汽轮机叶片的逆向造型及五轴数控加工技术研究

0 引言

    汽轮机叶片是汽轮机的核心部件之一，其制造工艺直接影响后续的工作效率。但由于汽轮机叶片工作场合的特殊性，其必须具备耐腐蚀、耐高温、耐高压的苛刻条件。随着科学技术的发展，以及自然资源日趋枯竭的当下，提高汽轮机机械能转化效率也就凸显的更为重要，这即对汽轮机的有效设计以及精确加工提出了更高的要求。目前叶片常见的加工方法主要有数控加工、电解加工、精密锻造或铸造等方法，其中数控加工以其效率高、质量好、柔性高等优点而成为叶片加工的首选。但是数控加工必须以三维模型为基础，大多数叶片的三维造型以数学建模为蓝本，其设计周期长、效率低。这将大大影响汽轮机叶片的生产周期，以300MW汽轮机机组的末端叶片为例，提出了一种基于逆向造型以及CimatronE8.5的数控编程和加工的方法，并利用其进行仿真加工，对叶片的加工进行仿真检验，在满足设计要求的前提下缩短了叶片生产周期。

1 叶片的逆向造型

    流体机械产品的开发过程分两种不同的方式，一是产品经过流体动力学分析设计、结构设计、加工、装配检验等进行造型的过程，称为产品的正向工程；另外一种是根据现有模型进行改造设计，以现有产品为蓝本，在进一步消化吸收的基础上通过对产品结构、性能的改进、创新，得到新的或是更优质产品的方法称为逆向工程。

    汽轮机叶片属于结构相对比较复杂的零件，其叶片薄且扭曲度大，其设计和制造工艺比较复杂。叶片曲面建模基于Imageware和Pro/E软件共同实现，集合了专业逆向软件与综合性CAD/CAM软件各自的优点，提高了建模速度和准确性。

    选择300MW汽轮机机组的直叉形变截面大扭曲叶片为例，运用逆向造型技术进行三维造型，对整体叶片进行快速反求，实现整体叶片快速设计和制造。叶片点云数据由手持式自定位非接触式三维激光扫描仪获得。叶片的初始数据如图1所示。

图1 叶片数据的点云分布图

    利用Imageware软件，通过交互式截取点云法截取叶片的点云数据组，然后对每个截面点云进行修改、补间隙、数据简化、光顺处理。为了更好地保持原有数据的形状，减小光顺后点云的偏差值，采用高斯光顺处理点云。得到处理后的点云组如图2所示。

图2 处理后的点云组

    最后处理后的点云保存成“.IGS”的格式，利用Pro/E软件中的基准线线工具将每一截面的点云都连成线，用边界混合工具把基准面连成一个面，就可以得到完整的叶片曲面。另外，叶片叶根是直叉形叶根，通过Pro/E直接建模得到完整的叶片模型如图3所示。