1 引言

　　大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片加工的數(shù)控技術(shù)是表征水輪機(jī)制造達(dá)到當(dāng)今世界先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機(jī)關(guān)鍵部件，其制造精度對機(jī)組的效率等水力性能有直接的影響，型面加工精度高，使水輪機(jī)出力效率提高一個(gè)百分點(diǎn)，都將帶來長遠(yuǎn)和巨大的效益。葉片的數(shù)控加工涉及多方面的高新技術(shù)，國外也僅有法國阿爾斯通、挪威克瓦納、加拿大GE、德國沃依滋、日本日立公司等對此項(xiàng)制造工藝成熟。由于葉片型面的數(shù)控加工對水輪機(jī)制造質(zhì)量的優(yōu)越性，已成為對機(jī)組訂貨的關(guān)鍵技術(shù)要求。作為世界上最大的水利樞紐工程也是當(dāng)今國際混流式水輪機(jī)單機(jī)容量最大的三峽水輪發(fā)電機(jī)組，我廠與阿爾斯通公司合作制造一期左岸工程14臺中的8臺機(jī)組。三峽水輪機(jī)關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)控技術(shù)對提高我國電站設(shè)備制造水平、邁入世界先進(jìn)技術(shù)行列意義重大。

　　水輪機(jī)有混流式、軸流式、貫流式等幾類，國內(nèi)水輪機(jī)葉片制造長期采用砂型鑄造，經(jīng)手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測的工藝方法，近年來發(fā)展了葉片模壓成型后鏟磨、模壓成型后再加工和鑄造成型后加工的數(shù)控技術(shù)。手工鏟磨的方式，不但勞動環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大、效率低，而且葉片型面質(zhì)量差，降低了水輪機(jī)的效率。

2 關(guān)鍵數(shù)控技術(shù)和工藝實(shí)施

　　（1）葉片數(shù)控加工工藝流程

　　葉片數(shù)控加工工藝流程見圖1。

　?。?）五軸聯(lián)動數(shù)控編程數(shù)控技術(shù)

　　葉片型面測量 由于澆鑄毛坯分布的加工余量不一致，采用三維測量機(jī)進(jìn)行毛坯的三維型面測量，選擇高效、便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理和基準(zhǔn)變換的測量方法，達(dá)到余量均布的最佳裝夾位置。

　　曲面造型 根據(jù)原始數(shù)據(jù)造出葉片的三維型面，滿足下一步生成數(shù)控加工的代碼程序。

　　刀位軌跡計(jì)算 根據(jù)讀入葉片造型后的三維型面數(shù)據(jù)、設(shè)定加工型面，切削參量和刀具數(shù)據(jù)，進(jìn)行刀位軌跡計(jì)算。

　　刀位軌跡仿真和刀具干涉檢查 根據(jù)刀位軌跡在計(jì)算機(jī)上對圖形進(jìn)行模擬加工，并檢查刀具干涉情況，保證真機(jī)加工時(shí)安全運(yùn)行。

　　后置處理 對刀位軌跡進(jìn)行后置處理，生成特定機(jī)床的NC代碼加工程序。

（3）加工工藝過程

　　加工設(shè)備

　　購進(jìn)德國的數(shù)控龍門銑床主機(jī)功率100kW，工作臺尺寸4.513m，配置了目前世界功率最大的數(shù)控萬能銑頭，數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS 840C，該機(jī)床具有X、Y、Z、W、U五坐標(biāo)數(shù)控和A、C二旋轉(zhuǎn)軸數(shù)控銑頭，形成五軸聯(lián)動數(shù)控加工葉片的設(shè)備條件。

　　毛坯質(zhì)量的控制

　　葉片為鑄造結(jié)構(gòu)，材料為馬氏體不銹鋼。將葉片進(jìn)行粗磨，去除夾砂，避免損害刀具。再進(jìn)行UT、MT探傷，檢查缺陷狀況。由于葉片鑄造質(zhì)量不好及余量不均，要求對葉片正、背面加工余量、周邊余量控制，減少數(shù)控加工的工時(shí)。用經(jīng)緯儀測量葉片正、背面加工余量，在葉片的正、背面標(biāo)志測量及加工找正用的3個(gè)定位基準(zhǔn)點(diǎn)并附其坐標(biāo)值。并將測量數(shù)據(jù)用磁盤的形式傳給下序。

　　葉片裝夾

　　葉片外形的不規(guī)則，尤其混流式葉片是沒有任何基準(zhǔn)的自由曲面，裝夾方式的研究是實(shí)施編程、加工首先要解決的問題。德國VOITH公司對軸流式葉片采用軸外徑和法蘭定位、立式裝夾方式，混流式葉片采用可調(diào)轉(zhuǎn)向頭千斤頂定位、真空吸盤夾緊方式。真空吸盤夾緊需對吸附部位磨光預(yù)處理，其系統(tǒng)部件占據(jù)面積大。我們研究提出采用正、背面胎具定位、焊塊搭焊和螺釘把合的夾緊方式，具有經(jīng)濟(jì)、高效、操作簡便的特點(diǎn)，據(jù)悉挪威GE公司等也采用此方式。裝夾定位方式對確定工件參考點(diǎn)、實(shí)施找正，對解決葉片正、背型面的錯位這一技術(shù)難點(diǎn)效果良好。

　　葉片的找正、測量

　　用數(shù)控機(jī)床銑軸測量裝在胎具上的葉片3個(gè)定位基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，并在胎具上設(shè)定參照點(diǎn)進(jìn)行找正。采用RENISHAW測量系統(tǒng)，開發(fā)應(yīng)用于3維曲面的葉片測量，對加工后的葉型提供了先進(jìn)的檢測技術(shù)。

　　工件的編程

　　應(yīng)用前述編程技術(shù)，編制加工葉片正、背面，進(jìn)、出水邊，上冠、下環(huán)焊接坡口的程序。

　　葉片的加工

　　葉片加工部位為正、背型面、進(jìn)出水邊和上下焊接坡口。使用的刀具為粗、精面銑刀、螺旋立銑刀、球頭銑刀等。

銑削方式采用順銑、加冷卻液的銑削加工。進(jìn)給方向選擇沿葉片造型的參數(shù)線進(jìn)給，對刀具直徑和干涉的要求等銑削性能有利。

　　銑削寬度的確定與表面加工質(zhì)量和加工效率互為影響，由于銑刀在法矢方向傾斜加工，加工后工件表面呈微凹弧形，每刀銑削寬度愈大，銑削殘留的波峰、波谷的絕對值愈大，下序拋光工作量愈大。因此需合理確定每條程序段運(yùn)行排刀的寬度。

　　（4）高效數(shù)控刀具的開發(fā)應(yīng)用

　　應(yīng)用數(shù)控加工葉片技術(shù)其加工成本昂貴，以加工一臺三峽水輪機(jī)葉片統(tǒng)計(jì)，加工1片需10天，整臺份加工周期5個(gè)月以上，數(shù)控龍門銑床價(jià)格約4千萬元，工時(shí)費(fèi)每小時(shí)上千元，加工費(fèi)4百多萬元，提高加工效率、降低加工成本其意義特別重要，研究、開發(fā)、應(yīng)用高效數(shù)控刀具和加工方法，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　開發(fā)國產(chǎn)面銑刀、螺旋立銑刀

　　葉片曲面部位加工需要面銑刀，進(jìn)出、水邊和焊接坡口需用螺旋立銑刀。采用國外刀具價(jià)格昂貴，為適于不銹鋼材料葉片加工，我們與哈爾濱理工大學(xué)、綿工工具廠合作開發(fā)研制了采用平裝刀片結(jié)構(gòu)、上壓式夾緊方式、主偏角為75°和雙正前角的面銑刀；與太原王牌工具廠合作開發(fā)研制了可換頭4刃切削，周刃配置方刀片、可轉(zhuǎn)位4次的螺旋立銑刀；與哈爾濱工量數(shù)控刀具廠進(jìn)行了數(shù)控刀具系統(tǒng)的開發(fā)研制。

　　試驗(yàn)優(yōu)選銑刀片

　　解決不銹鋼的難加工問題，關(guān)鍵是刀片的性能，國產(chǎn)刀片與國外有相當(dāng)大的差距。國外刀片耐用度可達(dá)國產(chǎn)刀片的5～10倍以上。經(jīng)對國內(nèi)株洲、自貢、上硬、陜硬等硬質(zhì)合金制造廠家的9種牌號刀片，對國外瑞典山特維克、德國瓦爾特、美國肯納、以色列依斯卡、日立、三菱等公司的10種牌號刀片進(jìn)行大量試驗(yàn)，優(yōu)選了性價(jià)比優(yōu)良的刀片。

3 結(jié)語

　　三峽、天生橋等水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加成功，標(biāo)志我廠、我國大型水輪機(jī)制造已達(dá)到國際先進(jìn)水平。葉片工藝技術(shù)的創(chuàng)新，對提高質(zhì)量、提高加工效率、降低工具費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。