汽轮机弯扭动叶片汽道型面的四轴数控制造和数控机床编程及加工

汽轮机弯扭动叶片汽道型面的四轴数控制造

常熟理工学院（筹）机电工程系5/15/20231弯扭叶片简介

该叶片为国内某大型汽轮机集团200MW机组中的低压缸八级动叶片。为了提高机组的工作效率，其叶型设计为曲面形状较复杂的弯扭形式，参见“动叶片产品图”及“动叶片三维模型”。弯扭叶型的特征截面采用大量离散点构成的列表曲线来定义，这在提高型线描述准确性的同时，也增加了型面定义的复杂程度，参见“特征截面点图”。

5/15/20232弯扭叶片产品图5/15/20233特征截面的数据点图5/15/20234叶片的三维实体造型（1）5/15/20235叶片的三维实体造型（2）5/15/20236叶片型面的制造特点分析

汽轮机弯扭叶片是典型的多轴数控加工零件。主机厂目前采用的制造工艺是：在方坯完成叶根及内背径向面的加工后，其汽道型面的粗精加工采用五轴数控加工一次完成。机床采用瑞士进口的五轴五工位加工中心，数控编程应用与机床配套的专业叶片编程软件。由于采用一次装夹完成整个型面的加工，因此加工精度比较理想，只需经简单的精抛光处理即可完成整个叶片的加工。但该工艺的缺点是加工设备太昂贵（一台五轴联动加工中心近二百万美元），加工成本太高，在目前情况下推广普及有一定困难。5/15/20237工艺创新方案根据该叶片的制造特点，我们将制造工艺创新的重点放在汽道型面的数控制造方式上。通过对该叶片的三维造型，发现采用四轴加工代替五轴加工完全可以达到同样的目的。但目前四轴加工编程技术中较难实现考虑毛坯情况的粗加工策略问题，不能很好地解决加工质量与加工效率的统一。为此，综合考虑加工质量要求与加工经济性，决定采用普通机床与三轴、四轴数控加工相结合的工艺方法。

5/15/20238方案介绍粗铣内弧侧大余量（内弧开荒）粗铣背弧侧大余量（背弧开荒）三轴数控加工内弧侧（基于毛坯余量）三轴数控加工背弧侧（基于毛坯余量）四轴精加工整个汽道型面5/15/20239粗铣内弧侧大余量（内弧开荒）设备：普通铣床夹具：160mm平口钳刀具：Ø25立铣刀测具：0-150游标卡0-300游标卡25-50外径千分尺50-75外径千分尺

5/15/202310粗铣背弧侧大余量（背弧开荒）设备：普通铣床夹具：160mm平口钳刀具：Ø25立铣刀测具：0-150游标卡0-300游标卡25-50外径千分尺50-75外径千分尺5/15/202311三轴数控加工内弧侧（基于毛坯余量的知识加工）设备：三轴数控铣床夹具：专用夹具刀具：Ø20的立铣刀、R5球头刀5/15/202312三轴数控加工背弧侧（基于毛坯余量的知识加工）设备：三轴数控铣床夹具：专用夹具刀具：Ø20的立铣刀、R5球头刀5/15/202313四轴精加工整个汽道型面设备：四轴加工中心夹具：四轴夹具刀具：R5球头刀5/15/202314技术路线三维造型夹具设计数控编程测具设计实际加工5/15/202315三维造型在叶片造型过程中，我们运用了在CAD/CAM/CAE各类软件中处于中高端市场的PTC公司出品

pro/engineer5/15/202316造型方法：采用离散的数据点完成点-线-面的造型方法。pro/engineer5/15/202317夹具设计5/15/202318夹具装配后示意图夹具在加工中心旋转轴上采用一夹一顶方式装夹夹具装夹方法：5/15/202319测具设计测量方案：叶片汽道型面加工质量的评估与检验，采用专门设计的叶片测具来进行完成。通过测具上确定的2－2及7－7两个检测截面，使用型线卡板对其形状进行比对测量。5/15/202320数控编程数控加工编程采用了在智能化三轴加工、多轴加工及加工模拟仿真技术上比较优秀的CimatronitV12软件。后置处理采用Cimatronit

附带的专业后置处理软件IMSPost。

5/15/202321三轴编程过程：加工方法：采用三轴等高铣削加工(WCUT)进行粗加工和半精加工。三轴内弧加工三轴背弧加工5/15/202322加工方法：在三轴加工的基础上用四轴曲面参数(SURMILL)与曲线多轴加工(CURVEMX)进行精加工。四轴编程过程：5/15/202323实际加工1、刀具轨迹编辑5/15/2023242、后处理定制通过IMSPost定制对应机床的后处理模板5/15/202325数控加工程序通过IMSPost后置处理生成的四轴加工程序5/15/202326实际加工模拟三轴数控加工内弧侧三轴数控加工背弧侧四轴精加工整个汽道型面5/15/202327附：参赛方案的补充说明由于叶片材料采用1Cr12Mo，加工难度比较大。考虑到比赛时间有限，故将比赛所使用的材料改为纯铝。在保持数控制造工艺方案不变的情况下，对叶根等的制造工艺作了一些调整。参赛前，我们考虑先完成四轴数控加工前的所有工序，现场只演示汽道型面的四轴数控加工及测量。四轴数控制造工艺参见“四轴数控加工的工序图”。

5/15/202328谢谢大家！5/15/202329数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02程序结束M02

4M03主轴正转M03√M04主轴反转M04√M05主轴停M05√5M08开冷却液M08√M09关冷却液M09√

6M97程序跳转M97P_

M98子程序调用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定义开关1有效M20√M21自定义开关1无效M21√8M22自定义开关2有效M22√M23自定义开关2无效M23√9S主轴转速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC软件介绍在程序管理界面下，可进行有关数控加工程序文件的各种操作，如读入程序、编辑修改及查错编译等。每一个工件程序由若干个程序段组成；每一个程序段完成一个加工步骤；每一个程序指令有程序段号和若干个指令代码组成，指令代码在程序段中的位置可以是任意的，同组指令在同一程序段中不能重复使用；最后一个程序段由指令代码M02作为程序结束标志。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍

在运行加工程序之前，必须通过参数设置对机床和刀具进行调整，使其与加工要求相符，这样才能正确地进行加工或模拟加工。OpenSoftCNC软件系统的参数主要有以下内容：①基本设置设置可修改的基本参数。②刀具设置设置刀具编号、类型和刀具补偿等参数。③轴参设置设置和查看坐标轴参数。④工件坐标设置设置G54—G59等工件坐标系的原点坐标。⑤PLC设置用于查看PLC缓冲区配置、PLC程序梯形图及PLC程序指令流程。机