0 前言
叶片广泛用于汽轮机、燃气轮机以及航空发动机中，起着能量转换的关键作用，形状复杂，工艺要求高，加工难度大,所以目前叶片的生产主要以进口五轴数控加工中心为主，比如瑞士的斯达拉格机床，意大利的法拉利机床。这些机床一般都要几百万，甚至上千万，相应的维修成本也是非常高的，而四轴数控机床只要几十万就可以了，出于降低成本的考虑，在满足产品加工需求的前提下，应该尽量选用合理的机床。这就需要我们多研究叶片的几何特性，以及相应的加工方法。
叶片主要由两大部分组成，即通流部分和装配部分。装配部分一般有叶根和叶冠，有的还有阻尼凸台等，起固定和支撑作用；通流部分由型面部分和转接部分组成，是叶片的工作部分，在叶片装配以后，相邻叶片之间的型面部分、型面部分与装配部分过渡的转接部分连同装配部分的平台面共同组成了通道，蒸汽或燃气在其中流过，进行能量转换。叶片的转接部分又分为叶根转接、叶冠转接和凸台转接。
叶片之所以是一种难加工的复杂零件，就在于它的型面是一个光滑的空间曲面，而转接不仅自己本身有形状，还要跟随型面的形状，以及叶根、叶冠或凸台的形状，几何模型更加复杂。阻尼凸台以及凸台转接是在型面中部的凸起部分，情况比较特殊，在此不做赘述，叶根转接和叶冠转接是在型面的两端，情况比较类似，本文针对根冠转接的几何特性及造型和加工方法进行探讨。
图1 叶片的结构
1 转接的几何特性
1.1 几何特性
叶片一般是用于旋转机械，安装在转子叶轮或转鼓。叶片工作时是绕着一个回转轴在旋转。叶根和叶冠虽然都是叶片的装配部分，但它们都有一个表面是参与形成叶片的通流部分，称为平台面。
叶根平台面或叶冠平台面与叶片型面使用圆弧、椭圆等过渡就形成了叶根转接或叶冠转接，转接过渡时多数情况还要考虑叶根或叶冠的外轮廓。比如：做叶根圆弧过渡，圆弧半径是R20，当靠叶根处型线到叶根轮廓边缘的法向距离大于等于R20时，转接圆弧既与型面相切又与叶根平台面相切；当法向距离小于R20时，过渡圆弧与型面相切，与叶根平台面在边缘处相割，这样形成的转接清晰地显现叶根轮廓边缘，这就是我们常说的转接拉齐。
有的叶片设计不要求转接拉齐，那就不考虑叶根轮廓边缘，转接圆弧与叶根平台面相切，当型线到叶根轮廓的法向距离小于R20时，切点就高于叶根轮廓，叶根轮廓就离开叶根平台面延伸至转接圆弧处，外观看起来就像鼓出来一块，这就是所谓的相贯线。
图2 叶片转接的几何特性
1.2 影响转接的因素
1.2.1 转接的形状
转接的形状主要有圆或椭圆。根冠平台面与型面的转接过渡有整圈都是圆弧或椭圆的方式，也有变半径的方式。变半径就是在不同的位置或不同的角度处以不同半径的圆弧来进行转接过渡。
1.2.2 根冠平台面
根冠平台面有：直平面、斜平面、圆柱面、圆锥面以及母线是样条曲线的回转面等。
1.2.3 根冠轮廓
叶根平台的轮廓主要有菱形的或圆弧形；叶冠平台的轮廓形状非常多，对叶冠转接影响比较大的主要是看是否带锁口，图2 中的叶冠轮廓就是带锁口的，也就是指型线内背方向V字形的部分。
1.2.4 型面
型面对转接的影响主要是：型面是否扭曲，进出汽边的圆弧大小等。
2 转接的造型方法
转接造型基本思想就是要同时保证转接的形状与型面和平台面相切，比如：圆弧转接就是将一个球始终保持贴着平台面或轮廓边缘，然后顺着叶片型面滚一圈，所形成的曲面就是转接面。实际生产中一般是借助NX等CAD软件，建立几何模型。
2.1 边界倒圆
边界倒圆需要先将叶根、叶冠与型面连成一个整体，如果是片体需要先缝合，产生一圈边缘，实际上就根冠平台面与型面的交线，沿着这个边缘，设置半径或变半径进行倒圆，实现型面与根冠的转接过渡。这种方法简便快捷，生成的转接有相贯线，而且可以实现变半径；缺点是：不能实现转接拉齐，也不能倒椭圆。
2.2 面倒圆
面倒圆既可以倒圆也可以倒椭圆，但不能实现变半径倒圆，第一组面选型面，第二组面选平台面，陡峭边缘选根冠轮廓的边缘就可以实现转接拉齐。这是最常用的叶片转接造型方法，但实际操作会有很多困难，原因是叶片转接一般都需要拉齐，不能有相贯线，叶片型面是样条曲线，情况比较复杂，特别是出汽边的圆弧比较小时，常常倒不出来，就算能到出来形成的转接面也非常零乱，容易打折甚至破损。
2.3 曲线倒圆
曲线倒圆主要用于面倒圆做不出来，或者出现打折或破损时做局部修补用。
曲线倒圆类似人工倒圆，是沿型线的法向做若干平面，每个平面分别去截型面和平台面，产生两条交线，对这两条交线进行倒圆，保证相切，参见图2，如果倒圆距离不够就保持相割，也就是作一个过根冠轮廓边缘上的某点与型面相切的圆，截的平面越多，转接也就作得越准确。曲线的两端规定好边界条件，最后生成网格曲面，完成转接的造型。
图3 面倒圆
图4 转接面破损的现象
3 转接的加工方法
叶片转接的几何特性决定只能采用数控机床来加工，这就需要编制合理的刀路轨迹在数控机床上把转接的几何特性在产品实物上体现出来。由于大多数叶片转接都是圆弧过渡，而刀具是有球头刀的，那么在机床上球头刀只要同时贴着型面和平台面走一圈轨迹，转接的形状就出来了。所以在90年代早期，还没有引进NX软件，AutoCAD的使用还刚起步，就是使用这种思路来编制转接的数控加工程序，具体方法就是采用大绕度三次样条将型线偏置一个刀具半径，平台面也偏置一个刀具半径，用FORTRAN语言计算出交线上的点坐标，再转换成NC指令用于加工。随着NX软件以及五联动数控机床的引进，叶片转接的加工方法有了更多更好的选择。
3.1 清根的思路
叶片转接的造型是比较难的，但转接一般都是圆弧过渡，只要选用与转接相同半径的球头刀就可以加工出来，根本不需要真的把转接造出来，这就是清根的思路。叶片加工专业软件也是采用这种思路，可以高效快捷地生成加工程序。
3.1.1 清根切削
叶片的型面和叶根（或叶冠）平台形成一个折角，符合清根切削的条件，转接R由刀具保证，由于这是一种固定轴加工方法，可用于四轴机床，但需要从不同的角度方向加工，才能将转接完全加工出来，自动生成的刀轨往往不合理，需要人工编辑整理。
3.1.2 专业软件
叶片加工的专业软件一般都是五轴机床的生产厂商配套提供的，是以五轴加工为着眼点的，只需要读入型面数据和根冠数据就可以编制转接程序了，一般采用转接半径相同的球头刀加工，从平台和型面两个方向分别切削，生成的是螺旋刀轨，高效而合理。
斯达拉格公司的RCS软件在行业中运用最广泛，加工圆弧转接时可以使用比转接半径小的刀具，也可以加工椭圆转接，但往往鼓出来一块，转接没有拉齐，需要修补一下，而用法拉利公司的TS80软件在这方面做得更好些。
图5 清根切削
图6 RCS软件加工转接的刀轨
3.2 按模型加工的思路
当转接是变半径，是椭圆，或者转接的半径比较大，没有合适的刀具可用时，就需要将转接通过CAD软件将其完整地造出来，然后按造好的模型加工。
图7 等高切削
图8 多轴螺旋切削的驱动面和刀轨
3.2.1 按片体加工
叶片加工的专业软件有时也会出现转接不齐等情况，需要通过造型抽取所需的片体进行加工，来修补不理想的部位。
3.2.2 等高切削
根据造好的转接模型，对其轮廓进行分层加工，由于圆角铣刀比球头刀切削性能好，多采用圆角铣刀进行等高切削，但要注意圆角铣刀的刀具直径一定要比转接的直径小，才能将转接完整地加工出来。这也是一种固定轴的加工方法，多用于四轴机床，同样需要从不同的角度方向加工，衔接问题很重要。
3.2.3 多轴螺旋切削
使用球头刀，在封闭曲面的驱动下，按转接模型的轮廓加工，所生成的刀轨跟专业软件很相似，只能用于五轴机床。NX的多轴螺旋切削对加工模型的要求很高，转接曲面必须光滑无破损，同时驱动面的制作也很讲究，驱动面做不好，生成的刀轨就会很凌乱，无法使用。所以这种加工方法是很好的，但编程很费工夫。
4 结论
叶片的转接区域是一个复杂空间结构，对它的加工是叶片生产中的一个难点，如何对其进行高效准确的加工一直是技术人员努力的目标。同时生产成本也是必须考虑的，四轴机床价格低廉，圆角铣刀切削性能好，螺旋切削方式效率高，这就需要我们不断探索新的方法。多分析，多探讨，在实际生产中，就能有更合理的选择。
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