[发明专利]一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮机制造技术领域，具体地说是一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法。

背景技术

汽轮机叶片的主要作用是进行能量的转换，即将蒸汽所具有的热能转化成能推动汽轮机转子运动的机械能。通常情况下，汽轮机叶片处于高压、高温、强腐蚀以及高转速的工作环境，尤其是随着转子高速旋转的动叶片。与静叶片相比，动叶片承受很大的质量惯性力、振动载荷以及气动力。因此，汽轮机动叶片的制造加工质量直接影响汽轮机的性能、可靠性以及使用寿命。

如图1所示，汽轮机动叶片主要由叶根1、叶身曲面2(或者叶型曲面)、叶顶3三部分组成。叶根1是将动叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分。无论汽轮机的短叶片、中长叶片和长叶片，通常在叶顶用围带连在一起，构成叶片组，其主要作用是减小叶片工作的弯应力、增加叶片刚性以避开共振、形成一个封闭的气流通道，减小漏汽损失。叶身曲面2位于叶根1和叶顶3之间，也是汽轮机动叶片最重要的工作部分，相邻动叶片的叶身部分构成了汽轮机工作的气流通道。因此，叶身曲面决定着气流通道的变化规律。

叶片曲面常用的数控加工方法主要有两种:点铣法和侧铣法。点铣法加工叶片曲面时，采用的刀具为球头铣刀或圆环面端铣刀，根据叶片曲面的流线方向逐行铣削逐渐加工出叶片曲面形状，主要用于加工叶身为自由曲面的叶片。该方法的刀具轨迹计算相对容易，但加工时刀具与被加工曲面的最终几何形状呈点接触状态，并且随着铣刀与被加工的叶身曲面之间相接触的位置的不断变化，其铣削速度也在不断地变化，最重要的是，球面铣刀在铣刀头部顶点位置处的切削速度为零，因此，铣削后的叶身曲面表面加工质量很差，加工效率低，并且很容易使刀具产生磨损而报废。

与点铣法相比，侧铣法采用的刀具多数为圆柱铣刀或圆锥铣刀，与叶片曲面相接触的刀具侧刃铣削加工出叶片曲面的最终几何形状。这种铣削方法与点铣法相比,显著改善了叶片的表面粗糙度和提高了叶片的加工效率。但这种方法只适用于叶身是直母线型曲面的叶片。汽轮机动叶片叶身曲面多为不可展曲面，采用侧铣法会不可避免地产生较大的误差。

叶片曲面的加工过程比较复杂，一般需要在多轴联动数控机床(四轴、五轴)上进行加工。无论点铣法还是侧铣法，一般需要价格昂贵的多轴(四轴或五轴)联动数控机床，造成现阶段的汽轮机动叶片的加工成本较高等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，该方法可应用于三轴联动的旋风铣床，可以提高动叶片叶身曲面的表面质量和加工精度，并且能够降低加工成本。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：构造汽轮机动叶片叶身曲面模型：根据动叶片叶身各截面的型值点数据，构造出叶身曲面模型；

步骤(2)：环形刀盘的规格计算：根据步骤(1)构造的叶身曲面模型以及微分几何，计算出叶身曲面的凹面的最小曲率半径η_jmin，依据环形刀盘与动叶片叶身曲面不产生空间干涉的原则，计算出环形刀盘的刀盘半径，从而确定环形刀盘上的机夹刀片的规格；

步骤(3)：加工工艺参数的设定：在步骤(2)的基础上，设定动叶片叶身曲面多轴联动加工的工艺参数；

步骤(4)：刀具轨迹的计算：根据动叶片叶身曲面的模型、选取的机夹刀具规格、环形刀盘的刀盘直径以及步骤(3)中设定的工艺参数，生成环形刀盘的刀位点数据；然后依据数控机床的结构类型与数控系统，生成多轴联动的刀位点数据；环形刀盘的刀位点数据和多轴联动的刀位点数据构成符合动叶片加工要求的刀具运动轨迹；

步骤(5)：切削加工：装夹动叶片毛坯，启动数控机床，加工动叶片的叶身曲面。

进一步的技术方案为：在所述的步骤(4)和步骤(5)之间增加步骤(4-5)：仿真检验，步骤(4-5)的操作方法如下：对步骤(4)生成的刀具运动轨迹在仿真软件上对其进行仿真校验，若加工误差超过叶片曲面的加工要求或者出现碰撞现象，返回步骤(2)；若符合加工要求，则进行下一步操作。

增加仿真检验的步骤，确保进行切削加工时，机床刀具的轨迹是符合加工要求的，避免残次品的产生，保证加工质量，提高加工效率，避免浪费。

进一步的技术方案为：所述步骤(2)中，环形刀盘的刀盘半径的计算公式为：

R+r≤η_jmin

其中：R—环形刀盘的半径，

r—机夹刀片的刀尖半径。