重型燃气轮机压气机叶片机械数控加工技术

金东学

（延边职业技术学院 装备制造与智能控制系，吉林 延吉 133000）

由于叶片厚度不均匀、形状不规则，加工过程中受到切削力后容易出现局部变形的情况，这是机械数控加工中引起叶片质量缺陷的一种常见原因。在实际加工中要想提高叶片质量，首先要通过开展受力分析，掌握叶片不同位置的受力特点，然后针对应力集中、变形量较大的区域，采取相应的变形补偿措施，从而达到提高加工精度、降低残次品率的效果。目前常用的叶片变形补偿方法有多种，例如修正刀位轨迹、优化切削参数，或者使用反变形误差补偿技术等。采取合适的变形补偿方法进行叶片处理，也是提高产品加工质量的关键举措。

1 压气机叶片机械数控加工的关键技术

1.1 加工刀具的选择

叶片加工中所用刀具，应根据毛坯材料的类型、具体的加工参数、机床类型等多种因素来决定。同时，不同刀具还会对切削过程中的切削力、切削热、表面质量等产生重要影响，因此刀具的选择也是叶片加工的关键环节。常规的圆柱形铣刀虽然能够保证叶片表面光滑，但是刀尖容易磨损，频繁更换刀头除了会影响加工效率外，还会导致加工成本的上涨。球头刀是广泛应用于航空航天零部件加工中的一种刀具，尤其适合曲面零件的精加工。将球头刀应用于压气机叶片加工中，在半精加工环节可以选择常规铣刀高效去除余量，使叶片上出现加工残余区；然后继续进行精加工，使用球头刀去除残余高度，获得高质量的叶片产品[1]。

1.2 走刀路径的规划

基于数控机床的叶片加工，可以借助于CAM 系统提前完成编程，并规划好走刀轨迹。然后在计算机指令的控制下，让机床刀具沿着既定的切削轨迹完成自动加工。在规划走刀路径时，应当重点关注2 条轨迹：其一是球头刀与叶片材料表面接触点的运动轨迹，即接触轨迹；其二是球头刀中心点的位置轨迹。技术人员在编写刀具运动控制程序时，可以先计算得出接触轨迹，在根据接触轨迹求得位置轨迹。最后，将一个预先设置的刀具位置速度的线性刀具位置线段实时输入到CNC机床中。在机床中，插补器会将刀具位置轨迹转换成3个正交轴方向的运动和2 个旋转轴方向的运动，从而在数控机床中精确定位工件和刀具的相对运动。叶片的切削加工流程见图1。

图1 工件制造流程

1.3 叶片曲面加工误差控制

压气机叶片为不规则的曲面结构，这种结构特点使得机床切削加工叶片毛坯材料时容易发生误差。引起加工误差的原因有多种，除了叶片自身结构这一因素外，像材料类型、初始残余应力、装夹是否牢固、切削热应力等，也都是比较重要的影响因素。因此，压气机叶片的加工中必须要采取误差控制技术。从应用效果来看，一种方法是提高切削速度，例如使用高速铣削可以有效降低毛坯材料切削时产生的切削热，降低工件残余应力，更容易提高表面加工质量，减少叶片变形量。另一种方法则是选择合理的走刀方式、科学设置加工参数。例如在满足加工精度要求的前提下，尽量减少走刀程序、缩短走刀路径，有助于提高加工质量。除此之外，使用计算机有限元软件构建叶片模型，开展仿真变形量计算，然后对加工变形进行控制，也是目前比较实用的误差控制方式[2]。

2 叶片加工过程中的变形分析

2.1 叶片模型的构建

压气机叶片属于薄壁自由曲面零件，由于其截面形状并不规则，因此按照材料力学方法计算其惯性矩、惯性积比较复杂。为了减轻工作量，本研究对叶片模型进行简化，将不规则形状转化为近似的规则的几何形状，然后运用材料力学方法分析其受力特点，从而了解叶片在切削加工中所受的切削力以及变形情况。研究所用压气机叶片的基本参数如下：叶身长度160 mm，叶片宽度48 mm，叶片最大厚度4.4 mm。简化后的叶片模型为沿着宽度方向的一系列细长梁的集合。在压气机叶片的加工中，以榫头作为定位基准，刀具在叶身上螺旋走刀。所以整个切削中叶片工件主要发生弯曲变形、扭矩变形，以及弯扭结合变形。另外，为了消除无关变量的干扰，实验中假设叶片在机械数控加工过程中维持弹性变形状态不变，并且叶片毛坯材料密度均匀。

2.2 叶片弯曲变形分析

简化后的叶片可以按照材料力学中悬臂梁结构的受力模型展开分析，其模型见图2。

图2 叶片结构受力示意

当刀具与待加工毛坯材料接触后，叶身与刀具接触部位会产生一个垂直于叶身的法向分力F，并且在该力的影响下发生轻微的弯曲变形。根据牛顿第三定律，在力F 的影响下，叶片会产生力矩M1，相应的叶片榫头部位产生一个与之同等大小、但是方向完全相反的力矩M0。此时叶片发生弯曲部位的变形量ω 可通过公式求出

式中：L 表示叶片长度；x 表示刀具法向分力作用点与榫头端面之间的直线距离；E 表示叶片材料的弹性模量；I 表示叶片截面惯性矩。在式（1）中，如果x 取最大值，即x=L，此时叶片曲面有最大的弯曲变形量（ωmax），可表示为

2.3 叶片扭转变形分析

叶片受到切削力后，在叶片的不同位置发生的变形也存在较为明显的差异。其中，叶尖位置因为又细又薄，故而此处扭转变形最为明显；叶片截面中间位置较宽、偏厚，扭转变形量基本上可以忽略不计。由此可见，叶片加工过程中的扭转变形量，主要取决于截面厚度、叶片宽度两项因素。在假设叶片加工期间不发生塑性变形，并且使用简化模型进行受力分析的情况下，计算叶片单位长度扭转变形量（θ）

式中：G 表示剪切模量；b 表示截面宽度；h 表示界面厚度；β 表示横截面，如果叶片模型中b/h＞10，则β≈。参考弹性力学领域的扭转位移公式，并带入到式（3）中，则长度扭转变形量（θ1）的计算公式为

结合叶片切削加工时的受力分析可知，当刀具到达叶尖边缘时，叶片扭转变形量最大。此时x=L，y=，则最大长度扭转变形量（θmax）可表示为

2.4 叶片弯扭组合变形分析

在叶片的加工过程中，受到相同的切削力后，叶片出现的弯曲变形与扭转变形，其位移方向是相同的。但是叶片的弹性变形则是通过弯曲变形与扭转变形相互叠加形成。因此，“弯曲-扭转”组合变形（λ）公式可表示为

相应的，当叶片的叶尖位置有最大弯扭变形时，λmax可根据以下公式求出

结合叶片自身的结构特点，以及受力情况，可知叶片变形量从根部到端部，呈现出逐渐增加的趋势。同时，叶尖位置由于较薄，加上受力最大，因此发生的变形情况也最为明显。进一步分析认为，叶片的弯曲变形总体上符合线性分布规律[3]。

3 叶片机械数控加工中变形补偿及过程仿真

3.1 叶片变形补偿原理

对于叶片机械数控加工中产生的变形，可采取误差补偿技术达到提高加工精度、降低残次品率的效果。误差补偿是采取修正、均化、钝化等一系列方式，将实际误差控制在允许范围之内。根据误差补偿内容的不同，又可分为尺寸补偿、形状补偿、位置差值补偿等若干类型；根据有无实时监测装置，可以分为在线误差补偿和离线误差补偿等类型。其中，在线误差补偿技术需要使用高灵敏度的监测装置，实现对叶片机械数控加工过程的动态监测。通过工控机智能对比、分析加工过程中的误差变形情况，自动生成补偿参数进行误差补偿，确保最终产品满足标准。其优点在于补偿效果好、加工精度高，但是缺点也比较明显，例如成本高、实现难度大等。因此，本研究的叶片加工变形补偿中选择了离线误差补偿技术。其补偿实现途径主要有3 种：

第一种是优化切削参数，根据叶片的结构特点、材料特征以及加工要求等，综合考虑设定切削参数，包括切削速度、切削深度等。第二种是修正刀位轨迹，主要是通过静态仿真的方式，模拟叶片的加工过程和走刀轨迹，在此基础上得到切削力的具体值。然后在操作有限元软件把荷载施加到叶片的刀位点上，求出变形量值。然后基于变形量数据开展模拟，使用刀位修正法对刀位点进行修正，使叶片的最终加工精度可以满足要求。第三种是反变形误差补偿法，也是一种基于有限元分析的误差补偿实现方式。在求出刀位点的误差补偿量后，修改初始刀位点并获得新的刀位轨迹。将含有补偿信息的刀位轨迹转化成计算机可识别的程序编码，由计算机指令控制完成切削加工，从而提高加工精度。反变形误差补偿的原理见图3。

图3 叶片变形补偿原理

3.2 叶片加工仿真环境及参数设置

本研究选择UG NX 软件中的CAM 模块开展叶片模拟加工。其中，刀位轨迹规划、数控加工程序在CAD/CAM 一体化数控编程系统中完成，然后根据编程生成叶片的几何模型。CAM 软件支持工件模型的自定义设置，可根据仿真实验需要手动添加约束条件、切削用量等工艺参数[4]。

CAM 软件的工具库中有多种刀具可供选择，用户可从刀具库中直接调用。本次仿真实验中选择“球头刀”，依次选择“工具库”-“选择刀具”-“球头刀（刀具设置）”选项，进入到球头刀的刀具设置页面。在该页面上将刀尖半径设定为0.1 mm，可以最大程度上减小径向切削力。完成刀具创建后，编辑叶片加工程序。选择工序类型“mill_multi_axis”后，再选择工序子类型，最后点击“确定”保存设置内容。通过UG NX 软件可自动生成叶片加工毛坯，在此基础上依次开展粗加工、半精加工和精加工。在加工参数设置中，将驱动方式设置为“流线驱动”，切削速度设定为1400 mm/s，切削深度设定为0.1 mm，每齿进给量为0.1 mm/齿。

3.3 叶片加工仿真效果

在设置好叶片加工参数后，可以对叶片加工过程进行仿真。根据仿真加工所得模型来看，本次仿真设计中加工参数的设定可以满足叶片加工精度要求。叶片表面整齐、光滑，零余量加工完毕后也叶片表面没有发现未切除的切削残余高度。根据这一仿真结果，验证了本次仿真实验中刀具选择、刀具半径设置等均满足加工要求[5]。该程序可直接导入到数控机床的工控机中，按照该程序进行实际生产，保证加工出来的叶片在精度上满足使用要求。

4 结论

压气机叶片为不规则工件，在生产制造时极易因为受力不均匀而影响叶片加工精度，进而导致叶片高速转动时出现异常振动等故障，影响压气机的正常运行。通过构建叶片立体模型，并展开叶片受力有限元分析，可以查明叶片在切削加工过程中的受力情况。分析认为，叶尖处的弯曲变形量、扭转变形量以及弯扭组合变形量最大，容易发生变形。因此，在叶片边缘加工时需要采取变形补偿技术。本研究提出了一种反变形误差补偿法，并通过仿真实验对该方法的实用效果进行了验证。结果表明叶片模型变形量较小，加工精度达到要求。在压气机叶片机械数控加工中，使用该技术进行变形补偿可显著提高叶片加工精度。