静叶片四轴数控加工定位分析

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Positioning Analysis of Four-axis NC Machining for Static BladesWU Yue ，CHEN Yongxiang ，LI Shuangyue ，LIU Yong ，JIANG Min ，MAO Pengxiao(1.School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China；2.Mianyang Ruifeng Machinery Electrical Co.，Ltd.，Mianyang Sichuan 621000，China)Abstract：Processing of steam path is one of key processes of the turbine stator blade machining. The four axis machining fixtureand the calculation of the origin of the workpiece coordinate in the turbine stator blade machining process were researched，by aimingat the turbine stator blade structural characteristics，processing techniques and workpiece positioning principle.At the sanle time ofmeeting requirements of partsprecision and surface roughness，the application range of four·axis CNC machine tools is expanded. In-terference in three coordinate linkage NC machining and five coordinate linkage NC machining is avoided. The turbine stator blade ma-chining quality is ensured，and the processing efficiency of the stator blade and tool life are improved。

Keywords：Stator blade；Four-axis machining；Workpiece coordinate system；Coordinate transformation汽轮机是热电厂的重要设备之-，静叶片又叫整流叶片，简称静叶。静叶片与动叶片的弯曲方向相反，这是为了起到整流作用或导向作用 ，也是汽轮机中将高温蒸汽的热能转化为机械能的极其重要的部件，工作环境极其复杂。静叶片型面精度直接影响流道截面积，也影响蒸汽在调节级中的流动速度以及叶片间相互配合精度。

为提高汽轮机静叶片在四轴数控中精铣汽道、缘板内侧面、缘板内侧面与型面过渡圆虎进汽边加工精度与效率，设计了-种静叶片四轴精铣数控加工夹具，扩大了四坐标联动数控机床使用范围，避免三坐标与五坐标联动数控加工存在的干涉问题，在保证汽轮机静叶片加工质量的基础上 ，提高了汽轮机静叶片加工效率和刀具耐用度。

通常静叶片的加工采用五轴机床 ，针对中小型企业 ，五轴机床的费用较高，作者探寻了静叶片四轴加工技术，对于成本的控制有-定的积极作用。

1 汽轮机静叶片加工工艺分析1.1 汽轮机静叶片结构汽轮机高中压第 5级静叶片结构 (如图 1所示)，包括了装配内背弧型面、静叶片内背弧面、静叶片的进出汽边、铣削过渡面。其中图1为两个静叶片的装配 ，形成了喉口的结构。

4 56 l-进汽边2～喉口部分3-出汽边7 4-过渡面5-汽道外弧面6-装配背弧型面7-装配内弧型面8-汽道内弧8图1 汽轮机高中压第5级静叶片结构示意收稿 日期 ：2012-04-09基金项目：四川势技支撑计划项目 (2010GZ0103)作者简介：吴越 (1987-)，男，硕士研究生，主要从事机械设计与制造。E-mail：swustwu###foxmail.com。

· 2· 机床与液压 第41卷1.2 汽轮机静叶片加工工艺过程汽轮机静叶片加工工艺的主要过程包括：(1)锻造环形毛坯。

(4)铣背弧型面余量。毛坯线切割后在此基础上加工汽道，线切割后结构见图2，铣背弧余量工序见图3。该工序在四轴 ( ，Y，z，A)数控铣床上进行，因线切割后工件坐标系原点坐标值不容易直接测得，故在夹具上设计-易测量的辅助对刀点，再结合夹具设计时辅助对刀点与工件坐标系原点的几何关系换算出工件坐标原点的坐标值。

装配内弧型面 工件 量图2 线切割后 图3 工件坐标原点的叶片 及铣背弧余量(5)精铣背弧型面。

2 基准转换机床坐标系是机床上固有的坐标系，它用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的特殊位置 (如换刀点 、参考点) 以及运动范围 (如行程范围、保护区)等。

工件坐标系是用于确定几何 图形上各几何要素(点、直线、圆弧等)的位置而建立的坐标系。选择工件零点原则是便于将工件图的尺寸方便地转化为编程的坐标值和提高加工精度，铣削工件零点-般设在工件外轮廓的角上，进刀深度方向的工件零点大多取在工件的表 。该静叶片铣削加工的工件坐标零点选在工件的右侧边缘 (见图3)。

叶片多为扭曲曲面，且精度要求较高，为了提高精度，四轴加工中采用-次装夹方式 (图4为工件的装夹图)，减少人为操作引起的误差。

图4 叶片加工时的装夹工件的装夹确定后，通过确定工件原点来确定工件坐标系 加工程序中控制刀具及各运动轴代码都是基于该坐标系计算的。在设计夹具时，考虑到工件的坐标零点不便于测量，设计了辅助测量点 ，对辅助面进行测量，通过-定的坐标换算，就能得知工件零点的坐标。图5为辅助测量点 (对刀点)。

图 6 夹具的3组对刀面2.1 工件 坐标零点空间转换在四轴数控机床上，静叶片汽道的加工分：(1)夹具随A轴顺时针旋转JB角度后，进行右半汽道型面加工；(2)夹具随A轴逆时针旋转 0角度后，进行左半汽道型面加工。A轴每旋转-次，工件坐标系原点的坐标值就发生-次变化。

(1)基准变换。加工右半汽道、缘板 内侧面、缘板内侧面与型面过渡圆虎半进汽边时，通过A轴将夹具顺时针旋转卢角度，使第二组对刀面平行平面，工件坐标原点随夹具旋转相同角度，变换工件加工基准，通过坐标变换确定刀具刀位点在旋转后工件坐标系中的位置。

(2)基准变换。加工左半汽道、缘板 内侧 面、第 1O期 吴越 等：静叶片四轴数控加工定位分析 ·3-缘板内侧面与型面过渡圆虎半进气边时，通过A轴将夹具逆时针旋转 0角度，使第三组对刀面平行平面，工件坐标原点随夹具旋转相同角度 ，变换工件加工基准，通过坐标变换确定刀具刀位点在变换后工件坐标系中的位置。

以夹具回转中心为坐标原点建立夹具坐标系。图7为数控机床坐标系。

图7 数控机床坐标系夹具坐标系在机床坐标系中的位置 0 ( ，Y ，)；辅助点P在机床坐标系中位置 ( ，Y，z)。图5为夹具关键尺寸几何关系。

2.2 第-次坐标转换辅助点 P在夹具坐标系中坐标 ( 。，Y。， 。) - J (1)Y1Y-YJ (2)z -z T (3)工件坐标原点 O 在夹具坐标系中位置 ( ，Y ，z )由夹具设计几何关系得到：wl 1-口 (4)YwlYlb (5)zwlzl-C (6)2.3 第二 次坐标转换A轴旋转 /3角度后 ，工件坐标原点坐标发生变化 ，图 8为数学关系。

图8 数学关系工件坐标原点在夹具坐标系中的D忱位置 (XW，2，Yva，ZW，2)XW2 Wl l - 0y s(卢tan )佩 .sin(13arctan ZW1)(7)(8)(9)将工件坐标原点在夹具坐标系中的位置转换到机床坐标系中，得工件坐标零点在机床坐标系中的位置为：0w( w，Yw， )w w2 J (10)Yw：YwzYJ (11)w w2zJ (12)旋转卢角度后以0 为工件坐标零点在机床上用G54～G59指令建立工件坐标系1，在加工完右半汽道型面后；夹具旋转 0角度后，同理计算出工件坐标系原点坐标，用 G54-G59指令建立工件坐标系 2进行左半平面的加工。

3 结论该 换算法”可减少测量误差，具有精度高、- 致性好等优点，同时也解决了非基准面工件坐标系测量难而不准的问题。实践中该方法也很容易被操作者所接受。此夹具安装方便，增加了工件与工装之间的稳固性，减少了手工测量中的人为误差，同时也减少了装夹的次数 ，提高了静叶片的加工质量。