透平机叶轮叶片五轴数控粗加工优化方法的研究

郭长辉

摘 要：随着我国生产力与生产水平的逐年提升，为机械制造业注入了新时代的活力，各类机械设备的性能日益优化。以透平机为例，以往的五轴数控加工技术已难以满足其叶轮叶片的生产需求，机械制造业已逐步应用新型侧铣技术，使设备的整体质量大幅度提升。据此，本文将对新型侧铣技术进行系统化分析与阐述。

关键词：透平机；叶轮叶片；五轴数控；侧铣

近年来，科学技术水平的日益提升，带动了传统机械制造业的转型升级，各类新型技术已广泛应用于透平机设备的制造环节；在有效降低设备成产成本的同时，大幅度提升机械制造企业的经济效益。而新型侧铣技术已得到了各大机械制造企业的青睐，其工作原理相对简易，操作难度更低，能够充分满足企业生产需求，值得大力推广。

1 透平机曲面新型加工技术

透平机设备结构相对复杂，其内部机构由多种元件组成，对其零件进行前期加工是透平机制造的首要工作。其一，粗加工。即对利用机械刀具对零件进行切割，使零件的规格初步达标。其二，选取小型机械设备对零件表面的凹凸部分进行处理，将多余的部分进行磨平，初步形成雏形零件。其三，在初步切割完成后与图纸进行对照，根据实际安装需求进行局部伟哥。其四，在完成局部加工后进行最后一步的切割工作，至此，零件加工工作初步完成。

時下在对透平机内部零件进行切割打磨处理环节，普遍采用粗加工技术，以保障零件的达标率。而在这一过程中，施工人员往往利用传统点铣技术提升零件的精确度。但值得注意的是，传统的点铣技术的加工时间较长，其零件的质量难以保证，透平机零件的表面凹凸不平，所引发的透平机设备损坏现象时有发生。因此，我国机械制造行业逐步应用新型侧铣技术，所取得的优化效果显著。

1.1 新型侧铣技术的优势

长期以来，我国机械制造行业在进行透平机零件加工过程中普遍采用点铣技术，其零件加工耗时较长，打磨后的零件表面凹凸不平，且对于操作人员的专业技术水平要求较高。将此类零件投入使用，难以避免的会出现设备故障甚至损坏现象发生，而后在进行零件返工修理，严重拖延了工期。上述客观现象，在一定程度上增加了零件制造的难度，使企业的经济负担日益加重。

就传统点铣技术的应用情况而言，新型侧铣技术的性能相对优越，其优势在于：大幅度降低零件打磨时间，保障了企业加工陈本，且在进行侧铣后，零件及机身表面凹凸划痕现象减少，整体质量大幅度提升。但值得注意的是，侧铣技术并非十全十美而是优劣掺半，主要原因在于，侧铣技术使用五轴机床进行加工，加工对象的结构复杂多样，其加工所使用的金属切具也更为复杂。与传统的点铣技术相比，新型侧铣技术的起步阶段较晚，发展时间较短，与之相关的科研力度较弱。因此，当前侧铣技术仅能应用于表面光滑、形状规则的零件加工环节。

1.2 粗加工优化方法

用侧铣加工复杂的空间曲面。主要思想是将理论曲面，蜕变成逼近的平面或直纹面，实现侧铣高效加工。难点在于将不可展非直纹面蜕变为直纹面。同时，考虑到尽量减少蜕变面和原理论曲面之间的偏差，采取分段逼近。

2 复杂曲面蜕变直纹面优化算法

2.1 算法思想

零件的粗加工表面是刀具侧刃运动扫描留下的表面。以圆柱形刀具为例，刀轴是直线，所以侧刃扫过的曲面是一个直纹面。一个曲面及其等距面在任意点有共同的法线方向。因此将一个非直纹面蜕变为若干直纹面，再通过这些直纹面的反向偏置，可以得到圆柱刀具的轴线经过的直纹面，即刀具的优化轨迹。如图1所示。

考虑到等距曲面的精度要求和避免过切，采用分段直纹面，代替单一直纹面的方法，实现分段侧铣，以构成原理论曲面的型值线作为分界线，分段进行直纹面蜕变操作，如图2所示。

2.2 对单一直纹面和分段直纹面与原曲面之间的误差，作逼近误差分析并且对分析结果进行比较。如图3所示。图中灰色面为原曲面，线框显示的面为直纹面和分段直纹面，黑色直线段为直纹面的母线，点PA为单一直纹面逼近误差最大的点，PB，PC位置分别为分段直纹面逼近误差最大的点。对于蜕变后的直纹面如图3所示。

3 实验验证

以某型号的喷推叶轮为例，采用UG-NX进行喷推叶轮建模与数控编程，用VERICUT刀轨仿真。对本文提出的方法进行验证，采用的步骤如下

3.1 叶轮造型用曲面点位数据，通过UG三维实体建模软件进行参数化建模。

3.2 粗加工优化采用本文算法，基于原曲面构造分段直纹面，确定刀具轴位置，进行全宽侧铣加工。

3.3 刀具轨迹生成比较，侧铣刀具路径明显少于点铣。而且由于点铣加工过程中，刀轴矢量始终在刀具接触点，平行于曲面法矢，而侧铣过程中，刀轴矢量由直纹面的直纹插值求得，因此刀轴运动的变化也较点铣更加平滑。

4 结束语

综上所述，与传统点铣技术相比，新型侧铣技术的性能更为优越，能够有效提升零件加工效率以缩短加工时间。同时，此项技术的应有有效保障了零件成型后的整体质量，稳固了机械制造企业的经济效益。而新型五轴数控加工技术能够有效降低切割道具的损耗程度，增加了加工效率。但值得注意的是，侧铣、五轴数控加工技术仍存在一定的问题，难以适应高强度、高频率的加工作业，应引起机械制造领域的高度重视。

参考文献

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