汽轮机长叶片型面的双刀头式加工的刀具轨迹生成方法

摘要

本发明公开了一种汽轮机长叶片型面的双刀头式加工的刀具轨迹生成方法，该方法首先建立切削力同叶片加工中刀轴倾角之间的对应数学关系，得到叶片加工的切削力模型；然后获得叶片的截面型线数据，再确定双刀在叶片截面型线内的刀位控制点数据取值范围，所述刀位控制点数据包括刀位控制点间步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角；最后确定最终切削力的抵消效果。本发明双刀头对零件可以同时进行加工，通过合理的安排零件的加工工艺，加工效率比单刀头明显增加，另外由于双刀加工使得切削力大大抵消，显著的减小零件的加工变形。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种汽轮机长叶片型面的加工，尤其是一种汽轮机长叶片型面的双刀头式加工的刀具轨迹生成方法。

背景技术

汽轮机叶片一般由叶根、叶身、围带、拉筋及过渡部分组成。叶根是叶片安装固定的部分，叶身是叶片带有叶型的部分，叶片型面质量的高低直接决定着叶片的工作质量和汽轮机的性能。叶片的工作环境恶劣，工作中承受着高温、高压、高转速带来的离心力以及高温蒸汽的腐蚀作用。为了保证汽轮机的性能和设备的安全性，汽轮机叶片的材料都为专业钢材，硬度在360HB以上，加工性较差。同时为了保证汽轮机的高效率，叶身部分设计成一个光滑的空间曲面，其精度要求高，加工难度大。汽轮机中的叶片种类很多，不同类型的叶片因性能要求不同，在材料和结构上有很大的差异，由此导致其加工方法存在很大的差距。汽轮机中的长叶片结构最复杂，加工难度也最大。和普通叶片相比，长叶片叶身的中间位置在内背弧型面上各有一个凸台。叶根圆角为非常复杂的混合曲面，在叶片高度方向上的各个位置，其半径值是变化的，这给叶根圆角的造型和加工带来了一定的难度。

长叶片的长宽比大，截面复杂，其加工时特性和细长轴类零件有类似的地方。细长轴(长径比＞20)类零件强度和刚度差，在加工时受到自身重量、切削力和切削热的影响，极易产生振动和变形，加工质量难以保证，甚至造成零件加工过程中断。一般长轴类零件加工时采用加中心架或者跟刀架对零件进行辅助支撑。通过增加合理的辅助支撑结构形式，或者选择合理的刀具和切削用量可以在一定程度上提高零件的加工精度。这种方式适合于加工长径比大、截面不复杂的轴类零件。但是汽轮机长叶片很难用这种方式来加工。叶片型面是复杂空间曲面，截面复杂，表面常还有其他结构，加工过程中不易对其增加辅助支撑。实际加工中，常采用合理的加工刀具和切削用量等工艺参数来改善零件的加工质量。

目前，长叶片的型面加工主要采用五轴联动的数控加工中心来加工，一次装夹就可以完成叶身型面、内背弧凸台、叶根过渡圆角、叶冠过渡圆角及叶冠装配面型线等结构的加工。但五轴联动的数控加工中心都是采用单刀来加工叶片的。采用单刀加工长叶片时，特别是在粗加工阶段，切削用量大，加工效率低；在加工过程中，长叶片相当于一根两端固定的梁，当刀具作用在上面时，由于叶片刚性较差，极易在切削力的作用下发生弯曲和扭转变形，产生局部翘曲，出现“让刀”现象，影响加工精度。数控加工中心的数控加工程序在编写中也不能消除切削力对叶片加工精度的影响。为了减小加工中变形对叶片精度的影响，目前采取的策略主要有两个方面。在结构设计上，通过改进凸台的结构，改善叶片的受力状态以减少加工过程中的变形；在加工过程中，根据加工经验采用合理的加工刀具、切削用量等工艺参数和对刀具轨迹进行补偿来提高叶片的加工精度。

加工叶片刀具轨迹的规划内容主要包括刀具路径的选择，行距的确定，进给方向步长的确定等，生成的刀具轨迹实际上是一组包络叶片曲面的曲线。

叶片加工中，刀具路径的选择方法既有应用比较广泛的螺旋铣方法，也有行切方式。无论哪种走刀路径方式，加工过程都包括两个方向，即行距方向和进给方向。

行距的大小同叶片表面的残留高度存在密切的关系，一般确定行距的方法主要有等参数法和等残留高度法，由于等残留高度法可以保证各处的残留高度基本均匀，因而应用范围较广。

由于CNC插补能力的限制，曲线的刀具轨迹只能用一些微小直线段来逼近。加工过程中，由机床作分段线性运动来近似成形曲线，因而总是会存在加工误差。在生成加工步长的时候需要控制步长，以保证线性插补满足精度要求。比较常见的确定加工步长的方法有等参数步长法、等弦长步长法和等误差步长法。步长的大小直接影响了加工质量、数控程序的大小以及加工效率。等误差法可以在保证加工误差范围的前提下，取得最大步长，获得较高的加工效率，因而较常应用。

生成的刀具轨迹实际是由刀位控制点数据表示的，包括刀具中心点坐标和刀轴矢量，表示为刀具中心点的三个坐标值以及刀轴矢量在工件坐标系下三个方向的余弦。

现有的刀具轨迹生成方法都是针对单刀加工方式提出的，如何生成双刀加工中两侧刀具的轨迹以确定两侧刀位控制点的对应关系，并未提出一种有效的方法。如采用单刀生成刀具轨迹的方法来确定双刀加工的刀位控制点数据，虽可满足几何误差要求，但不能确定两侧刀具的加工对应关系，体现不出双刀加工的优势。

通用的刀具轨迹生成方法都只是从几何关系的角度来满足加工误差的要求，而未将刀具轨迹对切削力的影响考虑进去。多数考虑到切削力影响的方法也只是从改变进给速度的方面来改善切削力的影响，并未从生成刀位控制点数据的角度来控制切削力。双刀加工生成刀具轨迹时，如不考虑切削力的影响，生成的刀具轨迹切削力的抵消效果不一定是最理想的，如考虑不当，甚至有增大叶片加工变形的可能性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种汽轮机长叶片型面的双刀头式加工的刀具轨迹生成方法，该方法通过双刀在长叶片型面两侧同时加工，使叶片所受切削力部分或全部抵消，从而能够有效改善长叶片型面在加工过程中的受力状态，减小长叶片型面的加工变形量，并且能够提高加工效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

该种汽轮机长叶片型面的双刀头式加工的刀具轨迹生成方法，具体包括以下步骤：

1)确立切削力模型

首先，建立切削力同叶片加工中刀轴倾角之间的对应数学关系，得到叶片加工的切削力模型；

2)获得叶片的截面型线数据

确定叶高方向为加工行距方向，沿叶片截面型线为加工进给方向，两侧刀具进给方向一致，即都由进汽边向出汽边，或出汽边向进汽边加工，行距按等行距法确定，根据叶片三维模型和行距，得到叶片截面型线数据；

3)确定各截面内的刀位控制点数据范围

确定双刀在叶片截面型线内的刀位控制点数据取值范围，所述刀位控制点数据包括刀位控制点间步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角；

4)确定最终切削力的抵消效果

首先确定切削力的抵消效果同三种刀位控制点数据范围之间的关系，所述切削力的抵消效果是双刀头加工时，双刀头作用在待加工叶片上的合力的抵消效果；在步骤3)得到的三种刀位控制点数据范围内，选取最佳的刀位控制点间步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角的取值，使双刀头作用在待加工叶片上的合力最小。

以上步骤2)中，行距的确定方法为：在沿叶高的方向上，等距离截取叶片型面，两相邻叶片截面之间的距离即为行距。

以上步骤3)中，通过对叶片截面型线线性插补，得到的前后两刀位控制点间的距离为步长值，刀位控制点间步长的最大值L_max按最大直线插补误差δ_max确定得到，步长的最小值为kL_max(0＜k＜1)，k的具体取值按照叶片加工时的加工精度和加工时间要求确定。

以上步骤3)中，所述刀位控制点个数的取值下限为：在叶盆和叶背曲线进行线性插补并且步长取最大值时，叶盆和叶背曲线分别得到的刀位控制点个数的较大值；所述刀位控制点个数的取值上限为：在叶盆和叶背曲线进行线性插补并且步长取最小值时，叶盆和叶背曲线分别得到的刀位控制点个数的较小值。另外，在步骤3)中，将刀具的刀轴倾斜一角度，所述刀轴的倾斜角度需满足刀轴与叶片不干涉的条件，最后得到各刀位控制点处刀具的刀轴倾角范围。

以上步骤4)中，各叶片截面上的刀位控制点间步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角的具体取值方法为：

首先分别给刀位控制点间步长和刀位控制点的个数一个初始值，根据这两个初始值，确定刀轴倾角的取值范围；由此，得到整个截面在该刀位控制点个数和步长取值方案下的切削力最优综合抵消效果式(1-1)

$\overrightarrow{F}={\Sigma }_1^n{\overrightarrow{F}}_i---(1-1)$

式中，

——双刀头作用在待加工叶片上的总合力；

——双刀头作用在待加工叶片上，第i对对应刀位点的切削力的合力；

n——刀位控制点的个数；

比较不同取值的刀位控制点的个数和步长时的切削力综合抵消效果，得到使最小时所采用的刀位控制点个数和步长值，并得到刀位控制点的刀轴倾角值，由此确定刀具轨迹规划的三个参数。

本发明具有以下有益效果：

1)显著提高加工效率。双刀头对零件可以同时进行加工，通过合理的安排零件的加工工艺，加工效率比单刀头明显增加；

2)减小长叶片在加工中的变形。对长叶片来说，加工时因为切削力而引起的变形是很大的，特别是切削量很大时。这种变形对零件的最终加工精度有很大影响。对轴类零件，可以通过增加中间支撑的方式来减小加工中的变形，但对于截面不规则的汽轮机长叶片来说，增加支撑是很困难的。通过双刀头的加工方法，在加工过程中合理的安排两个刀具的位置，使得刀具作用在零件上的切削力能够得到一部分甚至是完全抵消，这可以充分发挥双刀加工叶片的优势，显著的减小零件的变形，提高零件加工质量。

附图说明

图1为本发明的双刀加工叶片的工作示意图；

图2为图1的叶片受力分析图；

图3为叶盆曲面的加工走刀方式示意图；

图4为叶背曲面的加工走刀方式示意图；

图5为双刀加工时刀具的进给方向示意图；

图6为确定刀位控制点个数的示意图；

图7为确定刀位控制点之间步长的示意图。

其中：1、2为主轴头；3为待加工叶片；4、5为刀具；6为叶片加工的进给方向；7为叶片加工的行距方向；8为刀具路径；9为待加工叶片的叶盆曲面；10为待加工叶片的叶背曲面；11为待加工叶片的叶背曲线；12为待加工叶片的叶盆曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参照图1，双刀头加工叶片的工作原理如下：在加工时，带有刀具的主轴头1和主轴头2分别在待加工叶片3的型面两侧运动。两个主轴头的运动由两个单独的运动机构控制，并通过总的控制系统进行协调。

双刀加工的刀具轨迹规划方法具体实施步骤如下：

1)确立切削力模型

首先，建立切削力同叶片加工刀轴倾角之间的对应数学关系，得到叶片加工的切削力模型。由于双刀加工刀具轨迹规划是基于切削力模型的，因此建立一个能准确预测叶片加工中切削力的模型十分关键。根据加工叶片选用的刀具不同，既可以通过实验建立经验模型，也可以通过理论分析得到刀轴倾角同切削力之间的关系，结合实验确定其中的关键参数，建立切削力模型。这里提供一种主切削力模型：在现有主切削力模型的基础上，通过建立刀轴倾角同切削用量之间的关系，修正主切削力模型中切削用量的参数，引入刀轴倾角到主切削力模型中，得到刀轴倾角同切削力之间的关系，从而建立切削力模型。

2)获得叶片的截面型线数据

参照图3和图4，确定叶高方向为加工行距方向7，沿叶片截面型线为加工进给方向6，参照图5，两侧刀具进给方向6一致，即都由进汽边向出汽边，或出汽边向进汽边加工；行距按等行距法确定，即叶片加工刀具轨迹切削行之间的距离相等；在三维建模软件中，按等行距法截取叶片三维模型，得到叶片截面型线数据。行距的确定方法为：在沿叶高的方向上，等距离截取叶片型面，两相邻叶片截面之间的距离即为行距。

3)确定各截面内的刀位控制点数据范围

通过对叶片截面型线进行线性插值得到刀位控制点数据。双刀加工叶片的刀具轨迹规划方法中，刀位控制点数据包括刀位控制点间的步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角；确定各截面内的刀位控制点数据范围，可以为优化双刀加工叶片的切削力抵消效果奠定基础。

参照图6，通过对叶片截面型线插补，得到的前后两刀位控制点A和B之间的距离为步长值，刀位控制点间步长的最大值L_max按最大直线插补误差δ_max确定得到，步长的最小值为kL_max(0＜k＜1)，k的具体取值按照叶片加工时的加工精度和加工时间要求确定。

叶片截面型线插值时，按照所取步长值的不同，得到刀位控制点的个数也不同；双刀加工叶片方法中，为优化双刀加工叶片时切削力的抵消效果，参照图7，叶片截面型线插值时，通过改变线性插值误差δ_1i、δ_2i、δ_1j和δ_2j，使得叶背和叶盆曲线插值得到的刀位控制点个数相同。所述刀位控制点个数的取值下限为：在叶盆和叶背曲线进行线性插补且步长取最大值时，叶盆和叶背曲线分别得到的刀位控制点个数的较大值；所述刀位控制点个数的取值上限为：在叶盆和叶背曲线进行线性插补并且步长取最小值时，叶盆和叶背曲线分别得到的刀位控制点个数的较小值。

叶片加工中，需要将刀具的刀轴倾斜一定角度。所述刀轴的倾斜角度需满足刀轴与叶片不干涉的条件，进而得到各刀位控制点处刀具的刀轴倾角范围。

4)确定最终切削力的抵消效果

首先确定切削力的抵消效果同三种刀位控制点数据范围之间的关系，所述切削力的抵消效果是双刀头加工时，双刀头作用在待加工叶片上的合力的抵消效果；在步骤3)得到的三种刀位控制点数据范围内，选取最佳的刀位控制点间步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角的取值，使双刀头作用在待加工叶片上的合力最小。

双刀头加工叶片时其受力分析参照图2所示。对单个铣刀而言，切削时主要受到三个力的作用，一个是主切削力，作用在铣刀的圆周方向上；一个是背向力，作用在铣刀的半径方向上；最后一个是轴向力，作用在铣刀的轴线方向上。与此相对应，待加工叶片受到单个铣刀对它施加的三个作用力。一般在分析时将刀具对待加工叶片的切削力分解为三个相互垂直方向的作用力，参照图2所示，F_e为横向分力、F_v为作用于工作台面垂直方向的力、F_f为纵向分力。当两把刀具4和5在待加工叶片的型面两侧加工时，在刀位控制点数据范围内，合理选择刀位控制点间的步长、刀位控制点的个数以及各对应刀位控制点处刀具的刀轴倾角这三个参数，可以使得两个刀具对待加工叶片的作用力一部分或者是全部相互抵消，这将使得待加工叶片在加工中的变形大大减小，有利于提高待加工叶片的加工质量。

初步确定刀位控制点的个数以及步长的大小后，可以确定叶背和叶盆曲线各刀位控制点之间的对应关系。参照图7，对于两侧对应的刀位点A和A’、B和B’以及C和C’，在给定刀位控制个数和刀位控制点步长值的情况下，按照所采用刀具确定的切削力模型，可以得到双刀加工对应刀位点的切削力抵消关系式1-1

${\overrightarrow{F}}_i={\overrightarrow{F}}_i\left({\theta }_i\right)+{\overrightarrow{F}}_{i^{\prime }}\left({\theta }_{i^{\prime }}\right)---(1-1)$

式中，

——双刀头作用在待加工叶片上对应刀位点的切削力合力；

——叶背刀位控制点i点处切削力同刀具倾角之间的关系式；

——叶盆刀位控制点i’点处切削力同刀具倾角之间的关系式；

θ_i，θ_i′——分别指叶背、叶盆对应刀位控制点处的刀具倾角；

i，i′——分别指叶背、叶盆刀位控制点编号1，2，3……。

通过合理选择对应刀位点处的刀具倾角θ_i，θ_i′，使得最小，即可以达到最优的切削力抵消效果。

一个截面上的刀位控制点的个数、刀位控制点间步长的大小以及各对应刀位控制点处刀轴倾角的具体取值的确定过程如下：

首先分别给刀位控制点间步长和刀位控制点的个数一个初始值，根据这两个初始值，确定刀轴倾角的取值范围；由此，得到整个截面在该刀位控制点个数和步长取值方案下的切削力最优综合抵消效果式1-1

$\overrightarrow{F}={\Sigma }_1^n{\overrightarrow{F}}_i---(1-1)$

式中，

——双刀头作用在待加工叶片上的总合力；

——双刀头作用在待加工叶片上，第i对对应刀位点的切削力的合力；

n——刀位控制点的个数。

比较不同取值的刀位控制点的个数和步长时的切削力综合抵消效果，得到使最小时所采用的刀位控制点个数和步长值，并得到刀位控制点的刀轴倾角值，由此确定刀具轨迹规划的三个参数。

这里刀位控制点的数据得到的实际是切触点的坐标以及刀轴倾角，需要根据具体所选刀具形状和刀具倾角偏置后得到刀具中心点坐标(x_m，y_m，z_m)(m＝1，2，3...)，刀轴倾角通过坐标系变换得到刀轴矢量在工件坐标系下的方向余弦(i_m，j_m，k_m)(m＝1，2，3...)。从而最终确定双刀加工刀具轨迹规划的刀位点坐标(x_m，y_m，z_m，i_m，j_m，k_m)和(x_n，y_n，z_n，i_n，j_n，k_n)。

得到一个截面的刀具轨迹后，重复上述过程即可得到整个叶片型面上的刀具轨迹。

然后，结合工艺参数对得到的刀具轨迹进行修正，使得叶片加工各处的切削力合力满足实际加工要求。同时，通过调节叶背和叶盆两侧进给速度，使得在实际加工中达到刀位控制点对应的关系。

最后，通过专用的后处理程序，将刀位控制点坐标转化为数控加工程序。

在双刀加工的刀具轨迹规划过程中，结合原有的轨迹生成方法，考虑刀具轨迹对切削力的影响，满足了轨迹规划的线性误差要求，并将后续数控加工程序长度控制在一定范围内。由于切削力的抵消效果好，因而在实际加工中编制工艺时，可以采用较大的切削用量进行加工，在满足加工质量的同时，还可以改善现有叶片加工周期长的问题，所创造出的市场前景是很可观的。另外，该方法将切削力的优化不仅仅局限在考虑切削进给速度的范围内，丰富了刀具轨迹规划的内容。