0 前言

　　葉片廣泛用于汽輪機、燃氣輪機以及航空發(fā)動機中，起著能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用，形狀復(fù)雜，工藝要求高，加工難度大,所以目前葉片的生產(chǎn)主要以進口五軸數(shù)控加工中心為主，比如瑞士的斯達拉格機床，意大利的法拉利機床。這些機床一般都要幾百萬，甚至上千萬，相應(yīng)的維修成本也是非常高的，而四軸數(shù)控機床只要幾十萬就可以了，出于降低成本的考慮，在滿足產(chǎn)品加工需求的前提下，應(yīng)該盡量選用合理的機床。這就需要我們多研究葉片的幾何特性，以及相應(yīng)的加工方法。

　　葉片主要由兩大部分組成，即通流部分和裝配部分。裝配部分一般有葉根和葉冠，有的還有阻尼凸臺等，起固定和支撐作用；通流部分由型面部分和轉(zhuǎn)接部分組成，是葉片的工作部分，在葉片裝配以后，相鄰葉片之間的型面部分、型面部分與裝配部分過渡的轉(zhuǎn)接部分連同裝配部分的平臺面共同組成了通道，蒸汽或燃氣在其中流過，進行能量轉(zhuǎn)換。葉片的轉(zhuǎn)接部分又分為葉根轉(zhuǎn)接、葉冠轉(zhuǎn)接和凸臺轉(zhuǎn)接。

　　葉片之所以是一種難加工的復(fù)雜零件，就在于它的型面是一個光滑的空間曲面，而轉(zhuǎn)接不僅自己本身有形狀，還要跟隨型面的形狀，以及葉根、葉冠或凸臺的形狀，幾何模型更加復(fù)雜。阻尼凸臺以及凸臺轉(zhuǎn)接是在型面中部的凸起部分，情況比較特殊，在此不做贅述，葉根轉(zhuǎn)接和葉冠轉(zhuǎn)接是在型面的兩端，情況比較類似，本文針對根冠轉(zhuǎn)接的幾何特性及造型和加工方法進行探討。

圖1 葉片的結(jié)構(gòu)

1 轉(zhuǎn)接的幾何特性

　　1.1 幾何特性

　　葉片一般是用于旋轉(zhuǎn)機械，安裝在轉(zhuǎn)子葉輪或轉(zhuǎn)鼓。葉片工作時是繞著一個回轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)。葉根和葉冠雖然都是葉片的裝配部分，但它們都有一個表面是參與形成葉片的通流部分，稱為平臺面。

　　葉根平臺面或葉冠平臺面與葉片型面使用圓弧、橢圓等過渡就形成了葉根轉(zhuǎn)接或葉冠轉(zhuǎn)接，轉(zhuǎn)接過渡時多數(shù)情況還要考慮葉根或葉冠的外輪廓。比如：做葉根圓弧過渡，圓弧半徑是R20，當(dāng)靠葉根處型線到葉根輪廓邊緣的法向距離大于等于R20時，轉(zhuǎn)接圓弧既與型面相切又與葉根平臺面相切；當(dāng)法向距離小于R20時，過渡圓弧與型面相切，與葉根平臺面在邊緣處相割，這樣形成的轉(zhuǎn)接清晰地顯現(xiàn)葉根輪廓邊緣，這就是我們常說的轉(zhuǎn)接拉齊。

　　有的葉片設(shè)計不要求轉(zhuǎn)接拉齊，那就不考慮葉根輪廓邊緣，轉(zhuǎn)接圓弧與葉根平臺面相切，當(dāng)型線到葉根輪廓的法向距離小于R20時，切點就高于葉根輪廓，葉根輪廓就離開葉根平臺面延伸至轉(zhuǎn)接圓弧處，外觀看起來就像鼓出來一塊，這就是所謂的相貫線。

圖2 葉片轉(zhuǎn)接的幾何特性

　　1.2 影響轉(zhuǎn)接的因素

　　1.2.1 轉(zhuǎn)接的形狀

　　轉(zhuǎn)接的形狀主要有圓或橢圓。根冠平臺面與型面的轉(zhuǎn)接過渡有整圈都是圓弧或橢圓的方式，也有變半徑的方式。變半徑就是在不同的位置或不同的角度處以不同半徑的圓弧來進行轉(zhuǎn)接過渡。

　　1.2.2 根冠平臺面

　　根冠平臺面有：直平面、斜平面、圓柱面、圓錐面以及母線是樣條曲線的回轉(zhuǎn)面等。

　　1.2.3 根冠輪廓

　　葉根平臺的輪廓主要有菱形的或圓弧形；葉冠平臺的輪廓形狀非常多，對葉冠轉(zhuǎn)接影響比較大的主要是看是否帶鎖口，圖2 中的葉冠輪廓就是帶鎖口的，也就是指型線內(nèi)背方向V字形的部分。

　　1.2.4 型面

　　型面對轉(zhuǎn)接的影響主要是：型面是否扭曲，進出汽邊的圓弧大小等。

2 轉(zhuǎn)接的造型方法

　　轉(zhuǎn)接造型基本思想就是要同時保證轉(zhuǎn)接的形狀與型面和平臺面相切，比如：圓弧轉(zhuǎn)接就是將一個球始終保持貼著平臺面或輪廓邊緣，然后順著葉片型面滾一圈，所形成的曲面就是轉(zhuǎn)接面。實際生產(chǎn)中一般是借助NX等CAD軟件，建立幾何模型。

　　2.1 邊界倒圓

　　邊界倒圓需要先將葉根、葉冠與型面連成一個整體，如果是片體需要先縫合，產(chǎn)生一圈邊緣，實際上就根冠平臺面與型面的交線，沿著這個邊緣，設(shè)置半徑或變半徑進行倒圓，實現(xiàn)型面與根冠的轉(zhuǎn)接過渡。這種方法簡便快捷，生成的轉(zhuǎn)接有相貫線，而且可以實現(xiàn)變半徑；缺點是：不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)接拉齊，也不能倒橢圓。

　　2.2 面倒圓

　　面倒圓既可以倒圓也可以倒橢圓，但不能實現(xiàn)變半徑倒圓，第一組面選型面，第二組面選平臺面，陡峭邊緣選根冠輪廓的邊緣就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)接拉齊。這是最常用的葉片轉(zhuǎn)接造型方法，但實際操作會有很多困難，原因是葉片轉(zhuǎn)接一般都需要拉齊，不能有相貫線，葉片型面是樣條曲線，情況比較復(fù)雜，特別是出汽邊的圓弧比較小時，常常倒不出來，就算能到出來形成的轉(zhuǎn)接面也非常零亂，容易打折甚至破損。

　　2.3 曲線倒圓

　　曲線倒圓主要用于面倒圓做不出來，或者出現(xiàn)打折或破損時做局部修補用。

　　曲線倒圓類似人工倒圓，是沿型線的法向做若干平面，每個平面分別去截型面和平臺面，產(chǎn)生兩條交線，對這兩條交線進行倒圓，保證相切，參見圖2，如果倒圓距離不夠就保持相割，也就是作一個過根冠輪廓邊緣上的某點與型面相切的圓，截的平面越多，轉(zhuǎn)接也就作得越準(zhǔn)確。曲線的兩端規(guī)定好邊界條件，最后生成網(wǎng)格曲面，完成轉(zhuǎn)接的造型。 

3 轉(zhuǎn)接的加工方法

　　葉片轉(zhuǎn)接的幾何特性決定只能采用數(shù)控機床來加工，這就需要編制合理的刀路軌跡在數(shù)控機床上把轉(zhuǎn)接的幾何特性在產(chǎn)品實物上體現(xiàn)出來。由于大多數(shù)葉片轉(zhuǎn)接都是圓弧過渡，而刀具是有球頭刀的，那么在機床上球頭刀只要同時貼著型面和平臺面走一圈軌跡，轉(zhuǎn)接的形狀就出來了。所以在90年代早期，還沒有引進NX軟件，AutoCAD的使用還剛起步，就是使用這種思路來編制轉(zhuǎn)接的數(shù)控加工程序，具體方法就是采用大繞度三次樣條將型線偏置一個刀具半徑，平臺面也偏置一個刀具半徑，用FORTRAN語言計算出交線上的點坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換成NC指令用于加工。隨著NX軟件以及五聯(lián)動數(shù)控機床的引進，葉片轉(zhuǎn)接的加工方法有了更多更好的選擇。

　　3.1 清根的思路

　　葉片轉(zhuǎn)接的造型是比較難的，但轉(zhuǎn)接一般都是圓弧過渡，只要選用與轉(zhuǎn)接相同半徑的球頭刀就可以加工出來，根本不需要真的把轉(zhuǎn)接造出來，這就是清根的思路。葉片加工專業(yè)軟件也是采用這種思路，可以高效快捷地生成加工程序。

　　3.1.1 清根切削

　　葉片的型面和葉根（或葉冠）平臺形成一個折角，符合清根切削的條件，轉(zhuǎn)接R由刀具保證，由于這是一種固定軸加工方法，可用于四軸機床，但需要從不同的角度方向加工，才能將轉(zhuǎn)接完全加工出來，自動生成的刀軌往往不合理，需要人工編輯整理。

　　3.1.2 專業(yè)軟件

　　葉片加工的專業(yè)軟件一般都是五軸機床的生產(chǎn)廠商配套提供的，是以五軸加工為著眼點的，只需要讀入型面數(shù)據(jù)和根冠數(shù)據(jù)就可以編制轉(zhuǎn)接程序了，一般采用轉(zhuǎn)接半徑相同的球頭刀加工，從平臺和型面兩個方向分別切削，生成的是螺旋刀軌，高效而合理。

　　斯達拉格公司的RCS軟件在行業(yè)中運用最廣泛，加工圓弧轉(zhuǎn)接時可以使用比轉(zhuǎn)接半徑小的刀具，也可以加工橢圓轉(zhuǎn)接，但往往鼓出來一塊，轉(zhuǎn)接沒有拉齊，需要修補一下，而用法拉利公司的TS80軟件在這方面做得更好些。

　　3.2 按模型加工的思路

　　當(dāng)轉(zhuǎn)接是變半徑，是橢圓，或者轉(zhuǎn)接的半徑比較大，沒有合適的刀具可用時，就需要將轉(zhuǎn)接通過CAD軟件將其完整地造出來，然后按造好的模型加工。

　　3.2.1 按片體加工

　　葉片加工的專業(yè)軟件有時也會出現(xiàn)轉(zhuǎn)接不齊等情況，需要通過造型抽取所需的片體進行加工，來修補不理想的部位。

　　3.2.2 等高切削

　　根據(jù)造好的轉(zhuǎn)接模型，對其輪廓進行分層加工，由于圓角銑刀比球頭刀切削性能好，多采用圓角銑刀進行等高切削，但要注意圓角銑刀的刀具直徑一定要比轉(zhuǎn)接的直徑小，才能將轉(zhuǎn)接完整地加工出來。這也是一種固定軸的加工方法，多用于四軸機床，同樣需要從不同的角度方向加工，銜接問題很重要。

　　3.2.3 多軸螺旋切削

　　使用球頭刀，在封閉曲面的驅(qū)動下，按轉(zhuǎn)接模型的輪廓加工，所生成的刀軌跟專業(yè)軟件很相似，只能用于五軸機床。NX的多軸螺旋切削對加工模型的要求很高，轉(zhuǎn)接曲面必須光滑無破損，同時驅(qū)動面的制作也很講究，驅(qū)動面做不好，生成的刀軌就會很凌亂，無法使用。所以這種加工方法是很好的，但編程很費工夫。

4 結(jié)論

　　葉片的轉(zhuǎn)接區(qū)域是一個復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，對它的加工是葉片生產(chǎn)中的一個難點，如何對其進行高效準(zhǔn)確的加工一直是技術(shù)人員努力的目標(biāo)。同時生產(chǎn)成本也是必須考慮的，四軸機床價格低廉，圓角銑刀切削性能好，螺旋切削方式效率高，這就需要我們不斷探索新的方法。多分析，多探討，在實際生產(chǎn)中，就能有更合理的選擇。