大型水渦輪機葉片五軸聯動數控加工技術
1引言

    水輪機轉輪是水輪發電機組的心臟，其轉輪葉片的制造技術和制造質量直接影響機組運行的水力性能和機組的可靠性。水輪機轉輪葉片是非常復雜的雕塑曲面體零件，在大中型機組制造工藝上，長期以來采用的"砂型鑄造─砂輪鏟磨立體樣板檢測"的制造工藝,，其生產效率非常低下，葉片型面精度難以保證，而且手工砂輪鏟磨的勞動強度大，工作環境非常惡劣，已不能滿足技術進步的要求，也不能有效地保證葉片型面準確性和制造質量，更不能滿足當今發電設備市場競爭的要求。"大型水輪機葉片的五軸聯動數控加工工藝技術"是當今世界發電設備制造業中的關鍵技術之一，也是當今機械加工技術中的尖端高技術。它涉及到計算機輔助產品的三維造型，計算機仿真模擬加工，五軸聯動CNC技術，復雜的金屬切削技術，三維曲面型面測量及定位技術，以及毛坯制造等。國外世界一流的發電設備制造公司，在80年代就開始投入了大量的人力和財力進行了大量的研究與開發，因有相當大的技術難度，現也只有個別幾家公司掌握了該技術，并極為保密，作為市場競爭的有力技術手段，也是保證水輪機水力性能的有效技術手段之一。隨著三峽工程的建設，大型水輪機葉片數控加工技術的研究與開發，也作為三峽機組制造技術中非常關鍵的項目之一，經過嚴格的評審，被納入國家自然科學基金會，機械工業發展基金會聯合資助的重大項目中的內容之一，受到兩基金會的資助，同時也是國務院三峽建設委員會委派的三峽機組攻關項目。研究開發"大型水輪機葉片五軸聯動數控加工工藝技術"，不僅對三峽機組制造，而且對整個水輪機制造行業的技術進步，提高我國水電設備制造業的市場競爭力都有著重要的意義。我公司組織了一定的人力針對大型葉片數控加工中的相關技術進行了研究與開發，并成功地用于某大型軸流式水輪機葉片（高壩洲電站）制造，為國內首次整機全采用數控加工葉片，關鍵在于成功地應用計算機仿真加工技術。

    2大型軸流式水輪機葉片的結構特點

    高壩洲機組是一個高水頭軸流式機組，其水輪機轉輪直徑為f5.8m。葉片從進水邊到出水邊扭曲度大，在葉片背面輪緣帶有外裙邊，在葉片輪轂側帶有很大的內裙邊。內裙邊在法蘭球面區為恒R（正面R265.2mm，背面R232.0mm）過渡曲面，從法蘭球面區至進、出水邊的曲面R沿空間曲線變化過渡到零。葉片法蘭至外緣直徑為f1180mm。由于該葉片與一般軸流式葉片在結構上相比有一些特殊性，正因如此，這給加工工藝和仿真加工編程造成了更大的難度。
   
     
    3數控加工工藝方案

    根據要加工葉片的結構特點及采用的5FZG龍門移動式數控機床的結構，以及葉片毛坯具體狀況仔細研究分析對比，決定采用以葉片旋轉軸線和法蘭端面作為定位基準。葉片有多張曲面需要加工，大過流面采用五軸聯動銑削加工，沿FLOWLINE（流線）"RASTER"走刀。為了解決加工過程中防機床碰撞問題，對于葉片正背面大面分區域、采用不同直徑的刀具、不同的刀軸控制方式來加工。區域的劃分原則是在不碰撞的條件下盡量采用大直徑的曲面面銑刀加工。由于機床的NC銑頭法蘭直徑為f1.23m，區域的劃分必須借助于后述的仿真加工多次模擬來決定。由于毛坯余量分布很不均勻，采用多次粗銑和一次精銑。整個加工方案必須采用仿真加工技術在計算機上仿真驗證修改完善的基礎上來制定，否則在加工中可能會出現很多預想不到的問題。

    裝夾定位與夾具
    以葉片旋轉軸心線為基準，在葉片輪緣上焊工藝軸，粗車法蘭端面，然后在工藝軸和法蘭端面打兩頂尖孔。相應的夾具采用兩頂尖座，一為固定頂尖座，置于法蘭端，另一為軸向可調頂尖座，置于輪緣上的工藝軸端。在法蘭端面標記有葉片加工位置（相對設計位置－10°，由后述仿真加工確定）。利用夾具和標記，借助機床的功能，找正到加工位置，確定工件零點，并在加工面的反面上焊拉耳，采用通用的千斤頂和拉桿拉壓夾緊。該套夾具簡單易行，可通用于軸流式葉片加工。
    
    加工部位與加工區域的劃分
    軸流式葉片加工部位有葉片正背面型面，進出水邊，內外裙邊過渡面，輪緣等。為了避免碰撞及刀具干涉等，經過后述的仿真加工多次修改并驗證，如圖2所示，葉片正背面各分為三個區域進行加工，其原則是在機床與工件和夾具不碰撞和干涉情況下，盡量加大Ap1、As1區域以提高加工效率。Ap1和As1采用φ200曲面面銑刀五軸聯動加工，Ap2和As2采用φ125曲面面銑刀五軸聯動加工，Ap3和As3采用φ100球頭刀3.5軸聯動加工。進出水邊采用φ100螺旋玉米立銑刀五軸聯動側銑。 
     
   加工刀具
    加工葉片的刀具比一般機械加工選用刀具要考慮更多的因素。首先，采用的銑刀刀盤幾何形狀要適應曲面加工，要具有良好的切削性能及排屑和斷屑性能，并不僅要適應于凸曲面，而且還要適用凹曲面，這對于刀具干涉是很重要的因素。在選用刀具時，不僅要根據機床的功率，銑頭的轉速，葉片材質及刀具和刀片的有關切削參數作計算，而且更進一步要根據后述的仿真加工將其刀盤、刀片及刀桿和銑頭進行仿真和干涉檢查計算，以進行綜合考慮。如果刀具干涉，必須修改刀具方案及加工方法等，也就是最后確定的刀具必須在仿真和干涉檢查驗證沒有問題后才能得知。在機床功率、銑頭轉速范圍和機床剛性足夠的條件下，在仿真加工采用不同直徑刀具進行計算，盡量采用大直徑刀具以提高加工效率。對于高壩洲葉片，經過計算和仿真加工驗證，對于Ap1和As1區域采用具有60°主偏角的4面刃的重型切削φ200曲面面銑刀，Ap3和As3采用特制的長切削刃φ100球頭刀，Ap2和As2采用可大進給切削帶8面刃圓弧刀片的φ125曲面面銑刀。進出水邊采用可大進刀量的φ100螺旋玉米立銑刀。
　 

    葉片測量
    葉片測量包括加工前毛坯測量和加工后型面檢測。國外采用光電經緯儀測量系統進行毛坯測量和加工后的抽檢[1]。目前，我公司尚未具備這方面的條件。對于毛坯測量，我們根據毛坯鑄造技術水平，將葉片型面法向偏置一給定值，按類似于加工方法編制檢查程序，確定加工部位的余量分布情況，再根據分布情況決定從哪個程序開始加工。加工完型面后，采用三維測量技術對葉片加工后的型面進行檢測，加工出的型面的準確度很好，大大高于IEC193標準要求。

    4仿真加工與編程

    水輪機葉片是非常復雜的雕塑曲面體，若要成功采用五軸聯動數控加工，其關鍵在于開發利用計算機仿真加工技術，這對大型葉片數控加工尤為重要，再之，這也是五軸聯動加工編程的先進技術手段。大型葉片五軸聯動數控加工的自動編程要同時考慮的問題較多，比一般的自動編程要復雜得多，必須通過計算機仿真驗證。葉片的計算機仿真加工是葉片多軸聯動數控加工工藝中最關鍵和技術性最強的工作，是輔助制定工藝方案和編制加工程序的基礎。通過仿真加工反復修改完善尋求合理加工方案和具體加工方法。主要工作是在二次開發的基礎上，用SDRC公司CAMANDCAD/CAM軟件來實現仿真加工。