0 前言

　　葉片廣泛用于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，起著能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用，形狀復(fù)雜，工藝要求高，加工難度大,所以目前葉片的生產(chǎn)主要以進(jìn)口五軸數(shù)控加工中心為主，比如瑞士的斯達(dá)拉格機(jī)床，意大利的法拉利機(jī)床。這些機(jī)床一般都要幾百萬(wàn)，甚至上千萬(wàn)，相應(yīng)的維修成本也是非常高的，而四軸數(shù)控機(jī)床只要幾十萬(wàn)就可以了，出于降低成本的考慮，在滿(mǎn)足產(chǎn)品加工需求的前提下，應(yīng)該盡量選用合理的機(jī)床。這就需要我們多研究葉片的幾何特性，以及相應(yīng)的加工方法。

　　葉片主要由兩大部分組成，即通流部分和裝配部分。裝配部分一般有葉根和葉冠，有的還有阻尼凸臺(tái)等，起固定和支撐作用；通流部分由型面部分和轉(zhuǎn)接部分組成，是葉片的工作部分，在葉片裝配以后，相鄰葉片之間的型面部分、型面部分與裝配部分過(guò)渡的轉(zhuǎn)接部分連同裝配部分的平臺(tái)面共同組成了通道，蒸汽或燃?xì)庠谄渲辛鬟^(guò)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。葉片的轉(zhuǎn)接部分又分為葉根轉(zhuǎn)接、葉冠轉(zhuǎn)接和凸臺(tái)轉(zhuǎn)接。

　　葉片之所以是一種難加工的復(fù)雜零件，就在于它的型面是一個(gè)光滑的空間曲面，而轉(zhuǎn)接不僅自己本身有形狀，還要跟隨型面的形狀，以及葉根、葉冠或凸臺(tái)的形狀，幾何模型更加復(fù)雜。阻尼凸臺(tái)以及凸臺(tái)轉(zhuǎn)接是在型面中部的凸起部分，情況比較特殊，在此不做贅述，葉根轉(zhuǎn)接和葉冠轉(zhuǎn)接是在型面的兩端，情況比較類(lèi)似，本文針對(duì)根冠轉(zhuǎn)接的幾何特性及造型和加工方法進(jìn)行探討。

圖1 葉片的結(jié)構(gòu)

1 轉(zhuǎn)接的幾何特性

　　1.1 幾何特性

　　葉片一般是用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，安裝在轉(zhuǎn)子葉輪或轉(zhuǎn)鼓。葉片工作時(shí)是繞著一個(gè)回轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)。葉根和葉冠雖然都是葉片的裝配部分，但它們都有一個(gè)表面是參與形成葉片的通流部分，稱(chēng)為平臺(tái)面。

　　葉根平臺(tái)面或葉冠平臺(tái)面與葉片型面使用圓弧、橢圓等過(guò)渡就形成了葉根轉(zhuǎn)接或葉冠轉(zhuǎn)接，轉(zhuǎn)接過(guò)渡時(shí)多數(shù)情況還要考慮葉根或葉冠的外輪廓。比如：做葉根圓弧過(guò)渡，圓弧半徑是R20，當(dāng)靠葉根處型線(xiàn)到葉根輪廓邊緣的法向距離大于等于R20時(shí)，轉(zhuǎn)接圓弧既與型面相切又與葉根平臺(tái)面相切；當(dāng)法向距離小于R20時(shí)，過(guò)渡圓弧與型面相切，與葉根平臺(tái)面在邊緣處相割，這樣形成的轉(zhuǎn)接清晰地顯現(xiàn)葉根輪廓邊緣，這就是我們常說(shuō)的轉(zhuǎn)接拉齊。

　　有的葉片設(shè)計(jì)不要求轉(zhuǎn)接拉齊，那就不考慮葉根輪廓邊緣，轉(zhuǎn)接圓弧與葉根平臺(tái)面相切，當(dāng)型線(xiàn)到葉根輪廓的法向距離小于R20時(shí)，切點(diǎn)就高于葉根輪廓，葉根輪廓就離開(kāi)葉根平臺(tái)面延伸至轉(zhuǎn)接圓弧處，外觀看起來(lái)就像鼓出來(lái)一塊，這就是所謂的相貫線(xiàn)。

圖2 葉片轉(zhuǎn)接的幾何特性

　　1.2 影響轉(zhuǎn)接的因素

　　1.2.1 轉(zhuǎn)接的形狀

　　轉(zhuǎn)接的形狀主要有圓或橢圓。根冠平臺(tái)面與型面的轉(zhuǎn)接過(guò)渡有整圈都是圓弧或橢圓的方式，也有變半徑的方式。變半徑就是在不同的位置或不同的角度處以不同半徑的圓弧來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)接過(guò)渡。

　　1.2.2 根冠平臺(tái)面

　　根冠平臺(tái)面有：直平面、斜平面、圓柱面、圓錐面以及母線(xiàn)是樣條曲線(xiàn)的回轉(zhuǎn)面等。

　　1.2.3 根冠輪廓

　　葉根平臺(tái)的輪廓主要有菱形的或圓弧形；葉冠平臺(tái)的輪廓形狀非常多，對(duì)葉冠轉(zhuǎn)接影響比較大的主要是看是否帶鎖口，圖2 中的葉冠輪廓就是帶鎖口的，也就是指型線(xiàn)內(nèi)背方向V字形的部分。

　　1.2.4 型面

　　型面對(duì)轉(zhuǎn)接的影響主要是：型面是否扭曲，進(jìn)出汽邊的圓弧大小等。

2 轉(zhuǎn)接的造型方法

　　轉(zhuǎn)接造型基本思想就是要同時(shí)保證轉(zhuǎn)接的形狀與型面和平臺(tái)面相切，比如：圓弧轉(zhuǎn)接就是將一個(gè)球始終保持貼著平臺(tái)面或輪廓邊緣，然后順著葉片型面滾一圈，所形成的曲面就是轉(zhuǎn)接面。實(shí)際生產(chǎn)中一般是借助NX等CAD軟件，建立幾何模型。

　　2.1 邊界倒圓

　　邊界倒圓需要先將葉根、葉冠與型面連成一個(gè)整體，如果是片體需要先縫合，產(chǎn)生一圈邊緣，實(shí)際上就根冠平臺(tái)面與型面的交線(xiàn)，沿著這個(gè)邊緣，設(shè)置半徑或變半徑進(jìn)行倒圓，實(shí)現(xiàn)型面與根冠的轉(zhuǎn)接過(guò)渡。這種方法簡(jiǎn)便快捷，生成的轉(zhuǎn)接有相貫線(xiàn)，而且可以實(shí)現(xiàn)變半徑；缺點(diǎn)是：不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接拉齊，也不能倒橢圓。

　　2.2 面倒圓

　　面倒圓既可以倒圓也可以倒橢圓，但不能實(shí)現(xiàn)變半徑倒圓，第一組面選型面，第二組面選平臺(tái)面，陡峭邊緣選根冠輪廓的邊緣就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接拉齊。這是最常用的葉片轉(zhuǎn)接造型方法，但實(shí)際操作會(huì)有很多困難，原因是葉片轉(zhuǎn)接一般都需要拉齊，不能有相貫線(xiàn)，葉片型面是樣條曲線(xiàn)，情況比較復(fù)雜，特別是出汽邊的圓弧比較小時(shí)，常常倒不出來(lái)，就算能到出來(lái)形成的轉(zhuǎn)接面也非常零亂，容易打折甚至破損。

　　2.3 曲線(xiàn)倒圓

　　曲線(xiàn)倒圓主要用于面倒圓做不出來(lái)，或者出現(xiàn)打折或破損時(shí)做局部修補(bǔ)用。

　　曲線(xiàn)倒圓類(lèi)似人工倒圓，是沿型線(xiàn)的法向做若干平面，每個(gè)平面分別去截型面和平臺(tái)面，產(chǎn)生兩條交線(xiàn)，對(duì)這兩條交線(xiàn)進(jìn)行倒圓，保證相切，參見(jiàn)圖2，如果倒圓距離不夠就保持相割，也就是作一個(gè)過(guò)根冠輪廓邊緣上的某點(diǎn)與型面相切的圓，截的平面越多，轉(zhuǎn)接也就作得越準(zhǔn)確。曲線(xiàn)的兩端規(guī)定好邊界條件，最后生成網(wǎng)格曲面，完成轉(zhuǎn)接的造型。 

3 轉(zhuǎn)接的加工方法

　　葉片轉(zhuǎn)接的幾何特性決定只能采用數(shù)控機(jī)床來(lái)加工，這就需要編制合理的刀路軌跡在數(shù)控機(jī)床上把轉(zhuǎn)接的幾何特性在產(chǎn)品實(shí)物上體現(xiàn)出來(lái)。由于大多數(shù)葉片轉(zhuǎn)接都是圓弧過(guò)渡，而刀具是有球頭刀的，那么在機(jī)床上球頭刀只要同時(shí)貼著型面和平臺(tái)面走一圈軌跡，轉(zhuǎn)接的形狀就出來(lái)了。所以在90年代早期，還沒(méi)有引進(jìn)NX軟件，AutoCAD的使用還剛起步，就是使用這種思路來(lái)編制轉(zhuǎn)接的數(shù)控加工程序，具體方法就是采用大繞度三次樣條將型線(xiàn)偏置一個(gè)刀具半徑，平臺(tái)面也偏置一個(gè)刀具半徑，用FORTRAN語(yǔ)言計(jì)算出交線(xiàn)上的點(diǎn)坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換成NC指令用于加工。隨著NX軟件以及五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的引進(jìn)，葉片轉(zhuǎn)接的加工方法有了更多更好的選擇。

　　3.1 清根的思路

　　葉片轉(zhuǎn)接的造型是比較難的，但轉(zhuǎn)接一般都是圓弧過(guò)渡，只要選用與轉(zhuǎn)接相同半徑的球頭刀就可以加工出來(lái)，根本不需要真的把轉(zhuǎn)接造出來(lái)，這就是清根的思路。葉片加工專(zhuān)業(yè)軟件也是采用這種思路，可以高效快捷地生成加工程序。

　　3.1.1 清根切削

　　葉片的型面和葉根（或葉冠）平臺(tái)形成一個(gè)折角，符合清根切削的條件，轉(zhuǎn)接R由刀具保證，由于這是一種固定軸加工方法，可用于四軸機(jī)床，但需要從不同的角度方向加工，才能將轉(zhuǎn)接完全加工出來(lái)，自動(dòng)生成的刀軌往往不合理，需要人工編輯整理。

　　3.1.2 專(zhuān)業(yè)軟件

　　葉片加工的專(zhuān)業(yè)軟件一般都是五軸機(jī)床的生產(chǎn)廠商配套提供的，是以五軸加工為著眼點(diǎn)的，只需要讀入型面數(shù)據(jù)和根冠數(shù)據(jù)就可以編制轉(zhuǎn)接程序了，一般采用轉(zhuǎn)接半徑相同的球頭刀加工，從平臺(tái)和型面兩個(gè)方向分別切削，生成的是螺旋刀軌，高效而合理。

　　斯達(dá)拉格公司的RCS軟件在行業(yè)中運(yùn)用最廣泛，加工圓弧轉(zhuǎn)接時(shí)可以使用比轉(zhuǎn)接半徑小的刀具，也可以加工橢圓轉(zhuǎn)接，但往往鼓出來(lái)一塊，轉(zhuǎn)接沒(méi)有拉齊，需要修補(bǔ)一下，而用法拉利公司的TS80軟件在這方面做得更好些。

　　3.2 按模型加工的思路

　　當(dāng)轉(zhuǎn)接是變半徑，是橢圓，或者轉(zhuǎn)接的半徑比較大，沒(méi)有合適的刀具可用時(shí)，就需要將轉(zhuǎn)接通過(guò)CAD軟件將其完整地造出來(lái)，然后按造好的模型加工。

　　3.2.1 按片體加工

　　葉片加工的專(zhuān)業(yè)軟件有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)接不齊等情況，需要通過(guò)造型抽取所需的片體進(jìn)行加工，來(lái)修補(bǔ)不理想的部位。

　　3.2.2 等高切削

　　根據(jù)造好的轉(zhuǎn)接模型，對(duì)其輪廓進(jìn)行分層加工，由于圓角銑刀比球頭刀切削性能好，多采用圓角銑刀進(jìn)行等高切削，但要注意圓角銑刀的刀具直徑一定要比轉(zhuǎn)接的直徑小，才能將轉(zhuǎn)接完整地加工出來(lái)。這也是一種固定軸的加工方法，多用于四軸機(jī)床，同樣需要從不同的角度方向加工，銜接問(wèn)題很重要。

　　3.2.3 多軸螺旋切削

　　使用球頭刀，在封閉曲面的驅(qū)動(dòng)下，按轉(zhuǎn)接模型的輪廓加工，所生成的刀軌跟專(zhuān)業(yè)軟件很相似，只能用于五軸機(jī)床。NX的多軸螺旋切削對(duì)加工模型的要求很高，轉(zhuǎn)接曲面必須光滑無(wú)破損，同時(shí)驅(qū)動(dòng)面的制作也很講究，驅(qū)動(dòng)面做不好，生成的刀軌就會(huì)很凌亂，無(wú)法使用。所以這種加工方法是很好的，但編程很費(fèi)工夫。

4 結(jié)論

　　葉片的轉(zhuǎn)接區(qū)域是一個(gè)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，對(duì)它的加工是葉片生產(chǎn)中的一個(gè)難點(diǎn)，如何對(duì)其進(jìn)行高效準(zhǔn)確的加工一直是技術(shù)人員努力的目標(biāo)。同時(shí)生產(chǎn)成本也是必須考慮的，四軸機(jī)床價(jià)格低廉，圓角銑刀切削性能好，螺旋切削方式效率高，這就需要我們不斷探索新的方法。多分析，多探討，在實(shí)際生產(chǎn)中，就能有更合理的選擇。