摘 要：利用Pro/E建立烟气轮机动叶片的三维模型，利用SurfMill软件对烟气轮机动叶片叶身进行工艺规划及数控编程并输出NC程序。加工叶片叶身前对输出的NC程序进行模拟仿真，然后在五轴联动数控雕刻机SmartCNC450＿DRT上进行加工验证。加工验证表明：在实体机床加工过程中，机床各轴的运动正常，未发生干涉、撞刀、碰撞等现象，由此可以证明该设计编程及后处理是正确的。
关键词:数控加工;五轴联动;烟气轮机动叶片;CADICAM;SurfMill;
Five-Axis Linkage NC Machining of Moving Blade Body of Flue Gas Turbine
wU Qiang-qiang WU Le-qiang SHEN Liang CHEN Xiang SONG Ting-cheng CHENG Hao-feng
Experimental Teaching Depariment, NorthwestMinzu Unversity Xian Yipu Communication Technology Co.Ltd. College of Electrical Engineering.
Northwest Minzu University
Abstract：Use Pro/E to establish the 3 D model of the moving blade body of flue gas turbine, and use SurfMill software to carry out the process planning and NC program output of the moving blade body of flue gas turbine. The output NC program is simulated before machining, and finally verified by five-axis linkage CNC engraving machine SmartCNC450＿DRT. Through processing verification, in the process of solid machine tool processing, the movement of each axis of the machine tool is normal, there is no interference, knife collision, collision and other phenomena, which can prove that the above design programming and post-processing is correct.
Keyword：NC machining; five-axis linkage; moving blade of flue gas turbine; CAD/CAM; SurfMill;
0 引言
烟气轮机动叶片是烟气轮机设备的重要核心部件之一，动叶片加工质量的好坏直接影响整个设备的使用寿命。烟气轮机动叶片叶身结构复杂，精度要求高，普通数控机床加工难以满足精度要求，使用三轴机床加工动叶片叶身时每个加工过程都需进行一次翻转才能完成整个叶身的加工，加工过程中需要多次装卡，并且加工过程存在不连续性，由于多次装卡及不连续加工，造成加工精度及效率较低。使用四轴机床进行加工时可以实现叶身的连续性加工，并且减少了装卡次数，效率也有了很大的提高，但由于烟气轮机动叶片叶身由扭变截面构成，在加工过程中刀具与叶身之间容易产生干涉现象，叶身表面质量很难保证。五轴机床及加工技术可以通过刀轴有效避免刀具碰撞及干涉的发生。在加工型面复杂零件时具有明显的优势，比如一次装夹可以加工零件的多个表面，刀轴矢量可以实现动态控制，采用五轴数控加工技术可以在保证一定精度的条件下达到较高的加工效率[1],故可以在五轴数控机床上进行动叶片的加工。
本文基于CAD/CAM技术，利用Pro/E软件进行烟气轮机动叶片的3D建模，利用SurfMill软件进行动叶片叶身的工艺规划及数控编程，输出符合五轴双转台机床SmartCNC450_DRT的NC程序，并对NC程序进行加工模拟验证，然后导入机床进行实体加工。
1 基于Pro/E的烟气轮机动叶片三维造型设计
Pro/E在曲面建模方面具有强大的功能，根据图纸尺寸采用参数化建模来完成动叶片的三维建模。首先对动叶片的结构图进行分析，将动叶片分为叶身、缘板、叶根三个部分[2],叶身由扭变截面拟合而成。烟气轮机动叶片三维模型如图1所示。
2 基于CAM的数控编程
由于动叶片叶身结构复杂，精度要求高，普通数控机床加工难以满足精度要求，本文选择北京精雕生产的五轴双转台机床SmartCNC450_DRT进行加工。该机床可以实现x、y、z轴的平移运动，工作行程分别为450 mm、200 mm、160 mm, 运动定位精度分别为0.008 mm、0.006 mm、0.006 mm, 还能实现C轴360°的回转运动及A轴210°(-90°～120°)的旋转运动，A、C轴运动定位精度分别为120"、210";机床通过x、y、z轴的线性移动实现高定位精度、高加工精度，一次装夹可完成多道工序，旋转工作台可以在加工范围内任意转动，工件可以进行角度的调整，这样可以避免刀具的干涉，还可以获得较高的切削质量。选用北京精雕开发的SurfMill数控编程软件进行叶身数控编程。
2.1 动叶片叶身工艺规划
根据动叶片CAD实体模型，选取叶片叶身进行数控加工工艺分析及路径规划。由于烟气轮机动叶片叶身是由空间离散点拟合而成的扭变截面，加工工艺复杂，在加工过程中应依据先粗后精、先主后次的工艺原则，将动叶片叶身加工分为粗加工、半精加工和精加工3个阶段[3]。叶片叶身加工工艺如表1所示。
表1 叶片叶身加工工艺
2.2 基于SurfMill的烟气轮机动叶片叶身数控编程
根据工艺规划内容，使用SurfMill软件进行数控编程，数控编程流程如图2所示。
(1) 动叶片叶身粗加工路径设置：
在进行叶片叶身分层区域粗加工时，由于五轴机床加工过程中轴数的增加会增加每个轴上的加工误差，使用三轴加工已然可以完成其材料的去除，即在编程时采用五轴定位加工方式将叶身的加工分为内弧加工与背弧加工，分两次加工完成叶身的分层区域粗加工，具体刀具路径如图3、图4所示。
(2) 动叶片叶身半精、精加工路径设置：
烟气轮机动叶片叶身半精加工路径采用曲面投影方式进行编程，叶身半精加工路径如图5所示，精加工路径如图6所示。
3 五轴机床后置处理及数控程序的输出
五轴机床后置处理的主要任务是将工件坐标系下的刀位数据转换为机床坐标系下各轴的运动指令。通过SurfMill软件刀具路径轨迹规划所得到的数据是刀位数据，它没有考虑具体的机床结构和数控系统的指令格式，需对其进行后置处理，即将刀位数据文件转换为特定数控机床系统能执行的NC程序[4,5]。
根据SmartCNC450_DRT五轴机床各轴的运动参数，将使用SurfMill软件得到的刀位数据转换为机床各轴的运动数据，并将各轴的运动数据进一步转换成特定数控系统格式的加工程序。后置处理配置文件可以根据数控机床和数控系统的具体情况自行修改，从而定制出特定数控机床专用的后处理程序。在进行叶片叶身数控程序输出时，可以打开后置处理文件，读入刀位数据，经过特定机床的代码转换、计算后便可输出该机床能够识别的数控程序代码。输出的叶片叶身精加工NC程序部分代码如下：
4 仿真加工及实体试验
SurfMill软件具有仿真加工、干涉检查、过程检查等验证功能，为确保加工安全，防止出现刀具、刀柄、转台、工装夹具相互的干涉、碰撞等情况，在实体加工前进行了仿真加工。在确保安全的前提下将输出的程序输入到实体机床上进行了产品的加工。叶片加工过程如图7所示，加工后得到的动叶片叶身如图8所示。在实体机床加工过程中，机床各轴的运动正常，未发生干涉、撞刀、碰撞等现象。
5 结论
(1) 针对由离散点组成的扭变截面动叶片的CAD建模，采用Pro/E进行参数化建模是切实可行的，可以进行叶片类零件建模研究的推广。
(2) 基于CAM技术进行了烟气轮机动叶片叶身的数控编程，并对输出的程序进行仿真加工及实体机床加工验证。在实体机床加工过程中，机床各轴的运动正常，未发生干涉、撞刀、碰撞等现象，由此表明本CN程序及后处理是正确的。
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