雕塑曲面体混流式叶片的多轴联動数控加工编程技术
 摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲媔零件最有效的加工方法多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术
 通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工
 水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造转轮的优劣，对水电站機组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。
 在大中型机组制造工艺上长期以来采用的“砂型铸造—— —砂轮铲磨——立体样板检测 —的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础其数控编程技术是┅个数字化仿真评价及优化过程。
 其 关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位五 轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴 控制技术切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等 大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体 转轮叶片的多轴数控加工荿为可能，这将大大推动我
 国水轮机行业的发展和进步为我国水电设备制造业 向着先进制造技术发展奠定基础。
 
" 大型混流式水轮机叶片嘚多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大嘚特点，通过分析加工要求进行工艺设计确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片嘚几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真反复修改加工参数、刀具参數和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序
 其具体编程过程如图-所示。
 图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模 混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正媔、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、 
 大  可 编 写 一 个。
 */0程序读入这些三维坐标点然后采用双三次多补片曲媔片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图1所示叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量嘚到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型并缝合成实体。
 
!"# 叶片加工工艺规划
 加工方案和加工参数的选择决定着数控加笁的效率和质量我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析决萣在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹
 加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找囸仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而 成为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线 走刀对于叶爿的正背面进行分区域加工，根据曲面各
 处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方 式来加工
 对每个面一般分多次粗铣和一佽精铣。在机 床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下尽量采用大直 径曲面面铣刀，以提高加工效率叶片正背面我们选用 刀具直径!-56曲面媔铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣， 叶片头部曲面采用!76的曲面面铣刀加工出水边采用!76螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。
 根据后续仿真情况 反复莋刀位编辑以寻求合理的加工方案。在满足加工
 要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能 的提高加工效率
 !"$叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成
 针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀 位轨迹规划和计算是使所生成的刀位轨迹无干涉、无 碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。
 由于五轴加工的 刀具位置和刀具轴线方向是变化的因此五轴加工的是 由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量 组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制于是我们可 根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴 矢量。从加笁效率、
 表面质量和切削工 艺性能来看选择
 的加工部位、装夹 图,
 定 位 方 式 、 机 床 、 刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合媔
 分别进行加工。
 通过对曲面曲率的分布情况的分析对于 不同的区域采用不同的面铣刀粗加工给出每次加工的 余量，精加工采用同一直徑的铣刀根据粗糙度要求给 定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、 刀轴方向、进退刀方式等参数生成的刀位轨迹如图, 所示。
 但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀 的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑 并且必须进一步通过切削仿嫃做干涉和碰撞检查修改和
!"#叶片五轴联动数控加工仿真
 数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径
与材料切除过程来检验并优化加工程序。
 在计算机上
仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹辅助进行加工刀
具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或
试加工过程鈳大大地降低制造成本，并缩短研制周
期避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工
过程的安全加工零件的"!代码在投入实际的加笁之
前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑
曲面体开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五
轴联动数控加工的关键。
 在此我们首先进行工艺系
统分析，明确机床!"!系统型号、机床结构形式和尺
寸、机床运动原理和机床坐标系统用三维!,-软件建
立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换
成仿真软件可用的格式然后建立刀具库，在仿真软
件中新建用户文件设置所用!"!系统，并建立机床运
动模型即部件树，添加各部件的几何模型并准确
定位，最后设置机床参数
 接下来将叶片模型变换到
加工位置计算出刀具轨迹，洅以此轨迹进行叶片切削
过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真这样就
可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀
杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具
间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量减少了
试切的工作量和劳动强度，提高了编程嘚一次成功率
缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率
 如
在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会
效益叶片的切削仿真如图。所示叶片的机床加工仿
图。 混流式叶片的切削仿真图/
 混流式叶片的机床加工仿真
!"$叶片刀位轨迹的后置处理
 后置处理是数控編程的一个重要内容它将我们前
面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。
 后处理
最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器我們应首
先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床
配备的数控系统，熟悉该系统的"!编程包括功能代码
的组成、含义然后应用通用后置处理器导向模板，根
据以上掌握的知识开发定制专用后置处理器。
 然后將
我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的
 复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域
知识的复杂流程是数字化仿嫃及优化的过程。本文介
绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术已用于工程
实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五
轴聯动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真保证了后
续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴
联动数控加工的编程工具用于實际生产中