静叶片四轴数控加工定位分析

吴越，谌永祥，李双跃，刘勇，江敏，毛鹏枭

(1. 西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳621010;2. 绵阳市瑞丰机电有限公司，四川绵阳621000)

汽轮机是热电厂的重要设备之一，静叶片又叫整流叶片，简称静叶。静叶片与动叶片的弯曲方向相反，这是为了起到整流作用或导向作用［1］，也是汽轮机中将高温蒸汽的热能转化为机械能的极其重要的部件，工作环境极其复杂。静叶片型面精度直接影响流道截面积，也影响蒸汽在调节级中的流动速度以及叶片间相互配合精度。

为提高汽轮机静叶片在四轴数控中精铣汽道、缘板内侧面、缘板内侧面与型面过渡圆弧、进汽边加工精度与效率，设计了一种静叶片四轴精铣数控加工夹具，扩大了四坐标联动数控机床使用范围，避免三坐标与五坐标联动数控加工存在的干涉问题，在保证汽轮机静叶片加工质量的基础上，提高了汽轮机静叶片加工效率和刀具耐用度。

通常静叶片的加工采用五轴机床，针对中小型企业，五轴机床的费用较高，作者探寻了静叶片四轴加工技术，对于成本的控制有一定的积极作用。

1 汽轮机静叶片加工工艺分析

1.1 汽轮机静叶片结构

汽轮机高中压第5 级静叶片结构 (如图1 所示)，包括了装配内背弧型面、静叶片内背弧面、静叶片的进出汽边、铣削过渡面。其中图1 为两个静叶片的装配，形成了喉口的结构。

图1 汽轮机高中压第5 级静叶片结构示意

1.2 汽轮机静叶片加工工艺过程

汽轮机静叶片加工工艺的主要过程包括:

(1)锻造环形毛坯。

(2)车内外环。

(3)线切割装配内背弧型面。

(4)铣背弧型面余量。毛坯线切割后在此基础上加工汽道，线切割后结构见图2，铣背弧余量工序见图3。该工序在四轴(x，y，z，A)数控铣床上进行，因线切割后工件坐标系原点坐标值不容易直接测得，故在夹具上设计一易测量的辅助对刀点，再结合夹具设计时辅助对刀点与工件坐标系原点的几何关系换算出工件坐标原点的坐标值。

图2 线切割后的叶片

图3 工件坐标原点及铣背弧余量

(5)精铣背弧型面。

(6)抛光汽道内背弧型面。

(7)完工检查，入库。

2 基准转换

机床坐标系是机床上固有的坐标系，它用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的特殊位置(如换刀点、参考点)以及运动范围(如行程范围、保护区)等。

工件坐标系是用于确定几何图形上各几何要素(点、直线、圆弧等)的位置而建立的坐标系。选择工件零点原则是便于将工件图的尺寸方便地转化为编程的坐标值和提高加工精度，铣削工件零点一般设在工件外轮廓的角上，进刀深度方向的工件零点大多取在工件的表面［2］。该静叶片铣削加工的工件坐标零点选在工件的右侧边缘(见图3)。

叶片多为扭曲曲面，且精度要求较高，为了提高精度，四轴加工中采用一次装夹方式(图4 为工件的装夹图)，减少人为操作引起的误差。

图4 叶片加工时的装夹

工件的装夹确定后，通过确定工件原点来确定工件坐标系，加工程序中控制刀具及各运动轴代码都是基于该坐标系计算的。在设计夹具时，考虑到工件的坐标零点不便于测量，设计了辅助测量点，对辅助面进行测量，通过一定的坐标换算，就能得知工件零点的坐标。图5 为辅助测量点(对刀点)。

图5 夹具关键尺寸几何关系及辅助测量点

辅助测量点与工件定位基准有一定的尺寸关系。为了确定刀具刀位点在工件坐标系中的位置，设计了如图6 所示的3 组对刀面。第一组对刀面保证夹具相对机床分别平行机床3 个坐标平面，以及工件坐标原点相对机床坐标原点的位置，第一组对刀面相对工件坐标原点位置由夹具设计与加工时保证。

图6 夹具的3 组对刀面

2.1 工件坐标零点空间转换

在四轴数控机床上，静叶片汽道的加工分:(1)夹具随A 轴顺时针旋转β 角度后，进行右半汽道型面加工;(2)夹具随A 轴逆时针旋转θ 角度后，进行左半汽道型面加工。A 轴每旋转一次，工件坐标系原点的坐标值就发生一次变化。

(1)基准变换。加工右半汽道、缘板内侧面、缘板内侧面与型面过渡圆弧、半进汽边时，通过A 轴将夹具顺时针旋转β 角度，使第二组对刀面平行xy平面，工件坐标原点随夹具旋转相同角度，变换工件加工基准，通过坐标变换确定刀具刀位点在旋转后工件坐标系中的位置。

(2)基准变换。加工左半汽道、缘板内侧面、缘板内侧面与型面过渡圆弧、半进气边时，通过A 轴将夹具逆时针旋转θ 角度，使第三组对刀面平行xy平面，工件坐标原点随夹具旋转相同角度，变换工件加工基准，通过坐标变换确定刀具刀位点在变换后工件坐标系中的位置。

以夹具回转中心为坐标原点建立夹具坐标系。图7 为数控机床坐标系。

图7 数控机床坐标系

夹具坐标系在机床坐标系中的位置OJ(xJ，yJ，zJ);辅助点P 在机床坐标系中位置(x，y，z)。图5为夹具关键尺寸几何关系。

2.2 第一次坐标转换

辅助点P 在夹具坐标系中坐标(x1，y1，z1)工件坐标原点OW在夹具坐标系中位置 (xW1，yW1，zW1)由夹具设计几何关系得到:

2.3 第二次坐标转换

A 轴旋转β 角度后，工件坐标原点坐标发生变化，图8 为数学关系。

图8 数学关系

工件坐标原点在夹具坐标系中的OW2位置(xW2，yW2，zW2)

将工件坐标原点在夹具坐标系中的位置转换到机床坐标系中，得工件坐标零点在机床坐标系中的位置为:OW(xW，yW，zw)

旋转β 角度后以OW为工件坐标零点在机床上用G54 ～G59 指令建立工件坐标系1，在加工完右半汽道型面后;夹具旋转θ 角度后，同理计算出工件坐标系原点坐标，用G54 ～G59 指令建立工件坐标系2 进行左半平面的加工。

3 结论

该“换算法”可减少测量误差，具有精度高、一致性好等优点，同时也解决了非基准面工件坐标系测量难而不准的问题。实践中该方法也很容易被操作者所接受。此夹具安装方便，增加了工件与工装之间的稳固性，减少了手工测量中的人为误差，同时也减少了装夹的次数，提高了静叶片的加工质量。

【1】透平机械现代制造丛书编委会.叶片制造技术［M］.北京:科学出版社，2002.

【2】王永章，杜君文，程国全.数控技术［M］.北京:高等教育出版社，2001.

【3】黄芳.四轴卧式加工中心工件坐标系换算转移方法［J］.金属加工:冷加工，2010(18):78 －79.

【4】田坤，聂广华，陈新亚，等.数控机床编程、操作与加工实训［M］.北京:电子工业出版社，2008.

【5】曾志新，吕明.机械制造技术基础［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2008.

【6】张春良，何彬，李必文.数控铣床及加工中心自动编程与操作［M］.北京:国防工业出版社，2008.