叶片曲面加工方法

1.叶轮叶片曲面加工方法叶轮是涡轮式发动机的核心部件，被广泛应用于航天、航空及其它工业领域，其加工质量对发动机性能有决定性地影响。

由于叶轮叶片的形状是机械中最难加工的复杂曲面，所以，叶轮的加工长期以来一直是一个技术难题，倍受各国工业界的关注。

各工业发达国家曾先后研制出多种加工方法，如：最初的采用铸造成型后修光法、石蜡精密铸造法、电火花加工法、三坐标仿形铣削法等。

但这些早期的加工方法，不仅加工效率较低，而且叶轮质量也较差。

直到数控技术被应用到叶轮的加工中，才使叶轮的加工技术得到了跨越性发展。

当前国内外叶轮数控加工方法主要有：点铣法和侧铣法。

点铣法质量容易保证，但加工效率极低，而侧铣法较点铣法效率高许多，但涉及的关键技术较多，目前，国外侧铣法应用较普遍。

叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。

而且能否精确的加工出形状复杂的叶轮己成为衡量数控机床性能的一项重要标准。

曲面根据形成原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面。

直纹面又可以分为可展直纹面和非可展直纹面，对于可展直纹面，完全可以使用非数控机床加工。

而对于非可展直纹面和自由曲面叶片的整体叶轮来说，则必须用四轴以上联动的数控机床才可以准确地加工出来。

由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能，则利用它进行叶片加工时，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其他部分，避免发生干涉。

按叶轮的曲面形状的不同，可以采取点铣法或侧铣法，下面分别介绍：第一类：点铣法，即用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀（加工一个叶片一般需50~200次走刀），逐渐加工出叶片曲面。

这种方法在自由曲面型叶片上普遍采用，在一小部分直母线型叶片上也采用。

我国航天用的转子、风扇都采用这种点铣法。

以航天部某机器厂加工某型号叶轮为例，叶轮材料为TC6钛合金。

其加工方法即是在四轴联动的机床上利用圆柱球头铣刀进行点铣加工。

即从叶片顶部开始，沿叶片的流线方向，用球头刀的刀头部分对其进行切削，当其走刀行程加工完一侧的一条流线后，经过退刀及进刀后，刀具即向轮毂方向移动0.3mm，进行下一次切削，直到叶片的一面加工完毕，再对另一面进行切削。

如图1。

利用这种方法加工出的叶片能够较精确地符合叶片设计型面的要求，精度较高，而且加工走刀方向和设计流线方向相同，对叶轮运行时的动力性能有利。

但是其最显著的缺点为加工效率低下，上述所加工叶轮直径为279mm，叶片高度为40~75mm。

用这种方法加工出一个完整的叶轮耗费机时500个左右，需占用机床一个月，耗费大量的机时费和人工费用。

大大增加了产品的生产成本。

而且，这种点铣的切削方式，只有刀具头部一点或一圈切削刃参加切削，刀具磨损严重，需要经常换刀及重磨刀具，生产成本进一步增加。

第二类是侧铣法。

即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面，它主要用于直母线型叶轮的加工。

我国增压器模型叶轮已采用此种方法制造。

这种铣削方法比采用点铣法能显著改善叶片的表面粗糙度以及显著提高叶轮的加工效率，但是我国国防工业中，由于对侧铣加工的方法有疑虑，很少采用侧铣的方法，使叶轮的加工效率低下。

尽管非可展直纹面是非可展的（也就是说，存在于直母线两端的曲面法矢方向是不平行的），但它毕竟是由直母线沿导线扫描形成的。

（以直纹抛物面为例，就是直母线的一端以直线为导线，而另一端以抛物线为导线，扫描而成的）也就是说，将曲面离散后，可以得到曲面上的一条条方向各不相同的直线。

正是利用很大部分叶轮曲面为非可展直纹面这一特性。

国外许多家公司已开始采用四轴侧铣来加工非可展直纹面叶片的整体叶轮。

其中世界上最著名的美国NREC公司采用软件MAX5就能够完成为叶轮的四轴侧铣数控加工生成数控代码的工作。

在该软件中采用了三项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。

用数控编程时进行的处理工作来避免理论切削误差。

同时，软件中针对各种不同的叶轮形式还设计了切削路径的模板，可以直接生成刀具轨迹，然后根据具体情况再进行调整，这样可以大大地节约编程时间，提高效率。

从理论上讲，利用四轴、五轴联动机床侧铣的方法来加工非可展直纹面，是有误差的。

而且，对于直纹抛物面这种非可展直纹面来说，加工一个曲面时，刀具与工件的接触线越长，加工误差也就越大。

针对这一问题可采用分片侧铣的加工方法进行非可展直纹面的叶轮叶片的加工。

也能实现这一功能。

分片侧铣就是利用侧铣的方法加工叶片，但并不是一次就将整个叶片从叶顶到叶根全部铣出。

而是将叶片纵向分为几片，加工时首先用刀具侧刃加工最外面的一片。

然后，进行退刀、进刀，再加工相邻的下一个分片。

分片数越多，工件与刀具的接触线就越短，理论加工误差就越小。

当分片数足够多时，加工误差就会符合工件要求。

具体方法如图2。

2.叶片数控加工编程目前,发动机叶轮叶片采用手工编程的方法很难实现，一般都借助于CAD/CAM软件（如UG，MASTCAM等）, 数控加工编程一般可按下列步骤来完成。

2.1叶片三维模型的建立。

叶片的原始数据是若干个横截面的离散点或分段圆弧的数据,这就需要用曲面拟合的方法生成光滑连续的曲面。

目前，比较成熟的技术主要有以B样条或NURBS曲面为基础的矩形参数域曲面构造和以Bezier曲面为基础的三角形参数域曲面构造方法。

2.1.1以三角Bezier曲面为基础曲面构造方法1）散乱点数据三角化：通过连接数据点构造三角形网格（包括三角形面的多面体）。

2）曲线网插值：构造三角形网格域上各条边的光滑三次曲线网。

各曲线网在三角网格公共顶点处切线共面（有共同切平面），保证曲面片间顶点处GI连续。

3）曲面插值：用三角Bezierr曲面片填充三次曲线网中未定义的面，为了保证曲面片公共边界处GI连续，将一个三角Bener曲面片细化为3个子曲面片，其次数升为四次。

然后，对每条公共边界曲线实行GI连续条件约束。

2.1.2以B样条或NURBS曲面为基础的曲面构造首先根据边界构造一初始曲面；然后将型值点投影到该初始曲面上；接着根据投影位置算出其参数分布（从而解决散乱数据的参数分配问题），根据这一型值点参数分配拟合出一张新的B条曲面：最后，再对型值点参数进行优化，使拟合曲面离给定型值点误差最小。

在CAD/CAM软件中，可以直接通过已知的命令来实现，比如在UG中用[ｔｈｒｏｕｇｈｃｕｒｖｅｓ]命令,依次选择各截面型线,可以生成ＮＵＢＲＳ曲面。

2.2刀具选择和刀具库的建立。

目前加工曲面的刀具主要有：球头铣刀、环形铣刀、平头铣刀及在多轴加工中应用较多的鼓形铣刀和圆锥立铣刀。

球头铣刀在自由曲面的数控加工中应用最为普遍,球头刀刃对各种曲面的适应性较强,刀具轨迹的计算也比较简单,在自由曲面三坐标数控加工中得到了很大的应用。

随着数控机床技术的发展,四、五轴数控机床应用的不断增加,平头立铣刀、环形刀等刀具在自由曲面加工中的优越性不断显现,极大的提高了自由曲面加工的效率与切削性能。

球头刀三坐标端铣数控加工在自由曲面加工中应用最为广泛,一般在三坐标数控机床或加工中心上进行,也可以在四坐标和五坐标机床上加工。

球头刀加工自由曲面具有较好的适应性,刀具切触点与球心的连线即为曲面上该点的法向矢量,刀心约束在加工曲面的等距面上,因此刀位点的计算比较简便,适应于各种类型的自由曲面的加工。

球头刀在三坐标数控加工中,要求刀轴方向始终保持不变,与机床主轴(Ｚ向)一致,这就要求加工曲面在刀轴方向(Ｚ向)上单调,从而限制了自由曲面的加工范围。

球形刀三坐标加工的另一缺点是切削速度随刀刃上切触点位置的不同而变化,球头刀端点与加工曲面切触时的切削速度为零,切削性能较差。

在五坐标机床上采用端铣刀加工自由曲面时,由于刀具底面中心没有刀刃,为避免刀具底面中心与加工表面接触及切削刃与加工表面发生干涉,应将刀轴置于加工表面法向矢量ｎ和进给切向矢量ｆ所在的平面内,此平面即为摆刀平面。

同时,使刀具的切削刃部分与加工表面接触,且将刀轴沿进给方向ｆ与加工表面法向矢量倾斜一个角度β(见图2),β角称为后跟角(ｈｅｅｌａｎｇｌｅ)。

平头立铣刀切削刃投影局部坐标系平头立铣刀的刀轴矢量转动β角度之后,其刀具底平面在与进给方向垂直的法平面的投影为一椭圆。

建立如图2所示的局部坐标系,则刀具底平面切削刃轮廓在垂直于进给方向的法截面内的投影椭圆的方程可表示为1)sin (2222=+βR y R x 由此可求得在刀具切触点(x=0)处椭圆的曲率半径为βρsin 0R x == 此即为平头立铣刀的最大有效半径max ρ。

采用一个通过刀触点和椭圆长半轴的两个端点的圆弧来近似参与切削的下半个椭圆可避免精度超差。

加工叶片的过程要用三种刀：端铣刀(粗加工用)、带角圆的圆柱铣刀(半精加工和精加工用)和球头锥铣刀(清根用)。

在CAD/CAM 软件中建立用户自己的刀具库,可根据叶片尺寸大小选用不同直径的刀具。

2.3加工方式的选择在CAD/CAM 软件中选择合适的加工方式，如下表，其中半精加工和精加工的加工方式基本上是相同的。

2.4刀具轨迹生成。

曲面加工刀具轨迹的计算过程简略地表述为：给出一张或多张待加工曲面（零件面），按导动规则约束生成切触点曲线，由切触点曲线按某种刀具偏置计算方法生成刀具轨迹曲线。

由于一般的数控系统有线性、圆弧等几种插补功能，所以一般需将切触点曲线和刀具轨迹曲线按点串方式给出，并保证加工精度，这个过程如下所示在个别情况下也有例外，如用球形刀三坐标加工比较光顺的曲面时，可以直接根据曲面计算得到等距面，刀具轨迹曲线完全由等距面确定。

这时切触点曲线的定义和刀具偏置计算融合在等距面的构造过程中，导动规则约束了等距面的离散，即刀位点的生成过程。

目前比较常用的刀具轨迹生成方法有以下几种：2.4.1参数线法基于曲面参数线加工的刀具轨迹计算方法的基本思想是利用Bezier曲线曲面的细分特性，将加工表面沿参数线方向进行细分，生成的点位作为加工时刀具与曲面的切触点。

因此，曲面参数线加工方法也称为Bezier曲线离散算法。

Bezier曲线离散算法按照离散方式又可分为四叉离散算法和二叉离散算法。

由于前者所占用的存储空间大，因此在刀具轨迹的计算中一般采用二叉离散算法。

在加工中，刀具的运动分为沿切削行的走刀和沿切削行的进给两种运动。

刀具沿切削行走刀时所覆盖的一个带状曲面区域，称为加工带。

二叉离散过程首先沿切削行的进给方向对曲面进行离散，得到加工带，然后在加工带上沿走刀方向对加工带进行离散，得到切削行。

由于参数空问与笛卡尔空间的非线性关系，曲面上的参数线分布并不均匀。

参数线法主成刀具轨迹的加工效率并不高。

但计算简单且计算量小。

2.4.2 CC路径截面线法该方法是在走刀过程中，将刀具与被加工曲面的接触点（CC点）始终约束在另外一组曲面内，即用一组约束曲面与被加工曲面的截交线作为刀具接触点路径来生成刀具轨迹。