摘要：闡述了水輪機葉片數(shù)控加工工藝的技術方法，重點對毛坯余量控制、葉片劃檢、葉片裝夾、葉片加工及葉片修磨等工藝環(huán)節(jié)進行了分析研究。實踐證明，水輪機葉片數(shù)控加工工藝方法具有加工效率高、精度高等優(yōu)越性，使轉(zhuǎn)輪加工質(zhì)量大幅度提高。
    水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工是表征水輪機制造技術達到現(xiàn)代先進水平的重要標志之一。國外已普遍采用數(shù)控設備加工葉片，現(xiàn)有鑄造毛坯或模壓毛坯人工鏟磨成型的工藝將逐漸被數(shù)控技術所取代。隨著國內(nèi)大型水輪機數(shù)控加工設備的引進，葉片數(shù)控加工技術的應用開發(fā)已勢在必行。
數(shù)控加工葉片，一是能改善葉片表面質(zhì)量，保證葉片型線更接近理論翼型，二是可以提高工件的加工效率，三是可充分降低工人的勞動強度。在轉(zhuǎn)輪葉片中，混流式葉片因其曲面非常不規(guī)則、曲率變化最大等特點，導致其加工難度也最大。本文將針對混流式水輪機葉片的數(shù)控加工工藝加以詳細闡述。
1 技術準備
1.1 數(shù)控加工設備的準備
    在加工設備中有三軸、五軸數(shù)控鏜銑床和五軸數(shù)控龍門銑床，但其加工效果及效率各有利弊。三軸數(shù)控設備因其本身的限制，僅能將葉片表面加工成溝槽狀，仍需進一步人工鏟磨方可達到要求，它更適合于加工翼型較為平展的軸流或貫流葉片。加工精度及效率最高的當數(shù)五軸數(shù)控設備，利用萬能銑頭，可以實現(xiàn)大面積隨型切削加工，只需進行最終表面拋光即可。
1.2 夾具的準備
    因加工設備的不同，葉片分臥放、立放兩種工位，其裝夾工具也不同，在鏜床上為立放工位，在龍門銑床上可以臥放加工。立放工位的工具要配備有大型彎板，葉片支撐方式可用球頭螺桿、球座配合方式；或按葉片翼型，在周邊用翼型板焊接支撐，但該種裝夾方式，焊點多、焊量大，葉片易產(chǎn)生變形；另外，因工件自重的作用，在加工過程中極易竄動，造成翼型偏差，其安全性較差。
    臥放工位的工具為正、背面銑胎，銑胎結(jié)構較簡單，穩(wěn)定性較好，防止正、背面錯位效果好，通用性較強。現(xiàn)普遍采用多截面隨型支撐，或井字型截面支撐(主要用于大型葉片，如三峽葉片即為井字支撐)，數(shù)控加工截面板型線，使葉片與截面板全接觸。并可在虛弱點隨時加臨時支撐，銑胎結(jié)構。
1.3 刀具及切削參數(shù)的準備
    葉片加工主要包括型面、坡口和進出水邊的加工，其刀具也分為面銑刀、螺旋立銑刀和球頭棒銑刀。水輪機葉片的材料通常為ZG0cr13Ni5Mo，屬馬氏體不銹鋼，該材料經(jīng)正火、回火后，具有較高硬度、強度和抗氧化性能。加工特性主要有切削變形大、加工硬化傾向大、切削力大和刀片易磨損等，而對于葉片來說加工效率是重要因素，硬質(zhì)合金刀片是唯一選擇。以面銑刀的選擇為例，首選平裝、上壓式夾緊刀片結(jié)構，刀片軸向、徑向前角為正值，一般徑向前角γf取0～3°，軸向前角γp取9～15°，刀齒不等齒距分布，75°主偏角，11°刀片后角。伊斯卡公司的帶PVD涂層的ZC328刀片符合上述要求，該刀片具有耐磨性能高、韌性好的特點，刀片槽型為波形刃，波形刃對不銹鋼的斷屑、排屑以及減小切削力有明顯作用，實際應用效果良好。
葉片加工的刀具耐用度與切削用量之間不是單純的函數(shù)關系，必須找出其最佳組合，即優(yōu)化切削用量。經(jīng)實踐優(yōu)選出各參量值：切削速度Vc=90m/min，每齒進給量fz=0.15～O.20mm/z，走刀量Vf=200～250mm/min，切削深度ap=7mm。
1.4 數(shù)控程序的準備
    水輪機葉片數(shù)控加工程序的編制可分曲面造型、刀位計算和后置處理三步進行。通過對多個基準點的找正、定位，將葉片余量分布情況同時讀進計算機中，編程人員按軟件要求計算，根據(jù)刀具、機床銑頭轉(zhuǎn)角和行程等因素，選定加工坐標系，在計算機中進行動態(tài)全模擬加工演示，確定走刀量，同時進行刀具干涉檢測等，最終編制出葉片型面、頭部、尾部和焊接坡口等加工程序。
2 工藝過程
2.1 葉片加工工藝流程
葉片加工工藝流程。
2.2 毛坯質(zhì)量與余量的控制
    葉片毛坯質(zhì)量的控制是保證葉片最終質(zhì)量的關鍵，葉片多為不銹鋼鑄造結(jié)構，材料為0Cr13Ni5Mo。葉片余量不均將直接影響數(shù)控加工質(zhì)量，如余量偏小，則余量分布可調(diào)整范圍小：余量偏大，則數(shù)控加工周期長，費用高，且葉片也容易產(chǎn)生變形。為了保證葉片數(shù)控加工的高效性，將葉片正、背面加工余量控制在轉(zhuǎn)輪名義直徑的O.1%～0.3%之間，毛壞預先進行粗磨、無損探傷，以及除凈缺陷，去除局部高點，使毛坯表面質(zhì)量得到充分改善，易于劃線。
2.3 葉片的劃檢
    葉片余量劃檢方式共有3種：a.雙光電經(jīng)緯儀非接觸式測量葉片型線余量，它是最經(jīng)濟合理的測量手段，其測量精度完全滿足葉片加工精度要求；b.三維劃線機點接觸測量型線余量，但在測桿伸出過長時，會因測桿自身產(chǎn)生的撓度而增大測量誤差；c.利用數(shù)控機床的數(shù)控測頭直接進行測量，它檢測精度最高，但占用數(shù)控機床，費用也最高，通常用于葉片數(shù)控加工后的翼型檢測，通過專用檢測程序，校驗葉片型面的準確性。
劃檢前，先選擇測點，選擇原則為葉片較薄處和曲率半徑較大處；加密測點，測點越密，測量精度越高，測點在葉片表面呈網(wǎng)格狀分布。確定測量基準，然后采集各測點的實際數(shù)值，將所采集數(shù)據(jù)在計算機中與葉片理論翼型比較，通過反復調(diào)整，使葉片余量分布盡可能均勻。反饋各測點加工余量值，標注于葉片表面。
    確定毛坯余量后，要在葉片上劃出銑胎支撐截面線、坡口鈍邊線及加工線、葉片周邊線。
大型葉片的坡口劃檢非常關鍵，尤其上冠處坡口，厚度最大，加工余量也最多，如將坡口開成方形，勢必耗費大量工時加工坡口，因此，必須在葉片型面上劃出坡口線及鈍邊線，按線預留出足夠余量，其余鏟磨去除。上冠坡口劃線。
2.4 葉片的裝夾、找正
    葉片按截面線落在銑胎上，葉片與胎具接觸穩(wěn)固，虛弱點加支撐，通過搭焊板搭焊牢固。按照葉片上的6個基準點，3點多次組合測量，按誤差最小值的組合進行編程計算。
2.5 葉片的加工
    葉片加工分為型面、坡口、頭尾部加工及數(shù)控打標記等四部分。
型面加工用盤銑刀，分粗、精銑序。粗銑時，可加大排刀間距及切深，加冷卻液，提高加工效率，同時可使葉片充分釋放應力，防止精加工后再變形，在國內(nèi)某大型機組上，曾發(fā)生葉片經(jīng)粗銑后，工件變形達4mm左右；精銑時，加密排刀，減少切深，雖效率降低，但表面波浪度及粗糙度減小，改善過流面質(zhì)量。
    坡口加工，在數(shù)控銑頭轉(zhuǎn)角允許的情況下，盤銑刀加工可加大走刀量，一次加工到位。經(jīng)數(shù)控加工的坡口，給轉(zhuǎn)輪的最終裝配帶來方便，大大提高了裝配精度，使坡口焊量均勻。
    頭尾部加工的關鍵是其形狀的保證。曲面的形成是由加工的直線段組成而無限接近，加工中，如果無限細化直線段，勢必降低加工效率，提高成本。采用棒銑刀或球頭刀按其包絡線加工，加工成多邊形，最終按樣板修磨。
    銑削方式對切削效果有很大影響，一般多采用順銑方式，順銑切層由厚到薄，刀齒從待加工表面順利切人，刀具磨損小，并能獲得良好的表面粗糙度。另外，在銑削中加入充分的冷卻液，不但對刀具有潤滑作用，還對因不銹鋼加工導熱性差而產(chǎn)生的黏結(jié)現(xiàn)象和減輕摩擦有改善。
數(shù)控打標記主要包括在葉片型面上打出樣板截面測量基準線，以及在另外一側(cè)加工找正基準點。
2.6 葉片的修磨、拋光
    數(shù)控加工后，修磨去除數(shù)控加工過程中形成的刀花和接刀痕(即波峰、波谷)，修磨葉片的波峰，可以在每一“刀”上修1/3的面積，將葉片修光整，滿足葉片的波浪度要求。
    所用工具可選擇大功率、轉(zhuǎn)數(shù)可達8,000r/min的優(yōu)質(zhì)砂輪機，以及專用碗型砂輪片，葉片表面粗糙度全部達到1.6μm。修磨葉片的頭、尾部時，采用翼型樣板予以控制。
3 工件的檢查
3.1 葉片型線的檢查
    葉片翼型的檢查分為中間過程的局部自檢和最終的全面測量。在加工過程中，編程人員給出固定截面的出水力厚度，機床操作者可隨時進行自檢，有效防止誤走刀。葉片全數(shù)控加工后，可用檢測毛坯余量的3種手段測量葉片正、背面型線，將測量值與理論值進行比較(測量的數(shù)據(jù)點通常在波谷)。
3.2 葉片進、出水邊的檢查
    將葉片全部鏟磨合格后，葉片的出水邊在機床上用卡尺直接測量出水邊的厚度，進水邊用樣板按已有的正、背面截面線對齊，檢查葉片型線的準確性。
4 缺陷、變形處理
    鑄件缺陷是難以避免的，必須在加工前將缺陷清理干凈，少許的缺陷可在葉片最終加工后點焊處理；大量缺陷的處理要在早期未加工時進行，嚴格按補焊工藝執(zhí)行，焊前局部預熱，補焊后退火消除焊接應力。
鑄造毛坯葉片雖經(jīng)退火處理，其內(nèi)部仍存在一些殘余應力，在加工過程中，由于葉片鑄造表層被破壞，以及切削震動、切削熱等因素的影響，破壞了原有的應力平衡，使應力重新釋放，導致工件變形，在大型葉片上表現(xiàn)尤為突出，尤其在下環(huán)與出水邊交接處，翼型偏薄，極易產(chǎn)生變形，是導致出水邊余量出現(xiàn)負值的直接原因。如何控制工件變形，通過實踐與理論分析，得出幾點體會：首先，葉片必須得到好的熱處理，將鑄造產(chǎn)生的殘余應力減到最小；其次，劃檢時，整體葉片的加工余量盡可能分布均勻，當余量出現(xiàn)負值時，要進行補焊、退火處理，消除焊接應力；最后，加工時，在易變形區(qū)留少許余量，用以補償變形量。
5 結(jié)束語
    葉片數(shù)控加工技術充分體現(xiàn)了高效、精確和規(guī)范等特性，不僅給轉(zhuǎn)輪焊接帶來方便，也使轉(zhuǎn)輪整體質(zhì)量上了一個新臺階，大大增強了產(chǎn)品的競爭力。