2. 大型軸流式水輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3. 數(shù)控加工工藝方案

• 裝夾定位與夾具
  以葉片旋轉(zhuǎn)軸心線為基準(zhǔn)，在葉片輪緣上焊工藝軸衅逝，粗車法蘭端面傀铃，然后在工藝軸和法蘭端面打兩頂尖孔糕米。相應(yīng)的夾具采用兩頂尖座，一為固定頂尖座茫经，置于法蘭端巷波，另一為軸向可調(diào)頂尖座，置于輪緣上的工藝軸端卸伞。在法蘭端面標(biāo)記有葉片加工位置(相對(duì)設(shè)計(jì)位置－10°抹镊，由后述仿真加工確定)。利用夾具和標(biāo)記荤傲，借助機(jī)床的功能垮耳，找正到加工位置，確定工件零點(diǎn)遂黍，并在加工面的反面上焊拉耳终佛，采用通用的千斤頂和拉桿拉壓夾緊。該套夾具簡(jiǎn)單易行雾家，可通用于軸流式葉片加工铃彰。
  

  圖2 加工區(qū)域示意

• 加工部位與加工區(qū)域的劃分
  軸流式葉片加工部位有葉片正背面型面，進(jìn)出水邊芯咧，內(nèi)外裙邊過(guò)渡面牙捉，輪緣等。為了避免碰撞及刀具干涉等妆吱，經(jīng)過(guò)后述的仿真加工多次修改并驗(yàn)證橘凿，如圖2所示，葉片正背面各分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工啃端，其原則是在機(jī)床與工件和夾具不碰撞和干涉情況下寡络，盡量加大Ap1、As1區(qū)域以提高加工效率书尚。Ap1和As1采用φ200曲面面銑刀五軸聯(lián)動(dòng)加工衙乡，Ap2和As2采用φ125曲面面銑刀五軸聯(lián)動(dòng)加工，Ap3和As3采用φ100球頭刀3.5軸聯(lián)動(dòng)加工沐刷。進(jìn)出水邊采用φ100螺旋玉米立銑刀五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑箱歪。

  圖3 葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工用刀具

• 加工刀具
  加工葉片的刀具比一般機(jī)械加工選用刀具要考慮更多的因素。首先验柴，采用的銑刀刀盤幾何形狀要適應(yīng)曲面加工揽膏，要具有良好的切削性能及排屑和斷屑性能，并不僅要適應(yīng)于凸曲面姊宗，而且還要適用凹曲面歹朵，這對(duì)于刀具干涉是很重要的因素。在選用刀具時(shí)，不僅要根據(jù)機(jī)床的功率挠说，銑頭的轉(zhuǎn)速澡谭，葉片材質(zhì)及刀具和刀片的有關(guān)切削參數(shù)作計(jì)算，而且更進(jìn)一步要根據(jù)后述的仿真加工將其刀盤损俭、刀片及刀桿和銑頭進(jìn)行仿真和干涉檢查計(jì)算蛙奖，以進(jìn)行綜合考慮。如果刀具干涉杆兵，必須修改刀具方案及加工方法等雁仲，也就是最后確定的刀具必須在仿真和干涉檢查驗(yàn)證沒有問題后才能得知。在機(jī)床功率琐脏、銑頭轉(zhuǎn)速范圍和機(jī)床剛性足夠的條件下攒砖，在仿真加工采用不同直徑刀具進(jìn)行計(jì)算，盡量采用大直徑刀具以提高加工效率日裙。對(duì)于高壩洲葉片吹艇，經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真加工驗(yàn)證，對(duì)于Ap1和As1區(qū)域采用具有60°主偏角的4面刃的重型切削φ200曲面面銑刀昂拂，Ap3和As3采用特制的長(zhǎng)切削刃φ100球頭刀掐暮，Ap2和As2采用可大進(jìn)給切削帶8面刃圓弧刀片的φ125曲面面銑刀。進(jìn)出水邊采用可大進(jìn)刀量的φ100螺旋玉米立銑刀列序。
• 葉片測(cè)量
  葉片測(cè)量包括加工前毛坯測(cè)量和加工后型面檢測(cè)。國(guó)外采用光電經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行毛坯測(cè)量和加工后的抽檢[1]失叁。目前睹肝，我公司尚未具備這方面的條件。對(duì)于毛坯測(cè)量隐辟，我們根據(jù)毛坯鑄造技術(shù)水平画柜，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栈碰，確定加工部位的余量分布情況围杉，再根據(jù)分布情況決定從哪個(gè)程序開始加工。加工完型面后牛斥，采用三維測(cè)量技術(shù)對(duì)葉片加工后的型面進(jìn)行檢測(cè)乖粘，加工出的型面的準(zhǔn)確度很好，大大高于IEC193標(biāo)準(zhǔn)要求卡载。

4. 仿真加工與編程

1. 葉片的三維造型
   水輪機(jī)葉片的型線和型面必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的要求模擬等孵，因?yàn)檫@是要影響其流體動(dòng)力性能以致于整個(gè)機(jī)組的性能稚照，在造型時(shí)要考慮如下工程要求。

   • 將葉片曲面體合理分成多張曲面的組合俯萌，以便準(zhǔn)確模擬葉片曲面體果录；
   • 各張曲面的造型方法選擇，要能準(zhǔn)確定義和反映實(shí)際工程的要求轩苔；
   • 曲面造型的誤差控制咖雀，曲面的裁剪與延拓等曲面運(yùn)算；
   • 根據(jù)仿真加工時(shí)的工藝方案旅榨，按各張曲面的加工方法亮购，來(lái)劃分葉片各張曲面。
   軸流式水輪機(jī)葉片是由帶球面的法蘭和多張雕塑曲面組成的曲面零件秃值，不能用解析方程來(lái)定義這些曲面岔爹。如何準(zhǔn)確地采用數(shù)值方法來(lái)模擬葉片每張曲面，尤其對(duì)大型葉片哑逾，這是極為重要的旧伺。采用NURBS曲面逼近方法能準(zhǔn)確地?cái)?shù)值模擬出葉片上的每張曲面，也便于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工刀位軌跡計(jì)算軸流式葉片由具有雕塑曲面的正吹复、背面君祸，進(jìn)水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面轧愧，輪緣球面含滴，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面顷窒，輪轂和法蘭與正蛙吏、背面的過(guò)渡曲面等構(gòu)成。葉片正背面是按在圓柱坐標(biāo)系下給出的型值點(diǎn)鞋吉，編寫一個(gè)程序?qū)⑿椭迭c(diǎn)按圓柱截面讀入鸦做，并轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，轉(zhuǎn)換成CAMAND的REVPOST格式，沿圓柱截面線作LOFTED的SPLINE曲線泼诱，再按過(guò)曲線方法作出LOFT曲面坛掠，這樣作出正、背面治筒，并向輪緣和輪轂延拓曲面屉栓。按圖紙作輪緣和輪轂的球面，再用圓柱面作出法蘭軸耸袜，用輪轂球面去TRIM法蘭軸友多。按圖紙要求作法蘭與正背面的等半徑FILLET面，法蘭向進(jìn)妨宪、出水邊的變半徑FILLET面锥约，并TRIM輪轂球面，延拓葉片輪緣的正背面按圖紙作出輪緣處背面的裙邊之灼，用裙邊和葉片正侮搭、背面TRIM輪緣球面，再用輪緣球面TRIM正背面多余延拓的部分比紫，按圖紙上的進(jìn)水邊放大圖作出頭部曲面闭凡，出水邊曲面因厚度很薄，般近似作一直紋面即可蕾捣，這樣就在CAMAND上完成了軸流式葉片造型秩菩，應(yīng)注意的是，造型的目的是為了加工齐寻，在造型時(shí)必須考慮加工方法庞取，軸流式葉片的三維造型如圖5所示。
   

   圖5 軸流式葉片及轉(zhuǎn)輪的三維造型圖

2. 刀位計(jì)算和刀具干涉檢查計(jì)算及切削仿真
   首先烈瑰，根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初定加工方案(MACHININGSTRATEGY)蟋软，劃分加工區(qū)域镶摘，按CAMAND軟件定義所用刀具的幾何參數(shù)，包括刀片的幾何形狀岳守，刀盤的幾何形狀凄敢，切削刃長(zhǎng)，刀桿及連接系統(tǒng)幾何形狀等湿痢，再定義與機(jī)床有關(guān)的參數(shù)涝缝，包括一些機(jī)床特征和限制，可加工的空間范圍譬重，銑頭轉(zhuǎn)角和擺角限制及方向等拒逮，完成構(gòu)造機(jī)床配置文件。接下來(lái)各加工區(qū)域曲面特點(diǎn)，選擇不同的加工走刀控制方法計(jì)算出各區(qū)域刀位滩援，結(jié)合后述的碰撞干涉檢查栅隐，檢查區(qū)域劃分是否合理。在加工葉片型面時(shí)玩徊，選擇合理的加工走刀方向租悄，直接關(guān)系到加工效率的高低。經(jīng)過(guò)分析后写寄，決定選擇沿葉片造型的參數(shù)線作為FLOWLINE銑削加工的方向诲操，此方向葉片型面的曲率變化較小，有利于切削工藝性能改善纽材。
   對(duì)于軸流式葉片帮伙，應(yīng)根據(jù)葉片法蘭和裙邊等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)葉片進(jìn)行分區(qū)加工莲吐。在不同的區(qū)域采用不同的刀具和刀軸控制方式粟墩，以盡量提高加工效率。CAMAND軟件的曲面加工有多種靈活的刀軸控制算法稠眠，在大過(guò)流面可采用TILT方式惨槐，在葉片進(jìn)出水邊采用TANTO方式，在輪轂的過(guò)渡曲面采用ADVANCEDPROJECTION方式碱暗，在輪緣處采用CURVE/VECTORPOINTSET方式加工瘤褒。尋找到較為合理的區(qū)域劃分后，進(jìn)一步調(diào)整加工方法中的刀軸控制方式的參數(shù)杖户，進(jìn)出刀控制等主要有可能導(dǎo)致碰撞的因素再進(jìn)行刀位計(jì)算和后述的仿真檢查悲组，修調(diào)各參數(shù)。
   在進(jìn)行葉片刀位計(jì)算過(guò)程中值得注意的是包归，為了改善刀具切削條件锨推，視其加工面的曲率變化情況及刀具長(zhǎng)度，在TILT方式計(jì)算五軸聯(lián)動(dòng)刀位時(shí)公壤，給定一個(gè)2～4°左右的LEADANGLE和1～5°左右的TILTANGLE换可。在不碰撞的條件下，對(duì)刀具(刀盤和切削刃)及刀桿進(jìn)行干涉檢查厦幅。刀具干涉用VERICUT進(jìn)行圖形仿真檢查沾鳄，如有任何干涉，則反復(fù)前述各步修改可能影響的多個(gè)因素确憨，直至生成仿真時(shí)沒有干涉和碰撞的刀位译荞，并將其作為可用刀位，在此刀位和有關(guān)加工參數(shù)基礎(chǔ)上加上刀具的切削參數(shù)等再計(jì)算刀位休弃，其刀位為最終加工用刀位吞歼，供后處理生成加工代碼圈膏。
3. 機(jī)床仿真及碰撞檢查
   對(duì)于大型葉片加工，為了機(jī)床和工件的安全浆熔，進(jìn)行機(jī)床仿真以防銑頭碰撞和刀具干涉等是非常必須的本辐，加工仿真流程如圖6所示。在前已述矢匾，如仿真中發(fā)現(xiàn)碰撞和干涉懂崭，必須修改加工方案和加工方法。利用SDRC/CAMAND構(gòu)造出加工葉片所用NC銑頭〔如圖7〕区戚，根據(jù)銑頭結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系处淘，按CAMAND軟件的Simulation功能的要求定義出銑頭上的主動(dòng)軸幾何(PrimaryGeometry)和從動(dòng)軸幾何(SecondaryGeometry)，并規(guī)定第4軸和第5軸的關(guān)系挣堪。在Simulation中可采用連續(xù)或單步控制模擬加工過(guò)程中銑頭和刀桿的空間運(yùn)動(dòng)栈眉，檢查銑頭和刀桿與工件和夾具是否有碰撞和干涉(如圖8所示)。值得注意的是豁惨，5FZG機(jī)床的NC銑頭的B軸在機(jī)械上是有限制(±360°)榛架，在機(jī)床的配置文件中設(shè)置(±358°)較為安全。在連續(xù)加工時(shí)烂辟，B角積累到358°時(shí)唤鳍，用CAMAND的Windup功能使之抬刀至一安全平面，反轉(zhuǎn)并后退一步再進(jìn)刀哨叙，以免損壞刀具和劃傷已加工表面恕刘。在Simulation的仿真過(guò)程中可觀察到和真實(shí)加工時(shí)一致的銑頭的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于可能碰撞的部位抒倚，可單步向前和向后控制便于仔細(xì)觀察褐着，并可查詢各坐標(biāo)軸的值，便于分析托呕，以修改工藝方案和加工方法含蓉。機(jī)床仿真和前面已述的刀位計(jì)算及刀具干涉檢查須互相配合，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改项郊，才可計(jì)算出合理而又"放心"的刀位谴餐。

   圖6 葉片數(shù)控加工仿真流程
   圖7 機(jī)床的五軸銑頭	圖8 軸流式葉片五軸刀位及仿真
   圖9 后置處理流程

4. 后置處理及加工程序
   后置處理是將前述計(jì)算出的合理刀位轉(zhuǎn)換成特定機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)格式代碼，后處理流程如圖9所示呆抑。后處理軟件必須針對(duì)特定機(jī)床開發(fā)，包括機(jī)床配置模塊(CFG)和將刀位軌跡翻譯成特定機(jī)床代碼的模塊(PPR)汁展。對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)后處理要特別注意各坐標(biāo)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系鹊碍。
   利用CAMAND/UPP5模塊，用其定義的命令語(yǔ)言開發(fā)出專用于5FZG機(jī)床的后處理器食绿，再協(xié)同針對(duì)5FZG機(jī)床編寫的機(jī)床配置文件(MachineToolConfigurationFile)侈咕，將前述已得合理的中間刀位(ITP)進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成可控制機(jī)床的加工代碼选浅。由于5FZG機(jī)床CNC裝置零件內(nèi)存(PartMemory)容量的限制，再兼顧加工的各工步庇讥，將葉片加工程序分成多個(gè)程序尚技，如高壩洲葉片分成40多個(gè)加工程序，約5MB润沸，通過(guò)PC的RS232和Sinumerik880M的RS232串口用PCIN通信軟件進(jìn)行程序傳送潭耙。

   5. 大型軸流式葉片的數(shù)控加工

   在5FZG的固定工作臺(tái)上，按編程設(shè)定的機(jī)床毛坯加工方向安裝好夾具燥箍，吊裝葉片并找正都宅，測(cè)量工件零點(diǎn)并置于NC零偏寄存器，先用檢查程序檢查并標(biāo)記背面余量朦晋，翻轉(zhuǎn)180°再找正愧橄，用正面余量檢查程序檢查并標(biāo)記余量，如總體上有余量周狱，裝夾拉緊瘪期，然后按要求進(jìn)行檢查，達(dá)到加工要求方可開始進(jìn)行加工稿辙。加工之前應(yīng)該確認(rèn)刀具及連接系統(tǒng)的尺寸是否與編程一致昆码，因5FZG機(jī)床尚無(wú)五軸刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能。加工中先按程序加工進(jìn)出水邊邓深，然后根據(jù)余量分布情況未桥，按程序?qū)Ω骷庸^(qū)域粗銑或精銑。正面加工完后芥备，在靠輪緣的進(jìn)出水邊處銑兩小平面供加工背面輔助找正用冬耿。在正面按程序鉆檢查定位用標(biāo)記孔。然后翻轉(zhuǎn)180°找正萌壳，按類似正面加工過(guò)程加工背面亦镶。加工葉片的每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須仔細(xì)，加工出的葉片經(jīng)各項(xiàng)檢查袱瓮，完全滿足設(shè)計(jì)要求缤骨，葉片型面準(zhǔn)確度大大高于IEC193標(biāo)準(zhǔn)要求。

   6. 結(jié)束語(yǔ)

   水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)電設(shè)備制造業(yè)中的最先進(jìn)高技術(shù)之一尺借，大型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工涉及到計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品三維造型技術(shù)绊起，計(jì)算機(jī)模擬及仿真加工技術(shù)，五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床仿真及后置處理燎斩，針對(duì)葉片的合理加工工藝方案箩晦，裝夾定位技術(shù)與夾具設(shè)計(jì)與制造，加工方案配以合理的刀具和切削參數(shù)树吏，以及毛坯制造等多個(gè)環(huán)節(jié)和多方面的技術(shù)淀甘「苛福可以說(shuō)，每個(gè)環(huán)節(jié)和涉及到的技術(shù)都是新技術(shù)問題风镊。我公司有關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)不懈的艱苦努力囊叛，作了大量的基礎(chǔ)和開發(fā)工作，首次并成功地將開發(fā)的大型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)用于高壩洲電站水輪機(jī)葉片加工满颂，為國(guó)內(nèi)制造廠首次整個(gè)電站和整機(jī)葉片全套采用數(shù)控加工学蟀。從加工后的葉片測(cè)量數(shù)據(jù)分析，加工精度已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平铁厌，從加工過(guò)程來(lái)看褂苔，加工效率已接近國(guó)際先進(jìn)水平，為國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先水平惹模。該技術(shù)的開發(fā)成功贩贵，具有很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，不僅對(duì)三峽機(jī)組制造灵妨，而且對(duì)整個(gè)水輪機(jī)制造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步解阅，提高我國(guó)水電設(shè)備制造業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都有著重要的意義。

   7. 鳴謝

   在項(xiàng)目的研究和開發(fā)過(guò)程中泌霍，使用SDRC/CAMAXCAMAND軟件進(jìn)行仿真加工模擬货抄，得到精品機(jī)械公司北京辦事處楊柳先生在技術(shù)上的大力支持，在此表示感謝朱转！