吳越，諶永祥，李雙躍，劉勇，江敏，毛鵬梟

(1. 西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010;2. 綿陽市瑞豐機(jī)電有限公司，四川綿陽621000)

汽輪機(jī)是熱電廠的重要設(shè)備之一，靜葉片又叫整流葉片，簡稱靜葉。靜葉片與動葉片的彎曲方向相反，這是為了起到整流作用或?qū)蜃饔茫?］，也是汽輪機(jī)中將高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的極其重要的部件，工作環(huán)境極其復(fù)雜。靜葉片型面精度直接影響流道截面積，也影響蒸汽在調(diào)節(jié)級中的流動速度以及葉片間相互配合精度。

為提高汽輪機(jī)靜葉片在四軸數(shù)控中精銑汽道、緣板內(nèi)側(cè)面、緣板內(nèi)側(cè)面與型面過渡圓弧、進(jìn)汽邊加工精度與效率，設(shè)計了一種靜葉片四軸精銑數(shù)控加工夾具，擴(kuò)大了四坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控機(jī)床使用范圍，避免三坐標(biāo)與五坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工存在的干涉問題，在保證汽輪機(jī)靜葉片加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了汽輪機(jī)靜葉片加工效率和刀具耐用度。

通常靜葉片的加工采用五軸機(jī)床，針對中小型企業(yè)，五軸機(jī)床的費用較高，作者探尋了靜葉片四軸加工技術(shù)，對于成本的控制有一定的積極作用。

1 汽輪機(jī)靜葉片加工工藝分析

1.1 汽輪機(jī)靜葉片結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)高中壓第5 級靜葉片結(jié)構(gòu) (如圖1 所示)，包括了裝配內(nèi)背弧型面、靜葉片內(nèi)背弧面、靜葉片的進(jìn)出汽邊、銑削過渡面。其中圖1 為兩個靜葉片的裝配，形成了喉口的結(jié)構(gòu)。

圖1 汽輪機(jī)高中壓第5 級靜葉片結(jié)構(gòu)示意

1.2 汽輪機(jī)靜葉片加工工藝過程

汽輪機(jī)靜葉片加工工藝的主要過程包括:

(1)鍛造環(huán)形毛坯。

(2)車內(nèi)外環(huán)。

(3)線切割裝配內(nèi)背弧型面。

(4)銑背弧型面余量。毛坯線切割后在此基礎(chǔ)上加工汽道，線切割后結(jié)構(gòu)見圖2，銑背弧余量工序見圖3。該工序在四軸(x，y，z，A)數(shù)控銑床上進(jìn)行，因線切割后工件坐標(biāo)系原點坐標(biāo)值不容易直接測得，故在夾具上設(shè)計一易測量的輔助對刀點，再結(jié)合夾具設(shè)計時輔助對刀點與工件坐標(biāo)系原點的幾何關(guān)系換算出工件坐標(biāo)原點的坐標(biāo)值。

圖2 線切割后的葉片

圖3 工件坐標(biāo)原點及銑背弧余量

(5)精銑背弧型面。

(6)拋光汽道內(nèi)背弧型面。

(7)完工檢查，入庫。

2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床上固有的坐標(biāo)系，它用于確定被加工零件在機(jī)床中的坐標(biāo)、機(jī)床運動部件的特殊位置(如換刀點、參考點)以及運動范圍(如行程范圍、保護(hù)區(qū))等。

工件坐標(biāo)系是用于確定幾何圖形上各幾何要素(點、直線、圓弧等)的位置而建立的坐標(biāo)系。選擇工件零點原則是便于將工件圖的尺寸方便地轉(zhuǎn)化為編程的坐標(biāo)值和提高加工精度，銑削工件零點一般設(shè)在工件外輪廓的角上，進(jìn)刀深度方向的工件零點大多取在工件的表面［2］。該靜葉片銑削加工的工件坐標(biāo)零點選在工件的右側(cè)邊緣(見圖3)。

葉片多為扭曲曲面，且精度要求較高，為了提高精度，四軸加工中采用一次裝夾方式(圖4 為工件的裝夾圖)，減少人為操作引起的誤差。

圖4 葉片加工時的裝夾

工件的裝夾確定后，通過確定工件原點來確定工件坐標(biāo)系，加工程序中控制刀具及各運動軸代碼都是基于該坐標(biāo)系計算的。在設(shè)計夾具時，考慮到工件的坐標(biāo)零點不便于測量，設(shè)計了輔助測量點，對輔助面進(jìn)行測量，通過一定的坐標(biāo)換算，就能得知工件零點的坐標(biāo)。圖5 為輔助測量點(對刀點)。

圖5 夾具關(guān)鍵尺寸幾何關(guān)系及輔助測量點

輔助測量點與工件定位基準(zhǔn)有一定的尺寸關(guān)系。為了確定刀具刀位點在工件坐標(biāo)系中的位置，設(shè)計了如圖6 所示的3 組對刀面。第一組對刀面保證夾具相對機(jī)床分別平行機(jī)床3 個坐標(biāo)平面，以及工件坐標(biāo)原點相對機(jī)床坐標(biāo)原點的位置，第一組對刀面相對工件坐標(biāo)原點位置由夾具設(shè)計與加工時保證。

圖6 夾具的3 組對刀面

2.1 工件坐標(biāo)零點空間轉(zhuǎn)換

在四軸數(shù)控機(jī)床上，靜葉片汽道的加工分:(1)夾具隨A 軸順時針旋轉(zhuǎn)β 角度后，進(jìn)行右半汽道型面加工;(2)夾具隨A 軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ 角度后，進(jìn)行左半汽道型面加工。A 軸每旋轉(zhuǎn)一次，工件坐標(biāo)系原點的坐標(biāo)值就發(fā)生一次變化。

(1)基準(zhǔn)變換。加工右半汽道、緣板內(nèi)側(cè)面、緣板內(nèi)側(cè)面與型面過渡圓弧、半進(jìn)汽邊時，通過A 軸將夾具順時針旋轉(zhuǎn)β 角度，使第二組對刀面平行xy平面，工件坐標(biāo)原點隨夾具旋轉(zhuǎn)相同角度，變換工件加工基準(zhǔn)，通過坐標(biāo)變換確定刀具刀位點在旋轉(zhuǎn)后工件坐標(biāo)系中的位置。

(2)基準(zhǔn)變換。加工左半汽道、緣板內(nèi)側(cè)面、緣板內(nèi)側(cè)面與型面過渡圓弧、半進(jìn)氣邊時，通過A 軸將夾具逆時針旋轉(zhuǎn)θ 角度，使第三組對刀面平行xy平面，工件坐標(biāo)原點隨夾具旋轉(zhuǎn)相同角度，變換工件加工基準(zhǔn)，通過坐標(biāo)變換確定刀具刀位點在變換后工件坐標(biāo)系中的位置。

以夾具回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點建立夾具坐標(biāo)系。圖7 為數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系。

圖7 數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系

夾具坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置OJ(xJ，yJ，zJ);輔助點P 在機(jī)床坐標(biāo)系中位置(x，y，z)。圖5為夾具關(guān)鍵尺寸幾何關(guān)系。

2.2 第一次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

輔助點P 在夾具坐標(biāo)系中坐標(biāo)(x1，y1，z1)工件坐標(biāo)原點OW在夾具坐標(biāo)系中位置 (xW1，yW1，zW1)由夾具設(shè)計幾何關(guān)系得到:

2.3 第二次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

A 軸旋轉(zhuǎn)β 角度后，工件坐標(biāo)原點坐標(biāo)發(fā)生變化，圖8 為數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖8 數(shù)學(xué)關(guān)系

工件坐標(biāo)原點在夾具坐標(biāo)系中的OW2位置(xW2，yW2，zW2)

將工件坐標(biāo)原點在夾具坐標(biāo)系中的位置轉(zhuǎn)換到機(jī)床坐標(biāo)系中，得工件坐標(biāo)零點在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置為:OW(xW，yW，zw)

旋轉(zhuǎn)β 角度后以O(shè)W為工件坐標(biāo)零點在機(jī)床上用G54 ～G59 指令建立工件坐標(biāo)系1，在加工完右半汽道型面后;夾具旋轉(zhuǎn)θ 角度后，同理計算出工件坐標(biāo)系原點坐標(biāo)，用G54 ～G59 指令建立工件坐標(biāo)系2 進(jìn)行左半平面的加工。

3 結(jié)論

該“換算法”可減少測量誤差，具有精度高、一致性好等優(yōu)點，同時也解決了非基準(zhǔn)面工件坐標(biāo)系測量難而不準(zhǔn)的問題。實踐中該方法也很容易被操作者所接受。此夾具安裝方便，增加了工件與工裝之間的穩(wěn)固性，減少了手工測量中的人為誤差，同時也減少了裝夾的次數(shù)，提高了靜葉片的加工質(zhì)量。

【1】透平機(jī)械現(xiàn)代制造叢書編委會.葉片制造技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

【2】王永章，杜君文，程國全.數(shù)控技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2001.

【3】黃芳.四軸臥式加工中心工件坐標(biāo)系換算轉(zhuǎn)移方法［J］.金屬加工:冷加工，2010(18):78 －79.

【4】田坤，聶廣華，陳新亞，等.數(shù)控機(jī)床編程、操作與加工實訓(xùn)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

【5】曾志新，呂明.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2008.

【6】張春良，何彬，李必文.數(shù)控銑床及加工中心自動編程與操作［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.