1概述
汽輪機葉片是一種典型的具有復雜曲面的零件。葉片一般都處在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作，不僅需要有較高的強度，而且要具有較高的抗腐蝕、抗疲勞、抗沖擊能力。隨著材料科學、設計技術、加工設備的變化和進步，其型面形狀日趨復雜，其加工工藝也不斷地發(fā)生變化并日臻完善。其加工要求嚴格，加工量很大。
汽輪機葉片的型面已經(jīng)從等截面直葉片向變截面扭葉片發(fā)展，其加工工藝也隨之變得愈加復雜，葉片型面的造型及加工直接影響到汽輪機的工作性能。目前，汽輪機葉片一般均采用五坐標聯(lián)動數(shù)控機床來加工完成 。加工之前的數(shù)控編程是保證葉片加工精度和表面質(zhì)量的關鍵。本文針對汽輪機葉片型面的復雜性，先將實測數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件平滑處理后，導入UG利用NURBS方法對其進行了精確的三維造型，并進行了葉片的數(shù)控加工工藝流程規(guī)劃;UG的加工制造模塊功能極強，研究在同一個CAD、CAM環(huán)境下，實現(xiàn)汽輪機葉片的三維造型、圖形化數(shù)控編程、刀具軌跡生成、實時加工仿真的方法，以保證數(shù)控加工的質(zhì)量和效率。
2汽輪機葉片的CAD/CAM系統(tǒng)結構圖
UG是一個高度集成的CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)，它不僅具有強大的實體造型、曲面造型等設計功能，而且可以運用建立好的三維模型直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品的加工。汽輪機葉片CAD/CAM系統(tǒng)結構圖見圖1。
3創(chuàng)建葉片三維模型
3.1葉片數(shù)據(jù)的獲取方法
汽輪機葉片數(shù)據(jù)的獲取主要有兩種方法:一種是通過逆向工程;一種是通過理論計算。逆向工程是把原型的幾何尺寸通過各種測量方法(如:三坐標測量機、激光跟蹤儀、三坐標測頭等)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)文件，然后重新建立此零件的CAD模型的技術。理論計算是根據(jù)流體力學原理計算出的葉型數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)文件提供的是一系列數(shù)據(jù)點坐標，數(shù)據(jù)點坐標格式為:“X空格Y空格Z空格”，與UG對數(shù)據(jù)源文件的要求一致。這樣才可以根據(jù)曲面的連續(xù)、光滑性要求，在UG的自由曲面模塊中，由葉片的離散數(shù)據(jù)點擬合生成光滑、準確的閉合曲線，從而再通過這些曲線生成葉片曲面。
3.2葉片數(shù)據(jù)的平滑處理
本文以某汽輪機葉片制造企業(yè)提供的一只汽輪機靜葉片造型為例。如圖2所示，該葉片某截面包含有各截面型線的葉盆、葉背型值點參數(shù)，其中，(X_S，Y_S)為該截面背弧曲線上的型值點坐標值，(X_P，Y_P)為盆弧曲線上的型值點坐標。無論是盆弧還是背弧均給出了51個型值點。
本文數(shù)據(jù)通過逆向工程獲得，測量時由于人為因素或其他因素(測量儀器本身的誤差)，導致測量值與實際值存在一定的誤差。對測量值進行平滑處理，目的就是使得測量值與實際值之間的誤差減小。在多軸加工中，曲面的光順性及曲面間的光滑連接特性對生成多軸數(shù)控加工程序的質(zhì)量影響很大，這就對葉片型面的幾何建模提出了更高的要求。葉片型面的高質(zhì)量幾何建模，首先是指型面在各截面型線方向上要保持光順。其次，在葉片徑向上曲面也要求同樣保持光順。將圖2中測量值導入Matlab軟件，通過CFTOOL工具和Smooth函數(shù)對測量值進行平滑處理。處理后數(shù)據(jù)如圖3所示。通過對葉片截面型線型值點進行平滑處理，使得葉片截面型線比處理前更平滑更接近葉片實際截面型線。將處理后的數(shù)據(jù)輸出并保存為．dat文件。為下一步UG建立汽輪機葉片三維模型做準備。
3.3汽輪機葉片三維實體造型
汽輪機葉片一般由葉根、葉身和葉冠三部分構成。葉根和葉冠的形狀相對規(guī)則，可以直接通過草繪截面，拉伸為實體。再在實體造型的基礎上進行打孔、開槽、倒圓、倒角等操作即可得到實體模型。而葉身部分是汽流通道，形狀比較復雜。葉身的橫截面稱為型面，組成型面的周線稱為型線。葉片的葉身就是由這些型線擬合而成的光滑復雜曲面。
圖3 平滑處理后的數(shù)據(jù)
(1)數(shù)據(jù)導入
將Matlab軟件平滑處理后的數(shù)據(jù)．dat文件導入 UG中。導入方法:點擊UG中的樣條曲線按鈕，出現(xiàn)根據(jù)極點、通過點、擬合、垂直于平面4個提示選項。選擇“通過點”，然后點擊選項“文件中的點”，選取數(shù)據(jù)．dat文件即可建立樣條曲線。
(2)草圖編輯
對建立的樣條曲線進行草圖編輯。圖4為草圖編輯后葉片截面型線。
(3)曲線分析
用UG中的曲線分析工具，分析葉片截面型線的曲率分布情況，有無斷點、尖點、交叉、重疊。下面以一條型線為例，分析曲線的質(zhì)量。曲率梳可以反映曲線的曲率變化規(guī)律并由此發(fā)現(xiàn)曲線的形狀存在的問題。通過編輯曲線中的光順曲線命令，修改光順因子，來達到需要的光順曲線。光順后的曲線更有利于后續(xù)的數(shù)控加工編程。圖5為葉片截面型線背弧段的光順處理。
(4)葉身生成
葉片葉身采用多截面導動的方法來生成，如圖6所示。
4汽輪機葉片數(shù)控加工自動編程
(1)葉片的加工工藝分析
葉片的毛坯一般是鑄造或精鍛而成，留出一定的加工余量。當葉片尺寸比較小的時候也可以直接用方坯料開始加工。葉型曲面的加工常用沿著葉片
軸線加工和沿截面型線加工兩種加工方案。由于沿葉片軸線加工出來的汽道表面質(zhì)量較差，本文采用沿截面型線加工的方法。
由于葉型是光滑連續(xù)的曲面，所以用一刀成形的方法，生成沿型線連續(xù)的刀具軌跡，并一次加工完成。
用五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工葉型曲面的主要工藝過程為 :①粗加工:這個過程的主要目的是去除多余的毛坯料，加工出葉型曲面的大體輪廓。②半精加工:這個過程要加工出葉型曲面的基本形狀，并留出少量的加工余量，為精加工做準備。③精加工: 這個過程要加工出葉型的整個型面，過程和半精加工類似，但需要取較小的行距和表面允差，以提高表面的加工質(zhì)量。
(2)UG/CAM基本設置
首先確認工作坐標系原點然后進入加工模塊進行相關設置:設置安全高度;設置幾何體包括指定部件和指定毛坯;設置加工公差;創(chuàng)建刀具。
刀具選擇。加工葉片的整個過程要用到3種刀:端銑刀(粗加工用)、球頭銑刀(半精加工和精加工用)和球頭錐銑刀(清根用)。
加工方式的選擇。在UG/CAM中為每個工序選擇合適的加工方式，其中半精加工和精加工的加工方式相同。
刀具軌跡的生成。在UG/CAM中，選擇合適的加工方式、加工對象和走刀方式等后，再設置好切削行距、步長、表面允差、進給率等加工參數(shù)，即可以執(zhí)行［Genemte］命令生成刀具加工軌跡。
加工過程仿真。UG/CAM中集成了加工仿真的功能，可以對生成的刀具軌跡進行加工仿真，動態(tài)的模擬刀具切除材料的加工過程，并且可以儲存加工仿真后的毛坯留待下一道工序使用。在UG環(huán)境下，通過加工仿真對刀具軌跡進行仿真和驗證。
刀位文件生成及后置處理。在UG/CAM中生成了刀具軌跡并進行了加工仿真和干涉校驗后，可以將加工數(shù)據(jù)和信息輸出成為刀位源文件(CLSF)。刀位源文件(CLSFF)主要包括刀具信息、加工坐標系信息、刀具位置和姿態(tài)信息以及各種加工輔助命令信息等。單擊“操作”中的“后置處理”可以生成葉片加工的NC代碼。
5結語
在UG環(huán)境下，結合Matlab軟件強大的數(shù)據(jù)處理功能，對葉片的精確造型進行分析。在UG中進行葉片的三維造型，進行加工、刀具軌跡編程和加工仿真，使汽輪機葉片的設計和加工編程基于同一個CAD/CAM環(huán)境下。這就實現(xiàn)了產(chǎn)品設計和制造過程信息模型的無縫連接，大大減小了編程出錯概率，提高了編程效率和可靠性。
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