一、前言
随着我国经济发展的快速增长，发电设备制造市场的竞争也日趋激烈，为提高产品质量，各单位在技术改造上都倾注了大量的财、物、人力。由于现代透平机向高负荷、高频率大功率的设计方向发展，而采用弯扭叶片是降低热耗提高机组效率的最有效的措施之一。近几年，随着全三维气动技术的采用，汽轮机整机性能得到很大提高，我厂在新机组制造中充分使用了该技术，这大大提高了我厂汽轮机整机性能。由于汽轮机低压部分末几级动、静叶片均为弯扭叶片，而弯扭叶片的一个突出特点是每一级的弯扭叶片都必须进行计算，不能直接互换使用且型面加工难度大，国内外大型汽轮机制造企业多采用先进的五坐标数控机床来加工弯扭叶片的扭曲汽道型面，而我厂没有这种设备能力，如果采用手工制造仿型靠模及汽道曲轴，不仅生产周期长，而且需设计多套工装，生产成本高，加工出的靠模质量也无法保证，加工效率低。
目前，叶片厂现有两台大宇四坐标XK5040数控立式加工中心，该机床可实现四轴联动，为了充分发挥现有数控设备的潜力，提高叶片扭曲型面的加工能力，我厂叶片技术人员经过潜心研究和刻苦钻研，合理的利用三维软件，在四联动加工中心上成功的实现了弯扭动、静叶片的高效加工。四轴联动加工技术主要应用于加工具有较为复杂曲面的零件，与三轴联动加工相比，四轴联动加工中心在三轴联动的基础上增加了一个A或B轴，因此可以加工出更高质量、更复杂的曲面。
二、研究对象
汽轮机叶片是汽轮机的心脏，其叶片的制造技术和制造质量直接影响机组运行性能和机组的可靠性。叶片是较复杂的曲面体零件，长期以来采用的电解、仿形、三联动等制造工艺，其生产效率非常低下，叶片型面精度难以保证，而且工艺复杂、劳动强度大、环境恶劣等特点，已不能满足技术进步的要求，也不能有效地保证叶片型面准确性和制造质量，更不能满足当今汽轮机市场竞争的要求。汽轮机低压部分弯扭动叶片(图1)和静叶片(图2)， 本文以弯扭动叶片(图1)为重点，着重讲述运用UGNX4三维软件完成该扭曲动叶片在四联动加工中心上的加工应用的研究情况。图1放大

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图1(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图) 图2放大

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图2(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

三、UGNX4软件的特点
随着计算机技术的发展，“图形交互式自动编程”也应运而生，它直接将零件的几何信息转化为数控加工程序。该方法极大地提高了数控编程的效率，并且精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点，因此该种方法已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件普遍采用的数控编程方法。UGNX4软件就具有多种优点，该软件是由美国UGS公司推出的功能强大的三维软件，它集CAD/CAM/CAE为一体，用户通过该软件优秀的CAD模块进行复杂的几何图形造型，并通过CAM模块编制各种方式的加工路径，再通过后处理转换成机床数控系统能识别的NC程序，并能模拟加工检查过切现象和计算加工时间。另外该软件可以很容易地实现与pro/e、MasterCam、AutoCad等软件进行数据交换，大大提高了UGNX4软件的通用性。
四、叶片的CAD造型
典型扭叶片的造型分为叶根、型面、围带三个部分，具体结构如下
1、叶片原始型线数据的输入
Ugnx4软件具有较强的型线数据处理能力，我们既可以将后缀为*dat的产品原始型线数据文本(图3)通过Ugnx4软件的建模—草图—插入—样条命令输入到Ugnx4软件中，也可以直接通过Ugnx4软件自带的Translators功能模块导入AutoCad的二维dxf或dwg文件(图4)。图3放大

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图3(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图) 图4放大

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图4(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

2、构建截面线
根据三维造型需要把每个截面分割为内弧、背弧、出汽边、进汽边四个部分，并转化为样条曲线。再可以通过软件的分析功能来检查数据的准确性、合理性，发现错误时可以很方便的更改错误的数据，直到曲线光顺，得到一组空间曲线(图5)。图5放大

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图5(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图) 图6放大

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图6(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

3、构建曲面
将所得到的截面线通过通过UG软件的扫掠、放样、桥接、通过曲线组等操作(图6)，可以得到叶片的叶身型面，截面的数量将影响曲面的光顺性，调整各数据点的对齐方式，和曲面公差，从而将各个截面的型线，生成光滑的三阶NUBS曲面(图7)为止。图7放大

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图7(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图) 图8放大

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图8(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

4、叶根及围带
叶根及围带的造型使用软件的草图、拉伸和拔模等功能，合理的选择角度快速的拉伸出叶片的投影截面形状。(如图8)
五、叶片的CAM加工
UG软件加工功能非常强大，叶片型面加工可在三坐标、四坐标、五坐标数控机床上加工完成，所采用的刀具有球头刀、平底刀、牛鼻刀、环形刀、鼓形刀、锥形刀等，可根据曲面陡峭程度、机床旋转轴自由度、夹具情况以及加工要求选择适合的刀具。
1、四坐标数控机床型面加工的优势
在以往的型面加工中多采用三坐标加工，其特征是加工轴线始终不变。
即平行于Z坐标轴。三坐标曲面加工是通过逐行走刀来完成加工的。刀具沿各切削行的运动，近似地包络加工曲面，行距是影响加工质量和效率的主要因素。过大的行距将使表面残余过大，后续工序的工作量变大，过小的行距会使加工程序和时间的成倍增加。其中走刀方式和零件相对刀具的姿态是影响行距的重要因素。同时由于无旋转轴，三坐标数控机床在加工内、背型面时无法一次加工完成，需重新装夹叶片，并重新对刀，从而可能导致叶片内、背型面中心不重合，影响了叶片质量与加工效率。。
四轴联动加工则可解决上述问题，它是介于在三座标数控加工与五座标数控加工的一种加工方式。它是在三座标(X、Y、Z)基础上为某一轴(X轴或Y轴)增加一个回转轴(A轴或B轴)，这样在加工时不仅可以在X、Y、Z、三个方向上联动同时也能绕回转轴作回转运动。其加工范围较三座标数控加工大为提高。并能有效地控制刀具和曲面切削点法矢的夹角，从而使切削余量相对均匀，在型面扭转较大的叶片加工中有明显的优势；同时一次完成了叶盆、叶背、进排气边缘的加工，具有较高的加工精度。
2、加工工艺路线的指定、加工方式的选择
步骤 加工性质 加工区域 刀具
1 粗、精加工 叶片内、背径向面及叶根 Ø80面铣刀、Ø10立铣刀 
2 粗、半精加工 汽道内、背弧与围带转接R Ø18硬质合金球头刀
3 精加工 汽道内、背弧与围带转接及R Ø16和Ø8硬质合金球头刀
根据对现有四轴数控机床的特征及叶片毛坯的情况，设定如右表加工工艺路线并对照工艺路线选择合理的加工方式。
叶片内、背径向面及叶根的加工
在加工径向面及叶根的工序时，我们根据三维造型图的具体工艺尺寸编制数控加工程序并利用大宇机床的自动换刀功能，一次加工成型。
围带转接R部位加工
由于该叶片转接部位R4～R6,且围带冠部斜角度较大(29°)，我们采用了球头刀具来实现，在叶片较大或粗加工刀具较大的情况下，此处余量往往比较多，考虑刀具设计性能和加工效率等因素，可按适当余量分层加工，最后保证型线的准确性。在加工R时，球头刀具与侧面往往会接触，所以光洁度不是很好，只有通过小余量来切削或刀具的刚性来保证型面、侧面的粗糙度。如(图9)所示。图9放大

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图9(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图) 图10放大

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图10(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

叶片型面的半精和精加工
叶片的型面为自由曲面，毛坯为模锻件，需要进行半精加工和精加工。机床采用的是A轴旋转的连续加工方式，在半精加工中可以根据被加工的面生成偏置面。利用UGNX4中加工—Multiaxis(多轴加工),选用曲面驱动方式—(切削模式) —四轴相对于驱动体(刀轴控制) —几何体选择—驱动几何体选择被加工曲面。 选用直径为12的球刀加工，半精加工步距取1mm，精加工步距取0.3mm，余量为0.2mm，螺旋式走刀。通过以上设置一系列加工参数和加工范围就可以很方便地生成叶片型面加工程序。加工轨迹路径如下图(图10)：
由于精加工采用的刀具为Ø12mm且带有R的硬质合金球头立铣刀，采用圆环面铣刀转角度的加工方式加工，加出叶片的完全符合图纸的要求，并且有利于三坐标测量仪的测量。
3、仿真加工
数控加工的质量与效率很大程度上取决于所编程序的合理性。为了检验刀轨的正确性，防止加工中过切现象，Ugnx4软件提供了强大仿真校验功能。在仿真加工时，可以很清楚的看见加工的叶片有没有过切、刀具与工装、机床是否干涉、刀具的参数是否适当。(如图11)图11放大

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图11(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图) 图12放大

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图12(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

4、后置处理
Ugnx4软件的后处理构建技术是NXCAM模块中一个重要的组成部分，软件提供了一个优秀的后处理工具—NX/Post,用户可以非常方便的通过NX/Post Builder(后处理构造器)图形界面的交互方式并根据机床的数控系统参数，创建和修改机床需要的后处理工具，生成满足机床的NC文件格式和输出内容。
5、NC程序
UGNX4软件通过后处理工具定制出适应某一数控机床的专用后置处理程序。
通过NX/Post (后置处理)操作，系统会自动产生其文件的扩展名为ptp的NC程式(如图12)，再通过PC的RS232接口、网络线的连接以及USB接口等通信方式进行方便的传输到数控机床进行加工。
NC程式如下：
%
N0010 G40 G17 G90 G21
N0020 T03 M06
N0030 G54
N0040 G00 X-20.153 Y-9.756 A38.192 S4078 M03
N0050 G43 Z65.926 H03
N0060 G01 X-20.974 Y-8.024 Z35.987 F50. M08
N0070 X-20.994 Y-7.17 Z36.133 A39.6 F816.
N0080 X-21.165 Y-.032 Z36.533 A51.242
N0090 X-21.5 Y13.994 Z32.906 A74.955
N0100 X-21.759 Y23.82 Z25.65 A94.934
N0110 Y23.824 Z25.645 A94.944
N0120 X-21.847 Y19.604 Z23.511 A97.823
N0130 X-21.891 Y15.257 Z21.623 A100.633
N0140 X-21.893 Y10.806 Z19.964 A103.398
……
N2350 X-264.004 Y-29.153 Z-10.372 A34482.546
N2360 X-264.022 Y-30.656 Z-11.241 A34481.406
N2370 X-264.026 Y-31.038 Z-11.443 A34481.161
N2380 X-264.029 Y-31.231 Z-11.537 A34481.053
N2390 X-264.03 Y-31.329 Z-11.583 A34481.001
N2400 G00 Z138.417
N2420 G28 G91 Z0.0 M09
N2430 G91 G28 A0.0 M05
N2440 M30
%

六、应用与存在的问题
本项目成功应用于我厂248机组16级带冠动叶片的试制工作，并完成了我厂及合资公司长鹏铸业有限公司的248机组16级铸造隔板静叶片、433机组12级静叶以及模块化J0403.0201.002静叶片汽道型面的实际加工。检查结果表明，通过本项目在叶片的四轴联动数控加工的研究与应用，加工的叶片扭曲型面完全符合工艺要求，大大缩短了生产周期，提高了叶片型面加工精度，减少了工装数量，降低了操作者的工作强度，较以往的三坐标加工，可以一次完成叶片型面的加工，极大地减轻了后续抛光工序的工作量，加工精度稳定，效率高，操作方便，可靠性好，具有批量生产能力形成生产流水线，同时提高了设备的利用率，缓解了叶片厂生产设备加工周转紧张的困难，也提高了四座标机床的利用率。
但是由于四座标数控加工的局限性，由于主轴不能摆动, 所以在加工此类斜围带，墙板较高的叶片时，就会因为刀具与叶片模型发生干涉而不能产生正确的刀具轨迹(因刀具主轴不能摆动)，出现“跳刀”现象。由于叶片围带转接R部位尺寸较小，刀具为球头刀，铣削时铣削条件差。刀具直径小，刃口长，刚性差，进给速率不能过大，且易出现磨损、蹦刃现象。
七、结束语
Ugnx4以其强大三维造型和加工的功能已成功地应用于叶片的四联动加工，较好地解决了我厂扭曲动、静叶片加工难题，对叶片的加工能力有了更高层次的提高，填补了我厂四轴数控加工工艺空白，并提高了四座标机床的利用率。检查结果表明，加工出的产品能满足设计图纸的要求。有较大的经济效益和间接市场效益。同时促进了我们技术人员对于工艺、加工技术、和各种编程软件都有了一定的了解，这对我们的学习也是一种促进和推动。并使我厂叶片加工工艺水平又上了一个新的台阶，极大地提高了我厂产品的科技含量和市场竟争力。为我厂叶片新产品的开发、增强企业竟争力，并为今后上五轴联动数控加工打下了良好的基础