水轮机转轮叶片数控加工工艺的关键环节

　　水轮机转轮叶片是水轮机关键部件，其制造精度对机组的效率等水力性能有直接的影响，型面加工精度高，使水轮机出力效率提高一个百分点，都将带来长远和巨大的效益。由于叶片型面的数控加工对水轮机制造质量的优越性，已成为对机组订货的关键技术要求。数控加工的水轮机叶片，能够有效地保证叶片型面的加工精度及光顺性，从而提高水轮机的稳定性、效率及空化性。采用数控加工或模压结合数控加工的方法是目前国际上解决水轮机叶片加工制造最有效、最先进的方法，它是水轮机制造业的发展方向。

　　1、叶片的测量

　　1.1测量的目的

　　对叶片型面进行准确测量，是水轮机叶片数控加工中必不可少的重要环节。在加工前，必须了解叶片毛坯加工余量的分布情况，以便确定最合理的编程加工位置。所以，在加工前对叶片型面进行测量的目的主要有两个。一是将对叶片毛坯测量的数据送到计算机中，和叶片的理论造型进行比较、调整，把理论造型和毛坯型面调整到一个加工余量分布最合理的相对位置。二是在测量后的毛坯上，标定三个找正点，以便在叶片上机床装卡找正时，以这三点为基准，进行三点找正，把编程用的叶片理论造型调整到和毛坯实际加工位置完全符合于测量时调好的最合理的相对位置上进行编程加工。在加工过程中，也须用机床所配备的测量系统，对叶片加工的中间结果进行测量，以检查加工的效果及所剩余量，是否和编程时预期的效果一致。同时，也可检查加工中叶片的变形情况及叶片是否发生意外的移动，以便及时进行调整。在加工完成后，也必须用相应的测量装置对叶片的加工结果进行测量检查，以便获取加工的最终结果数据，确定其是否符合设计要求，并为下序转轮的装焊提供实际的数据依据。

　　1.2测量的原理及方法

　　水轮机叶片的主要工作面是复杂的三维雕塑曲面，对这种曲面测量的主要目的是要获取曲面上测点的实际位置到理论曲面的法向距离。要完成这种测量，一般的测量仪器是无法承担的。目前，国内外通常采用两种方法进行，一种是直接测量法，另一种是间接测量法。

　　2、机床选择

　　国内外比较先进的水轮机叶片数控加工的机床多为五轴联动数控铣床。比如德国的数控龙门铣床主机功率LOOKW，工作台尺寸4.5X13M，配置了目前世界功率最大的数控万能铣头，数控系统采用SIEMENS840C，该机床具有X、Y、Z、W、U五坐标数控和A、C二旋转轴数控铣头。

　　3、叶片的装卡找正

　　水轮机叶片是不规则的，特别是混流式叶片是没有任何基准的自由曲面，装卡找正更为困难。建议用数控机床铣轴测量装在胎具上的叶片3个定位基准点的坐标值，并在胎具上设定参照点进行找正。解决好叶片的装卡找正问题是保证叶片的加工位置和编程位置相吻合的一项重要工作。德国VOITH公司对轴流式叶片采用轴外径和法兰定位、立式装夹方式，混流式叶片采用可调转向头千斤顶定位、真空吸盘夹紧方式。真空吸盘夹紧需对吸附部位磨光预处理，其系统部件占据面积大。我们提出采用正、背面胎具定位、焊块搭焊和螺钉把合的夹紧方式，具有经济、高效、操作简便的特点，据悉挪威GE公司等也采用此方式。装夹定位方式对确定工件参考点、实施找正，对解决叶片正、背型面的错位这一技术难点效果良好。

　　3.1叶片胎卡具的设计原则

　　鉴于水轮机叶片的形状特点，叶片胎卡具的设计必须遵循下几条原则：(1)由于叶片的重量大，所以胎卡具必需有足够的强度。(2)胎卡具的支承位置必需保证叶片重心摆放稳定，叶片曲面的各个被加工部位必须在机床的有效行程之内。(3)必须有足够的支承点以确保加工时叶片不发生大的变形。把合位置牢靠。并且在把合时不易引起叶片的变形。把合位置要避免在加工时和刀具及铣头发生干涉。(4)采取减振措施尽量减少加工中的振动。(5)装卡灵活方便。

　　3.2叶片找正的原理及方法

　　到目前为止世界上所有加工水轮机叶片的厂家均采用胎具找正的方法。即把叶片放到胎具的固定位置，胎具放到机床的固定位置。这种方法的好处是一套程序加工一台机组的叶片。但由于混流式水轮机叶片形状的特殊性，这种方法找正非常困难，必须占用大量的机床时间，同时及易造成叶片翻面加工时的正、背面错位。而且作为找正基准的胎具造价极高。由于这种找正方法的第一面的找正只是一个粗找正，为保证整个叶片都能被加工到。要求毛坯余量相对大很多，这就造成叶片加工成本太高。我公司也曾经用这种方法进行装夹找正，结果造成正、背面错位，从而使加工半途而废。采用计算机自动三点找正法来解决上述找正问题。

　　4、加工刀具的选择

　　水轮机叶片通常都采用不锈钢材料制造，加工比较困难，为了保证加工的效率和质量必须选择适合的刀具进行加工。从刀具的类型上，应选择硬质合金机卡刀。这种刀具耐磨、抗冲击性能好。尺寸准确，刀片可以更换，比较适合水轮机叶片的加工。刀具形状的选择要根据加工的部位来确定。刀具的尺寸(刀具直径、刃高、刀杆长度)由被加工曲面的形状来决定。形状比较平缓、曲率小的曲面，可采用直径较大的刀具，以提高加工效率。形状起伏变化大、曲率较大的曲面。可采用直径较小的刀具，以避免刀具干涉和过切。总的原则是在不发生刀具干涉的前提下。尽量采用直径较大的刀具进行加工。对于加工余量分布很不均匀的叶片可考虑采用侧刃较高的刀具，以避免加工中，局部位置发生吃刀深度超过刃高的现象。对于被加工曲面或其他曲面和数控铣头发生干涉时，可考虑采用较长刀杆的刀具进行加工。刀具尺寸的选择可在计算机上通过模拟加工进行干涉检查予以确定。加工叶片的常用刀具有：Ø200MM、Ø160MM、Ø125MM、Ø100MM的端面铣刀，Ø63MM、Ø80MM的棒铣刀，Ø50MM的球头刀。刀片的形状可根据刀具的不同及粗铣精铣的要求采用三角形、菱形、方形、圆形等不同形状的刀片。

　　5、刀位计算

　　刀位计算的主要任务是：首先选定加工坐标系，然后用三点找正法对叶片的理论造型进行找正定位。在此基础上。以提高加工效率、保证加工精度和型面质量为原则，选定刀具、确定走刀方式和刀轴控制方式，设定走刀方向和排刀方向的精度，进行刀位轨迹的计算和刀具干涉检查，最终生成为后置处理用的刀位轨迹数据文件。