1、 引言

　　混流式轉(zhuǎn)輪鑄造葉片數(shù)控加工過程中面臨的難點(diǎn)主要包括：（a）如何在加工前就能確定每塊鑄造葉片的毛坯余量，并對余量不足的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)焊，以避免在加工過程中占用機(jī)床時(shí)間補(bǔ)焊或加工后再進(jìn)行葉片補(bǔ)焊；（b）如何確定葉片加工位置（加工較小葉片時(shí)，通常可以在機(jī)床上通過跑點(diǎn)校正葉型并調(diào)整葉片加工位置，但這種方法不適合大尺寸葉片），如何在葉片沒上機(jī)床前就將葉片毛坯按最佳加工位置調(diào)整并裝夾好，不占用機(jī)床時(shí)間；（c）鑄造葉片一般較大，如何設(shè)計(jì)銑工具才能既保證葉片裝夾方便穩(wěn)固，同時(shí)還要使設(shè)計(jì)具有通用性，減少銑工具成本；（d）粗銑葉型占了65%以上的葉片加工時(shí)間，對提高效率至關(guān)重要，數(shù)控編程方法上如何改進(jìn)，使粗銑葉型時(shí)效率更高，最大可能地減少葉片的加工工時(shí)；（e）如何設(shè)計(jì)工藝吊攀，用于葉片加工過程中翻身、葉片加工結(jié)束后轉(zhuǎn)運(yùn)及后序的轉(zhuǎn)輪裝焊。

　　我們通過運(yùn)用先進(jìn)的葉片3D 測量技術(shù)，并使用UG軟件進(jìn)行CAD 設(shè)計(jì)和CAM 編程，使以上問題都順利得到了解決。本文將分別從葉片毛坯3D 測量、葉片銑工具設(shè)計(jì)和葉片數(shù)控編程以及葉片工藝吊攀設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

2 、葉片毛坯3D 測量

　　加工鑄造葉片，如果毛坯余量不夠或者葉片裝夾位置不合理，很可能導(dǎo)致葉片上局部區(qū)域未被加工出來，從而造成后序補(bǔ)焊和返工工時(shí)增加。因此在第一個(gè)階段，需要確定合理的葉片加工余量和最佳葉片裝夾位置。我們知道空間任一自由物體共有6 個(gè)自由度，分別為沿X、Y、Z 軸移動(dòng)的3 個(gè)自由度和繞X、Y、Z 旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度，若使工件在空間處于固定不變的位置，就必須對這6 個(gè)自由度加以限制［1］。根據(jù)這一原理，我們事先在每塊葉片毛坯上焊裝了3 個(gè)球作為控制點(diǎn)來控制葉片的6 個(gè)自由度。同時(shí)在葉片毛坯上各部位（包括正背面、進(jìn)出水邊、上冠下環(huán)邊）按要求畫上大致規(guī)則的柵格點(diǎn)，并用三維測量儀測出這些毛坯點(diǎn)的坐標(biāo)以及3 個(gè)球的球心坐標(biāo)。然后我們使用3D 測量軟件，將這些毛坯點(diǎn)與葉片3D 模型進(jìn)行自動(dòng)擬合計(jì)算，3D 測量軟件會(huì)自動(dòng)將這些毛坯點(diǎn)調(diào)整到葉片各處余量均勻的位置（即葉片最佳裝夾位置），并將該最佳位置對應(yīng)的3 個(gè)球心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成加工坐標(biāo)系輸出。有了這3 個(gè)球心的加工坐標(biāo)，就可以在葉片銑工具上按這3 個(gè)點(diǎn)的相對位置關(guān)系裝上3 個(gè)凹球面支撐座，這樣毛坯葉片就可以通過三個(gè)球面定位，被順利裝夾到葉片銑工具上，并保證按此位置加工，毛坯葉片各處余量均勻。通過3D 測量軟件的計(jì)算，我們可以事先就確定毛坯余量是否足夠，并且軟件會(huì)明確標(biāo)出毛坯葉片上哪一塊區(qū)域的余量不足，方便我們在葉片加工之前就對該部位進(jìn)行補(bǔ)焊，不需要占用機(jī)床時(shí)間，并使加工后葉型完整美觀。

　　2.1 測量儀器

　　為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們采用激光跟蹤儀對葉片毛坯進(jìn)行了取點(diǎn)測量（如圖1 所示）。這是因?yàn)榧す飧櫆y量儀具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測量、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，并且通過轉(zhuǎn)站的方法可擴(kuò)大測量范圍，通過擬合計(jì)算，把不同站位數(shù)據(jù)相互聯(lián)系，形成一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系，適合大尺寸工件空間點(diǎn)位的測量。

　　2.2 毛坯準(zhǔn)備

　　為了便于測量后尋找葉片最佳裝夾位置，根據(jù)6 點(diǎn)定位原理，我們在測量前在毛坯葉片背面適當(dāng)位置預(yù)先焊接了3 個(gè)螺母，并擰上3 個(gè)鋼球來控制毛坯葉片的6個(gè)自由度（鋼球可拆卸，便于鋼球重復(fù)使用，節(jié)約成本）。同時(shí)在毛坯葉片背面焊接上適量的吊攀，便于對毛坯葉片進(jìn)行裝夾緊固，如圖2 所示。

　　2.3 測量取點(diǎn)及毛坯數(shù)據(jù)輸出要求

　　毛坯坐標(biāo)取點(diǎn)要按一定的要求進(jìn)行：葉片各個(gè)不同部位要分開取點(diǎn)，并用所屬的表面命名加以區(qū)分。表面取點(diǎn)時(shí)大致均布即可，不需要很規(guī)則的柵格點(diǎn)，葉片表面曲率大的地方或者表面余量少的地方（如局部凹下去的地方）需要多測幾個(gè)點(diǎn)。正、背面上取點(diǎn)不要離邊界太近，應(yīng)離開至少50mm 為宜，進(jìn)水邊按頭部形狀一般每個(gè)截面取三點(diǎn)，出水邊、上冠和下環(huán)邊取點(diǎn)可取在葉片厚度中間的部位［3］。這些要求的制定是便于保證后序通過軟件可將毛坯點(diǎn)與葉片模型進(jìn)行正確的擬合。將這些測量點(diǎn)按所需的格式輸出成DAT 文件，就可以開始下一步。

　　2.4 用3D 測量軟件擬合并計(jì)算出毛坯最佳裝夾位置，然后輸出加工坐標(biāo)系下各毛坯測量點(diǎn)的新坐標(biāo)將毛坯測量點(diǎn)與葉片3D 模型進(jìn)行擬合，3 D 測量軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算毛坯點(diǎn)與葉片模型之間的距離，并將葉片位置調(diào)整到各部位余量均勻的最佳位置。3D 測量軟件并可使每個(gè)測量點(diǎn)按其余量多少顯示為不同的顏色，且各表面的點(diǎn)（正面、背面、進(jìn)水邊、出水邊、上冠邊、下環(huán)邊）可以選擇顯示或者關(guān)閉，這樣毛坯葉片各處余量也就一目了然，如圖3。

　　左側(cè)色譜顏色變化與測量點(diǎn)余量多少相對應(yīng)，比如余量超過10mm 則該測量點(diǎn)顯示為紅色，余量如果低于10mm 則該點(diǎn)顯示為深藍(lán)色，余量范圍可以任意設(shè)定。從圖3 中可以看出右下側(cè)序208 點(diǎn)加工余量最少。這時(shí)就可以判斷葉片各部位是否要在加工前補(bǔ)焊以及補(bǔ)焊區(qū)域的大小，可避免加工過程中在機(jī)床上補(bǔ)焊或加工后補(bǔ)焊，減少因此造成的工時(shí)損失，并提高葉片加工后表面質(zhì)量。

　　最后按加工坐標(biāo)系輸出所有測量點(diǎn)（包括3 個(gè)定位球球心）的新坐標(biāo)，這樣根據(jù)3 個(gè)球心坐標(biāo)就可以確定毛坯葉片在銑工具上的裝夾位置，且按此位置加工，葉片各處余量均勻，不必在機(jī)床上再去校正葉型。

3 、葉片銑工具的設(shè)計(jì)

　　葉片加工分兩次裝夾，分別加工完成葉片的正面及背面葉型，銑工具設(shè)計(jì)也分成正面銑工具和背面銑工具兩部分。其中正面銑工具要能實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)葉片位置，因?yàn)槊繅K葉片毛坯不同，裝夾位置也不相同，正面銑工具需要能適用于所有的葉片。背面銑工具結(jié)構(gòu)雖相對固定，但要注意保證定位基準(zhǔn)面準(zhǔn)確。背面銑工具銑加工時(shí)要特別注意這一點(diǎn)：銑工具筋板曲面和4 定位銷相對位置關(guān)系要正確，背面銑工具加工零點(diǎn)X、Y、Z 3 個(gè)角尺面要銑準(zhǔn)。這是整塊葉片雖然分兩次裝夾完成，但加工后葉片正、背面型線加工誤差符合設(shè)計(jì)公差要求的關(guān)鍵所在，不得有絲毫馬虎。

　　3.1 正面銑工具

　　正面銑工具主要包括一塊大底板和3 個(gè)帶凹球面的支墩以及一些壓板及支撐附件。3 支墩凹球面與葉片上所焊的3 個(gè)球相配，葉片3 球定位后，通過葉片毛坯上預(yù)先焊的4 個(gè)工藝吊攀被固定到大底板上。鑒于每塊毛坯葉片的裝夾位置均不相同，設(shè)計(jì)正面銑工具時(shí)要充分考慮其能夠?qū)崿F(xiàn)靈活調(diào)節(jié)即通用性。因此正面銑工具底板上設(shè)計(jì)有成排的螺孔以方便裝夾，3 個(gè)支墩及其他支撐附件也都設(shè)計(jì)成高度可調(diào)式結(jié)構(gòu)。葉片正面在臥式鏜銑床上的裝夾俯視圖如圖4 所示。

　　3.2 背面銑工具

　　背面銑工具主要由一塊大底板和一些曲面筋板組成。筋板被預(yù)先銑成葉片正面一致的曲面，同時(shí)筋板側(cè)面裝有4 個(gè)定位銷，用于保證葉片第二次裝夾時(shí)的準(zhǔn)確定位。由于葉片背面銑工具直接關(guān)系葉片加工精度，對保證加工質(zhì)量非常重要，因此背面銑工具筋板的型面與定位銷的相對位置需要十分準(zhǔn)確。為此，我們特地設(shè)計(jì)了第4只定位銷用來校核，這樣可以很方便核對背面銑工具的加工是否正確，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝粔K葉片正面銑好裝夾到背面銑工具上，如果發(fā)現(xiàn)葉片與筋板曲面間隙較大，有了第4只銷子就容易判斷到底是背面葉片銑工具的問題還是葉片加工的問題，這也是我們這么多年加工葉片總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)。加工背面葉型時(shí)，每塊葉片裝夾位置準(zhǔn)確一致，有效地保證了葉片型線的精度要求，又保證了葉片重量的一致性，方便以后的轉(zhuǎn)輪裝焊配重。

　　為節(jié)約成本起見，葉片背面銑工具也擯棄了之前筋板焊死在底板上的結(jié)構(gòu)，改為筋板與底板之間用螺栓及定位塊連接，以便底板可以重復(fù)用于其他產(chǎn)品。為保證拆下來的筋板以后裝回到大底板上還是在同樣的位置，我們特別設(shè)計(jì)了若干定位塊，每塊筋板安裝到底板上后，在底板上先擰上小的定位塊（定位塊與底板之間的連接螺栓與定位塊孔采用小間隙配合），然后將定位塊與筋板配焊牢，每塊筋板用2 個(gè)定位塊固定。這樣的設(shè)計(jì)既確保了筋板位置的唯一性，又可使筋板可拆卸，以便大底板能通用于其他產(chǎn)品。

4、 葉片的數(shù)控編程

　　葉片數(shù)控加工是通過三軸銑的方法、分兩次裝夾完成整張葉片的葉型加工。葉片主要的加工難度是在插銑加工葉片四周邊和粗銑加工葉型的時(shí)候，因?yàn)檫@兩步加工時(shí)葉片余量多且不均勻，占用了葉片65%~70%的加工時(shí)間，如果提高了這兩步的效率，也就提高了整張葉片的加工效率。在UG 軟件中進(jìn)行葉片周邊插銑加工和葉型粗加工的編程方法如下：

　　4.1 葉片四周邊插銑加工的編程

　　葉片四周采用插加工方法去除多余的材料，這是因?yàn)槿~片是不銹鋼材料，且曲面四周加工需要刀具懸伸長，而插銑加工時(shí)刀具只受軸向力，能切除更多的材料，提高效率］。在UG 中選擇曲面銑MILL CONTOUR 加工模式，并選取其中的固定軸曲面加工FIXED CONTOUR 命令，驅(qū)動(dòng)方式選用曲面驅(qū)動(dòng)SURFACE AREA，以葉片進(jìn)水邊為例，產(chǎn)生的插銑刀軌如圖6 所示。

　　4.2 葉片葉型粗銑加工的編程

　　4.2.1 等高線粗加工

　　混流式轉(zhuǎn)輪葉片為X 型葉片，且曲率較大，局部余量較多，因此粗銑編程采用直徑大的圓刀片銑刀進(jìn)行等高線加工，通過控制小的切削深度，大直徑刀盤可以一刀就完成葉片粗加工，且切削平穩(wěn)。編程時(shí)先將X 型葉片分成4 個(gè)區(qū)域，然后畫出4 塊封閉的邊界線，每個(gè)切削區(qū)域都采用從高到低的等高線曲面輪廓加工方式。在等高線加工方式中，為了提高效率，還可以定義在不同的高度范圍內(nèi)使用不同的切削深度，在曲率大的地方采用較大的切削深度，曲率小的地方采用較小的切削深度。在UG 中選擇曲面銑MILL CONTOUR 加工模式，并選取其中的等高線輪廓加工Z LEVEL PROFILE 命令，選取葉片正面延長面作為加工面PART，切削區(qū)域CUT AREA 也選取該延長面，選取其中1 塊封閉邊界線為修剪邊界TRIM，并定義好加工高度范圍LEVEL RANGE 及該范圍切削深度，即可生成刀軌，具體如圖7 中所示。

　　4.2.2 插銑粗加工葉型面

　　有時(shí)在葉片中間局部區(qū)域余量非常多，即使采用等高線加工，依然會(huì)發(fā)生整把刀都嵌入毛坯中切不動(dòng)的情況。下面介紹一種非常好的粗加工方法：將工作臺旋轉(zhuǎn)一定角度，使葉片表面與主軸軸線形成一定角度，然后采用插銑的方法粗加工葉片表面，可取得非常好的效果。需要注意的是，因?yàn)椴煌膮^(qū)域插銑加工需要工作臺旋轉(zhuǎn)不同的角度，為了編程加工方便，加工零點(diǎn)需要設(shè)置在旋轉(zhuǎn)工作臺的中心。在UG 中選擇曲面銑MILL CONTOUR 加工模式， 并選取其中的固定軸曲面加工FIXEDCONTOUR 命令，驅(qū)動(dòng)方式選用曲面驅(qū)動(dòng)SURFACEAREA，通過定義UV 百分比可任意確定加工的范圍。刀軸定義為需要的矢量方向，后處理程序會(huì)根據(jù)刀具矢量方向，自動(dòng)輸出B 軸需要旋轉(zhuǎn)的角度（這需要UG 后處理程序的配合）。圖8 為工作臺旋轉(zhuǎn)45°的插銑刀軌。

5 、其它要點(diǎn)

　　5.1 葉片出水邊厚度的控制

　　有一點(diǎn)需特別注意：精加工時(shí)要嚴(yán)格控制出水邊厚度，在出水邊上均勻取5~6 個(gè)點(diǎn)，量取法向厚度并提供給操作者，讓操作者在精加工葉型時(shí)控制好每塊葉片出水邊厚度。這樣可以有效控制葉型誤差，并使每塊葉片的重量趨近一致，為后序的轉(zhuǎn)輪裝焊配重創(chuàng)造有利的條件。

　　5.2 精加工后葉片的吊運(yùn)

　　葉片精加工以后下機(jī)床前還有一步很重要的步驟要做，為了方便葉片打磨，使轉(zhuǎn)輪裝焊時(shí)吊運(yùn)方便，我們用UG 軟件計(jì)算出了葉片重心位置，并沿著葉片裝焊位置的軸線方向，在葉片重心位置豎直上方用頂針在葉片背面點(diǎn)出了吊攀位置。葉片連同背面銑工具下機(jī)床后，在該位置焊接了一個(gè)與葉片同種材料的不銹鋼吊攀，然后葉片就可以很方便地從銑工具上吊下并進(jìn)行后序的打磨；裝焊轉(zhuǎn)輪時(shí)，該吊點(diǎn)會(huì)使葉片自然處于裝焊位置，極大地方便了裝焊，如圖9。

6、 結(jié)語

　　本文全面闡述了大型鑄造葉片在毛坯測量、葉片銑工具設(shè)計(jì)和葉片數(shù)控編程三個(gè)關(guān)鍵步驟的技術(shù)難點(diǎn)及其解決方法，文中的一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)是基于作者多年數(shù)控加工葉片的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文所論述的關(guān)于混流式轉(zhuǎn)輪鑄造葉片數(shù)控加工的先進(jìn)方法和理念，可為葉片數(shù)控加工工藝最優(yōu)化提供具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的解決方案。