说，刀具必须绕叶片移动很多次。
2. 侧刃铣削对流体流动的影响
基于上述原因，最理想的加工方式是侧刃铣削（如图2）。侧刃铣削不仅能避免以上所列点加工过程中所遇到的困难，而且所加工出的叶片表面非常光滑，精加工时间大为缩短。采用侧刃铣削加工方法时，锥度刀具的整个侧边与材料相接触，此即意味着叶片必须由直线元构成。这种限制性对流体动力学设计师非常重要，因为他们需要根据流体流动原理进行叶片设计，而且在选择叶片几何形状时，具有完全的自由性。为了遵守这些限制，叶片只能根据流体特性，沿三条流管成型。叶片形状由连接这三条流管的直纹面组成。然而，在实际的设计过程中，需要进一步对叶片几何形状进行限制，即叶片形状由只连接两条流管，通常为轮毂和轮盖的直纹面组成。
实践证明，只要设计出沿轮毂和轮盖两条流线速度分布都很好的叶轮，对于小或中等转速比的机器，也能达到很高的性能。但是，叶片高度很高时，直纹面便不再适用。
3. 侧刃铣削与应力问题
直线元的应用，不仅对于简化加工很有帮助，而且对应力分析也有影响。通常，需要承受高应力的叶片往往设计成锥形，以便增大叶片根部的面积，使其能承受较大的应力。实际上，叶片最佳形状是叶片厚度从轮盖到轮毂呈指数规律变化，由于采用直线元侧刃铣削工艺，只允许叶片厚度呈直线变化。然而，这种局限只在叶片高度对于其旋长较大时，如轴流涡轮的最后几级或大流量系数离心式压缩机，才显得格外重要。
三、叶轮5轴铣削对机床的要求
1. 哪类机床适合叶轮加工
加工叶轮和转子零件，通常需要5轴CNC机床。这5个自由度用于控制空间刀尖和刀轴方位。由于叶片固有的特性，几乎所有的叶轮加工都需要5轴联动。机床具有足够的轴向行程和精度，对于加工叶轮类零件非常重要。 有些叶片可能不用5轴联动，也能加工，如轴流式单叶片。
2. 5轴机床
5轴机床有许多种配置方式。对于叶轮类零件，大都采用三个直线轴和2个旋转轴的配置方式。在产量比较大的情况下，通常采用多主轴机床。而在一般的自动化工厂和柔性制造系统中，通常采用交换托盘。铣床主轴头一般采用旋转主轴和固定主轴。
一般地说，以下种类的机床适合加工透平叶轮：
（1） 带万向头的龙门式铣床（如图3）
（2）两个旋转工作台，但摆动角度要足够，旋转带倾斜的工作台（如图4）
（3）旋转带倾斜工作台
（4）旋转工作台带倾斜头（如图5）
3. 叶轮类零件对5轴机床的特殊要求
为了正确选择机床，需要考虑以下因素：需要加工的叶轮的最大直径，叶轮的材料，刀具补偿要求，产品进度要求和加工精度。
在选择机床时，机床规格和各轴的行程范围需格外小心。对于离心式压气机叶轮，要求主轴头的摆动范围大，才能加工到轴向和径向方位。此外，刀具的锥度和叶片倾斜情况不一样，对主轴头和Y轴行程的要求也不一样。对于大部分透平叶轮来说，主轴头100°的摆动范围已经足够，如图6所示。
4. 钢叶轮加工的特殊要求
钢叶轮加工的最大问题是加工效率的问题。为了提高加工效率，方法之一是在软件方面，需要优化刀位轨迹和进给率，并保证编程质量。其二在硬件方面，要求机床具有较高的刚性和一定的主轴功率，同时对刀具也有较高要求。
四、叶轮类零件的特点及对编程软件的要求
1. 直纹面通用定义与径向直线元
由以上讨论所知，直纹面叶片的工艺性最好。所谓的直纹面是指由一系列直线段沿空间两条曲线扫描而成的曲面。对于透平机械，两条空间曲线通常位于两个回转面上，分别叫作轮盖和轮毂，与轮盖和轮毂相交的直线段通常不会两两相交,如图7所示。直纹面加工成本比自由曲面加工成本低得多。加工直纹面时，刀具刃连续扫过叶片表面，因而表面质量高，不需要手工抛光即能满足图样上注明的技术要求。加工时间也大大缩短。
对于如图8所示的径向直线元叶轮，应当设法避免。因为这种叶轮加工时需要很长的刀具，而且在叶片出口处，直线元几乎与内子午线平行，会引起许多问题。如果必须加工此类叶片，至少应对叶片出口处进行一些处理。
2. 叶轮类零件的一般特点
设计人员根据复杂的空间流体动力学理论设计出符合流体流动规律的叶片形状，因而叶片形状复杂，是复杂曲面零件的典型代表，而且公差要求高。只有严格按照图样要求加工出的叶轮，才能满足整台机器的性能要求。此外，在叶轮由很硬的材料或从国外进口的材料制造时，为了满足高精度，要求加工时成功率高，以免浪费材料和延误时间。
3. 叶轮几何结构的特点
除了加工时间和精度之外，叶轮类零件所固有的一些特定的几何结构特点，也是加工编程时很难处理的地方。换句话说，并非任何软件都能很好地解决以下这些问题：
（1）长、短叶片
在许多场合，为了改善叶轮性能，叶轮往往设计成一系列长、短叶片组成。而正是这些短叶片处理，特别是短叶片进口边的处理，给编程人员提出了挑战。
（2）进、出口边修圆
当按直纹面成形法构造出了叶片的两个面，分别叫作压力面和吸力面，如何按设计人员的要求进行圆角过渡，如图9所示，图样要求的圆角可能是各种各样，有向外延伸的，也有内缩的，有多段圆弧构造的，也有椭圆形的。特别是缩进形边缘，将作如何处理呢？
（3）叶片根部变半径圆角
在叶轮进口处，为了减少阻塞损失，往往要求叶片根部圆角半径要小，而在叶片中部，为了改善叶片承受应力情况，又要求叶片根部圆角半径大，即从叶轮的进口到叶轮出口半径是变化的，而且两面变化规律不一样。
（4）不可避免的过切现象
对于不可展开的直纹面，由于直线元在与轮毂和轮盖相交点的法向不一样，如图10所示,如果简单地根据直线元来定义刀轴的话，必然会引起刀具切入叶片。这样加工出的叶片，即使保证了轮盖和轮毂处的厚度，叶片中间也削薄了，成了两面中凹的情况。而通用CAM软件却恰恰只能沿内、外子午线定义刀轴，叶片变形无法避免，而且随着叶片扭曲程度的增加，过切量变得非常大。
（5）进口边的处理
进口边不与轴线垂直时，其加工处理也是一般通用CAM软件很难处理的,如图11所示。
五、轴流式叶轮的数控加工
由于轴流式叶轮的几何特点，在叶片精加工时，只能采用点加工的方法，如图12所示。 同样，为了提高加工效率和改善加工质量，对CAM软件也有较高的要求。
首先，要求CAM软件具有强大的复杂曲面造型功能，以满足叶轮各局部造型设计要求。 其次，因为点加工容易引起与相邻叶片的干涉，而且在叶片相对较长时，也容易发生刀柄与零件的干涉现象，所以要求CAM软件5轴加工方式多，能够计算刀柄与零件的干涉。
六、加工模拟与仿真分析及优化
以前，大部分用户在用CAM软件编程后，为了验证程序的正确性，采用各种各样的试切方法，如走空刀，切削泡沫和木材等。这些试切方法费时费力，最危险的是，有些潜在问题和干涉现象不能发现。
当前在越来越激烈的竞争下，数控加工用户都采用在计算机上进行加工模拟验证分析及优化。这是因为：
1.由于不同的原因，如编程时选择加工方式不理想，后置处理程序有缺陷，或因为编程人员经验不足，最后的加工程序往往会有一些意想不到的问题出现。
2.希望在零件加工之前，对程序进行检查，以免不必要的浪费。
3.希望进行干涉检查，及时对必须修正的地方进行修正甚至重新编程，以保证向机床操作人员提供正确的加工程序。
4.希望知道干涉量有多大。希望能测量加工后的零件与设计图样要求之间的差别。
5.希望模拟零件装夹与加工中机床的真实运动情况，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。
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发表于 2003-1-24 14:19:00
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