付大鵬，王麗乾

(東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林132011)

大型火電汽輪發(fā)電機(jī)組中末級(jí)葉片至少占汽輪機(jī)輸出與功率的10%［1］，而汽輪機(jī)末級(jí)葉片的加工質(zhì)量將直接影響汽輪機(jī)末級(jí)的效率?，F(xiàn)在300 MW以上的汽輪機(jī)組普遍應(yīng)用于我國(guó)火力發(fā)電廠(chǎng)中，其末級(jí)葉片的加工問(wèn)題得到普遍關(guān)注。數(shù)控加工是葉片現(xiàn)今最為普遍的一種加工方法，其效率高，精度好;但數(shù)控加工必須以三維模型為基礎(chǔ)，而三維模型大多以數(shù)學(xué)建模為藍(lán)本，這大大降低了葉片的生產(chǎn)效率，加大了生產(chǎn)難度。為了解決這一問(wèn)題，逆向工程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。由于技術(shù)壁壘，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在還沒(méi)有成熟的末級(jí)葉片數(shù)控加工方法，大多還采用留有較大余量，手工拋光的生產(chǎn)方式［2］。不僅難以保證其加工精度，而且生產(chǎn)效率低下。本文以東方汽輪機(jī)廠(chǎng)設(shè)計(jì)的300 MW汽輪機(jī)機(jī)組低壓缸末級(jí)葉片為例，其葉片長(zhǎng)度為851 mm，最薄處為1 mm，對(duì)大扭矩末級(jí)葉片進(jìn)行基于逆向工程的數(shù)控加工研究，葉片實(shí)物如圖1所示。

圖1 實(shí)物圖

1 逆向工程的概述

逆向工程于20世紀(jì)80年代初由美國(guó)3M公司提出，并與20世紀(jì)90年代在我國(guó)作為工業(yè)設(shè)計(jì)的一種有效方法得到高度重視。逆向工程也稱(chēng)反求工程，是在已存在實(shí)物的條件下，通過(guò)對(duì)實(shí)體模型上離散點(diǎn)的采集和處理再造出CAD模型的過(guò)程，它的設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)的CAD方法完全相反，是信息由設(shè)計(jì)下游向上游反饋的過(guò)程。逆向工程無(wú)需繁瑣的數(shù)學(xué)建模，具有設(shè)計(jì)周期短、響應(yīng)速度快、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于加工制造行業(yè)［3］。

2 基于逆向工程的葉片重構(gòu)

逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重建。首先數(shù)據(jù)采集有兩種方法，分別是接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集。接觸式數(shù)據(jù)采集利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x;非接觸式數(shù)據(jù)采集利用光學(xué)掃描，激光掃描等。本文使用由加拿大Creaform Inc公司制造的EXAscan手持式自定位三維激光掃描儀，對(duì)葉片進(jìn)行掃描，得到葉片的初始數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 原始點(diǎn)云

數(shù)據(jù)處理即處理掃描所得到的數(shù)據(jù)，使其符合后續(xù)的操作要求?？捎糜跀?shù)據(jù)處理的軟件很多，本文采用Imageware軟件，對(duì)得到的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，具體步驟包括:截取點(diǎn)云切片、去除噪音點(diǎn)、補(bǔ)間隙和點(diǎn)云光順。

將所得到的數(shù)據(jù)傳入Pro/E軟件中，使用基準(zhǔn)線(xiàn)工具將點(diǎn)云連成線(xiàn)，再利用邊界混合工具將得到的線(xiàn)連成面，即可得到葉片的型面，另外葉根形狀規(guī)則可直接草繪拉伸得到，完整的葉片如圖3所示。

圖3 重構(gòu)模型

3 葉片數(shù)控加工研究

葉片的加工方法有電解加工，精密鍛造，數(shù)控加工等，其中數(shù)控加工是現(xiàn)今最為普遍的一種加工方法，其效率高，精度好。汽輪機(jī)前幾級(jí)葉片的數(shù)控加工問(wèn)題已經(jīng)得到了較好的解決，在此不再進(jìn)行贅述。但汽輪機(jī)末級(jí)葉片由于其葉片型面長(zhǎng)，薄，剛性極差等問(wèn)題，在加工中極易變形，普通的數(shù)控加工方法，并不能很好的保證其精度。

本文提出一種螺旋式走刀的葉片加工方法，這種方法要求必須采用至少具有四個(gè)聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)控機(jī)床。螺旋式走刀顧名思義就是走刀的軌跡呈螺旋狀，在這類(lèi)機(jī)床上對(duì)葉片進(jìn)行裝夾時(shí)，通常利用夾具將葉根固定在機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，另一端使用頂尖頂住葉尖尾部的工藝卡頭，從而使葉片能隨機(jī)床的工作臺(tái)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在加工中，刀具沿機(jī)床的3個(gè)平移坐標(biāo)方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，形成刀具相對(duì)葉身的連續(xù)環(huán)繞運(yùn)動(dòng)軌跡。

螺旋式走刀方法減少了葉片裝夾定位的次數(shù)，提高了走刀軌跡的連續(xù)性，在保證葉片加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高了葉片的加工效率。眾所周知，葉片的裝夾定位是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程。

在實(shí)際加工時(shí)，由于切削力的作用，葉片將會(huì)產(chǎn)生彈性變形，致使刀具無(wú)法按照理論計(jì)算的軌跡切除余量，產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象。產(chǎn)生的彈性變形一般主要是由彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形構(gòu)成［4］。

根據(jù)葉片的形狀特征可以得出葉片在緣頭處扭轉(zhuǎn)變形最大，可參考文獻(xiàn)［5］所提出的緣頭避讓方法對(duì)緣頭部分進(jìn)行單獨(dú)加工，而葉片的彎曲變形則比較復(fù)雜。尤其是對(duì)本文所研究的汽輪機(jī)末級(jí)葉片來(lái)說(shuō)，彎曲變形所造成的葉片在加工過(guò)程中折斷等等是造成葉片加工困難的主要原因。

汽輪機(jī)末級(jí)葉片的氣道為復(fù)雜空間曲面，屬于超靜定結(jié)構(gòu)，無(wú)法用簡(jiǎn)單的平衡方程表示。需要對(duì)葉片進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)的受力分析，將末級(jí)葉片簡(jiǎn)化成薄板，同時(shí)假設(shè)切削力在切削過(guò)程中保持不變且垂直于薄板表面，而且毛坯材料是均勻、各向同性的;對(duì)簡(jiǎn)化后葉片受力分析如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化的葉片加工受力分析

根據(jù)超靜定結(jié)構(gòu)的求解方法，以右端限制葉尖截面的約束為多余約束，并以右端約束代替多余約束的作用，變形的協(xié)調(diào)方程等號(hào)右側(cè)位移為0。

變形協(xié)調(diào)方程為

式中:E為慣性模量，I為截面慣性矩。

解(1)式可得:

經(jīng)計(jì)算可以得出在切削力F作用下x處的彎曲位移為

對(duì)fx進(jìn)行求解，得出x的最大值:xmax=0.5858 L，由以上結(jié)果可以看出，當(dāng)?shù)毒咔邢鞯絰=0.585 8 L的時(shí)候變形最大。

這一結(jié)果對(duì)加工時(shí)減小葉片變形，避免葉片折斷提供了很大的幫助。在實(shí)際加工時(shí)應(yīng)采用變螺旋變速加工，當(dāng)加工到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域附近即0.5858L附近時(shí)，加大螺旋切削的導(dǎo)程使留有較多余量以保證葉片剛度，盡可能提高切削速度，以減小切削力對(duì)葉片的影響，更好的保證葉片的加工精度。

4 結(jié)論

本文通過(guò)逆向造型采集汽輪機(jī)末級(jí)葉片的數(shù)據(jù)，大大提高了葉片造型的可靠性，縮短了造型周期，并對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片在數(shù)控加工中的變形問(wèn)題進(jìn)行了初步分析，對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片的數(shù)控加工提供了一定幫助。

［1］周繼偉.大型汽輪機(jī)末級(jí)葉片發(fā)展及事故分析［J］.東方電氣評(píng)論，2002，16(1):45－48.

［2］付大鵬，馬艷麗，張衛(wèi)華，等.渦輪增壓器葉片四軸數(shù)控加工技術(shù)研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(1):59－61.

［3］付大鵬，王麗乾，孫文杰.汽輪機(jī)葉片的逆向造型及五軸數(shù)控加工研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(9):1－6.

［4］白璃，張定華，劉維偉.葉片螺旋銑性變形分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，24(7):800－802.

［5］羅明，吳宏海，張定華，等.一種帶緣頭壁讓的葉片高效螺旋加工方法［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(7):917－921.