混流式转轮铸造叶片的数控加工难点及解决方法

1、 引言

　　混流式转轮铸造叶片数控加工过程中面临的难点主要包括：（a）如何在加工前就能确定每块铸造叶片的毛坯余量，并对余量不足的区域进行补焊，以避免在加工过程中占用机床时间补焊或加工后再进行叶片补焊；（b）如何确定叶片加工位置（加工较小叶片时，通常可以在机床上通过跑点校正叶型并调整叶片加工位置，但这种方法不适合大尺寸叶片），如何在叶片没上机床前就将叶片毛坯按最佳加工位置调整并装夹好，不占用机床时间；（c）铸造叶片一般较大，如何设计铣工具才能既保证叶片装夹方便稳固，同时还要使设计具有通用性，减少铣工具成本；（d）粗铣叶型占了65%以上的叶片加工时间，对提高效率至关重要，数控编程方法上如何改进，使粗铣叶型时效率更高，最大可能地减少叶片的加工工时；（e）如何设计工艺吊攀，用于叶片加工过程中翻身、叶片加工结束后转运及后序的转轮装焊。

　　我们通过运用先进的叶片3D 测量技术，并使用UG软件进行CAD 设计和CAM 编程，使以上问题都顺利得到了解决。本文将分别从叶片毛坯3D 测量、叶片铣工具设计和叶片数控编程以及叶片工艺吊攀设计进行阐述。

2 、叶片毛坯3D 测量

　　加工铸造叶片，如果毛坯余量不够或者叶片装夹位置不合理，很可能导致叶片上局部区域未被加工出来，从而造成后序补焊和返工工时增加。因此在第一个阶段，需要确定合理的叶片加工余量和最佳叶片装夹位置。我们知道空间任一自由物体共有6 个自由度，分别为沿X、Y、Z 轴移动的3 个自由度和绕X、Y、Z 旋转的3个自由度，若使工件在空间处于固定不变的位置，就必须对这6 个自由度加以限制［1］。根据这一原理，我们事先在每块叶片毛坯上焊装了3 个球作为控制点来控制叶片的6 个自由度。同时在叶片毛坯上各部位（包括正背面、进出水边、上冠下环边）按要求画上大致规则的栅格点，并用三维测量仪测出这些毛坯点的坐标以及3 个球的球心坐标。然后我们使用3D 测量软件，将这些毛坯点与叶片3D 模型进行自动拟合计算，3D 测量软件会自动将这些毛坯点调整到叶片各处余量均匀的位置（即叶片最佳装夹位置），并将该最佳位置对应的3 个球心坐标转换成加工坐标系输出。有了这3 个球心的加工坐标，就可以在叶片铣工具上按这3 个点的相对位置关系装上3 个凹球面支撑座，这样毛坯叶片就可以通过三个球面定位，被顺利装夹到叶片铣工具上，并保证按此位置加工，毛坯叶片各处余量均匀。通过3D 测量软件的计算，我们可以事先就确定毛坯余量是否足够，并且软件会明确标出毛坯叶片上哪一块区域的余量不足，方便我们在叶片加工之前就对该部位进行补焊，不需要占用机床时间，并使加工后叶型完整美观。

　　2.1 测量仪器

　　为保证测量数据的准确性，我们采用激光跟踪仪对叶片毛坯进行了取点测量（如图1 所示）。这是因为激光跟踪测量仪具有高精度、高效率、实时跟踪测量、操作简便等优点，并且通过转站的方法可扩大测量范围，通过拟合计算，把不同站位数据相互联系，形成一个统一的坐标系，适合大尺寸工件空间点位的测量。

　　2.2 毛坯准备

　　为了便于测量后寻找叶片最佳装夹位置，根据6 点定位原理，我们在测量前在毛坯叶片背面适当位置预先焊接了3 个螺母，并拧上3 个钢球来控制毛坯叶片的6个自由度（钢球可拆卸，便于钢球重复使用，节约成本）。同时在毛坯叶片背面焊接上适量的吊攀，便于对毛坯叶片进行装夹紧固，如图2 所示。

　　2.3 测量取点及毛坯数据输出要求

　　毛坯坐标取点要按一定的要求进行：叶片各个不同部位要分开取点，并用所属的表面命名加以区分。表面取点时大致均布即可，不需要很规则的栅格点，叶片表面曲率大的地方或者表面余量少的地方（如局部凹下去的地方）需要多测几个点。正、背面上取点不要离边界太近，应离开至少50mm 为宜，进水边按头部形状一般每个截面取三点，出水边、上冠和下环边取点可取在叶片厚度中间的部位［3］。这些要求的制定是便于保证后序通过软件可将毛坯点与叶片模型进行正确的拟合。将这些测量点按所需的格式输出成DAT 文件，就可以开始下一步。

　　2.4 用3D 测量软件拟合并计算出毛坯最佳装夹位置，然后输出加工坐标系下各毛坯测量点的新坐标将毛坯测量点与叶片3D 模型进行拟合，3 D 测量软件会自动计算毛坯点与叶片模型之间的距离，并将叶片位置调整到各部位余量均匀的最佳位置。3D 测量软件并可使每个测量点按其余量多少显示为不同的颜色，且各表面的点（正面、背面、进水边、出水边、上冠边、下环边）可以选择显示或者关闭，这样毛坯叶片各处余量也就一目了然，如图3。

　　左侧色谱颜色变化与测量点余量多少相对应，比如余量超过10mm 则该测量点显示为红色，余量如果低于10mm 则该点显示为深蓝色，余量范围可以任意设定。从图3 中可以看出右下侧序208 点加工余量最少。这时就可以判断叶片各部位是否要在加工前补焊以及补焊区域的大小，可避免加工过程中在机床上补焊或加工后补焊，减少因此造成的工时损失，并提高叶片加工后表面质量。

　　最后按加工坐标系输出所有测量点（包括3 个定位球球心）的新坐标，这样根据3 个球心坐标就可以确定毛坯叶片在铣工具上的装夹位置，且按此位置加工，叶片各处余量均匀，不必在机床上再去校正叶型。