水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機(jī)產(chǎn)品的關(guān)鍵零件，其制造精度直接關(guān)系到水輪機(jī)的效率和機(jī)組的運(yùn)行性能。由于水輪機(jī)葉片是由不規(guī)則的曲面組成，一般的機(jī)床走刀不能滿足其曲面切削加工，傳統(tǒng)的加工方法采用隨形機(jī)進(jìn)行鏟磨，再用布砂輪進(jìn)行拋光以達(dá)到技術(shù)要求。上世紀(jì)60 年代國外研制出數(shù)控銑床，70年代后期GE、VOTTH、ATSTON等公司陸續(xù)采用三坐標(biāo)或五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床來加工葉片，80年代末和90年代國內(nèi)的一些廠家才逐漸掌握數(shù)控技術(shù)進(jìn)行葉片加工。傳統(tǒng)的鏟磨工藝，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，噪聲和粉塵大，鏟磨出的葉片波浪度大，精度低，已不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求。越來越多的業(yè)主在水輪機(jī)產(chǎn)品制造品質(zhì)中直接提出必須采用數(shù)控加工葉片。為此掌握數(shù)控加工葉片技術(shù)，對水輪機(jī)制造廠家來說，是占領(lǐng)市場的一大法寶，是取勝的制高點(diǎn)。

1 、葉片基于Pro/E三維幾何造型

　　要實(shí)現(xiàn)葉片的數(shù)控加工（CAM），只有在準(zhǔn)確的三維造型的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。葉片是非常復(fù)雜的扭曲曲面體，而葉片二維木模圖形只提供數(shù)量有限的幾個(gè)軸截面剖面圖形、外緣尺寸和與其相交的上冠和下環(huán)流道曲線。如圖1所示的是混流式轉(zhuǎn)輪葉片圖樣斷面型線，對于圖1中葉片的A、B、C和D端點(diǎn)這種二維描述，存在著不確定性。在造型上應(yīng)掌握的原則是保證各點(diǎn)的直徑尺寸和建立的曲面光滑。根據(jù)木模圖造型后的葉片三維圖，還需根據(jù)轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)流道尺寸校對葉片與上冠和下環(huán)交截面是否吻合。對于軸流式的轉(zhuǎn)輪葉片三維造型，由于其葉片木模圖采用柱剖面（見圖2），所以在輸入葉片各點(diǎn)坐標(biāo)上也要采用柱坐標(biāo)，但因木模圖柱坐標(biāo)的尺寸是用弦長來表示的，所以應(yīng)根據(jù)半徑和弦長的尺寸進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換為角度的數(shù)據(jù)，而對于葉片的頭部尺寸，也應(yīng)對其二維尺寸進(jìn)行近似的數(shù)據(jù)的計(jì)算，轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)的尺寸。

　　在輸入木模圖坐標(biāo)尺寸后，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)連成斷面線，當(dāng)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)或個(gè)別點(diǎn)連接不夠光滑時(shí)，應(yīng)對點(diǎn)的坐標(biāo)尺寸進(jìn)行必要的修改，再用邊界混合工具建立葉片的曲面。當(dāng)應(yīng)用邊界混合工具進(jìn)行曲面造型時(shí)，某些曲面邊緣只有三條邊時(shí)，造型的曲面往往會出現(xiàn)皺折，這時(shí)應(yīng)對曲面進(jìn)行修正。在所有曲面造型成功后，對曲面進(jìn)行合并，最后進(jìn)行實(shí)體化。某些葉片特征在實(shí)體化后，還需根據(jù)葉片與上冠邊交接尺寸，對其相貫形面進(jìn)行交割。實(shí)體化后的葉片形狀如圖3所示。

　　葉片的三維圖形除了按葉片木模圖進(jìn)行造型外，還需要對其與上冠、下環(huán)（軸流式的轉(zhuǎn)輪與輪轂）的焊接坡口進(jìn)行造型。葉片的焊接坡口形狀、尺寸應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)輪焊接圖樣要求進(jìn)行，由于葉片焊接面各點(diǎn)厚度是變化的，所以其坡口造型不能用倒角工具。若用可變剖面掃描工具進(jìn)行焊接坡口的造型，坡口的角度與實(shí)際要求相差較大，因?yàn)槿~片與轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)的交截面形成的角度是變化的，而用可變掃描工具造型的葉片焊接坡口是固定角度，所以對于大部分轉(zhuǎn)輪葉片焊接坡口不能用可變掃描工具。只能建立隨焊接面角度變化的切面進(jìn)行切割，切割后的焊接坡口如圖4所示。

2、 葉片三坐標(biāo)數(shù)控加工的工件定位及夾具設(shè)計(jì)方案

　　1）數(shù)控機(jī)床的選擇。從水輪機(jī)葉片形狀可以看出，其主要由葉片正面曲面、背面曲面、進(jìn)水邊頭部、出水邊面、上冠面、下環(huán)面和焊接坡口組成。葉片的數(shù)控加工機(jī)床有三坐標(biāo)和五坐標(biāo)兩種機(jī)床，據(jù)統(tǒng)計(jì)，三坐標(biāo)機(jī)床的加工成本只是五坐標(biāo)機(jī)床的1/3~1/6，因此，在加工精度允許的情況下，水輪機(jī)葉片的數(shù)控加工應(yīng)盡量采用三坐標(biāo)機(jī)床加工，以節(jié)約加工成本。

　　2）葉片的加工定位和裝夾。由三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工水輪機(jī)葉片，必須分兩次裝夾，才能對所有加工面進(jìn)行全面加工。在兩次裝夾定位中，必須保證葉片的加工水平面完全重合，才能使正面加工和背面加工后兩次加工面的完全吻合。由于葉片不具有可以用作定位的平面或孔，而人為地加工出工藝定位面且在第二次裝夾的后續(xù)工序中又不能加以去除，將帶來加工的工藝復(fù)雜性。這就要求用葉片的曲面來作定位面。但用曲面定位，定位的精度較差，且無位置可供夾緊，這就必須增加定位點(diǎn)，來限制自由度。為此采用在葉片的上冠邊、下環(huán)邊、出水邊各設(shè)置一個(gè)工藝凸臺，并各鉆一個(gè)定位孔來與夾具的定位孔配合定位，且該凸臺可在第二次裝夾中加以去除。由于葉片中沒有可供夾壓緊位置，所以葉片在夾具定位準(zhǔn)確后采用點(diǎn)焊的方法使葉片固定在夾具上，為了使加工后能較容易地去除電焊點(diǎn)，且保護(hù)夾具，不能直接把葉片焊接在夾具上，要采用過渡板來焊接。

　　3）粗基準(zhǔn)的選擇。數(shù)控加工的水輪機(jī)葉片通常為鑄造毛坯，由于葉片的厚度和曲率變化大、無明顯凝固順序，補(bǔ)縮性差，易產(chǎn)生縮孔、疏松和扭曲變形，故葉片的鑄造尺寸精度較差，在葉片上采用粗基準(zhǔn)直接與夾具定位，則定位精度低，可能造成局部加工余量不足而產(chǎn)生報(bào)廢。所以應(yīng)選擇沒有鑄造冒口的曲面作為粗基準(zhǔn)，且是通過找正葉片粗基準(zhǔn)曲面的許多定位點(diǎn)來進(jìn)行分析余量分布均勻性而定位。

　　4）防變形措施。因葉片裝夾困難，粗精加工分開將使加工成本大大增加，為此為了減少葉片在加工中的變形，粗加工后應(yīng)松開壓緊點(diǎn)，使工件的應(yīng)力充分釋放，再進(jìn)行精加工。

3、 葉片加工的數(shù)控編程

　　1）葉片三坐標(biāo)數(shù)控加工的幾何形狀設(shè)置。葉片的幾何形狀雖然是比較復(fù)雜的扭曲曲面，鑄件尺寸精度差，加工余量不均勻，但粗加工如果用體積塊銑削，造成空行程較多，加工效率低。除了在加工掉葉片邊緣實(shí)體余量時(shí)，可按邊緣形狀空間走向進(jìn)行設(shè)計(jì)虛擬形狀的曲面進(jìn)行曲面加工或用插削對其加工外，其余各加工面的粗精加工均可按仿形銑削曲面。在仿形銑削中，為了減小空行程，還應(yīng)在葉片找正過程中，記錄下葉片各區(qū)域的余量分布情況，然后采取改變走刀起點(diǎn)和方向，對較多余量的區(qū)域先進(jìn)行局部加工。這樣可減小空行程，以提高加工效率。

　　2）數(shù)控加工水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的工藝參數(shù)的設(shè)置及刀具選擇。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片常用材料為ZG0Cr13-Ni4Mo，屬馬氏體不銹鋼，其硬度高難加工。對于這樣的材料加工特性，切削速度對切削熱的產(chǎn)生、刀具的耐用度影響特別大。根據(jù)公式Vf=nzf（式中：Vf —進(jìn)給速度，單位mm/min；n—主軸轉(zhuǎn)速，單位r/min；z—刀盤齒數(shù)，單位齒；f—每齒進(jìn)給量，單位mm/齒），粗加工時(shí)為了提高切削效率，又要保證刀具一定的耐用度，采用適當(dāng)?shù)那邢魉俣?，提高切削深度和每齒的進(jìn)給量。精銑時(shí)，由于葉片厚度尺寸允差較大，可以盡量減小切削深度，適當(dāng)提高切削速度和采用較大的每齒進(jìn)給量。粗加工時(shí)，采用較大的走刀量：每齒0.6 ~0.7 mm，較小的切削速度：100 ~ 120m/min；盡量大的切削深度：3 ~ 4 mm；精加工時(shí)，采用較大的走刀量：0.7 ~ 0.8 mm，較大的切削速度：200 m/min；較小的切削深度：0.2 ~ 0.5 mm。

　　跨距的選擇視曲面的曲率大小而定，且因?yàn)槿~片的面積較大，用數(shù)控加工型面達(dá)到圖樣要求的粗糙度，還要進(jìn)行細(xì)鏟磨和拋光的終加工處理，加工成本高，數(shù)控粗加工后達(dá)到Ra12.5 ~ 6.3要求即可。為此粗加工時(shí)選擇跨距6 ~ 10mm，精加工選擇2 ~ 3 mm。根據(jù)多次銑削試驗(yàn)對比，綜合加工成本考慮，對于加工ZG0Cr13Ni4Mo材料，選擇銑刀片YBM351較為合適。刀具形狀的選擇：對于葉片邊緣的粗加工，可選擇玉米棒立銑刀，它具有較大的切深能力，切削效率高；對于葉片曲面加工，選擇數(shù)控仿形銑刀進(jìn)行仿形銑削，加工效率高。而用球刀雖然加工精度較高，但由于球刀的直徑往往較小，加工效率較低。

　　3）曲面加工的切削定義。用Pro/TOOLMAKER加工軟件，采用曲面仿形銑削的方式對葉片曲面、葉片焊接坡口、葉片出水邊和葉片頭部進(jìn)行銑削加工，具有編程簡單，加工范圍、走刀起點(diǎn)、走刀方向等確定方便、加工安全等特點(diǎn)，且在編程時(shí)基本可以做到隨心應(yīng)手。但對于銑削葉片近似垂直面坡口或加工邊緣余量時(shí)，則不適用Pro/TOOLMAKER 的仿形加工，要采用插削或用Pro/E加工軟件，其切削定義時(shí)，為了使加工走刀路線從高處往下走刀切削，宜采用切削線進(jìn)行切削定義。在葉片曲面精加工，采用Pro/TOOL-MAKER加工軟件，由于其切削方向可以自由改變，故可容易實(shí)現(xiàn)切削方向沿著葉片水流的方向進(jìn)行，以保證電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)，水流順暢。仿形刀具加工路徑如圖5所示。

　　4）進(jìn)退刀的設(shè)置。為了使刀具由淺入深切入工件，或避免刀具垂直進(jìn)刀（因?yàn)镽刀的端面吃深能力較?。?，故應(yīng)對進(jìn)退刀進(jìn)行設(shè)置。其設(shè)置參數(shù)應(yīng)根據(jù)毛坯邊緣的余量和葉片邊緣曲面的曲率進(jìn)行靈活掌握，再根據(jù)軌跡演示進(jìn)行修改，直至滿意為止。

　　5）后處理。CAM過程的最終目的是生成一個(gè)數(shù)控機(jī)床可以識別的代碼程序。通過CL數(shù)據(jù)的后置處理輸出，生成的程序文本文件，應(yīng)與所用數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)相符，對系統(tǒng)不能識別的命令應(yīng)進(jìn)行修改，對缺失的系統(tǒng)必需的命令應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充。在使用加工程序時(shí)，應(yīng)對程序進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)異常的程序數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行校對確認(rèn)無誤后再使用。

　　6）刀具清單的輸出。用Pro/TOOLMAKER加工軟件，在后處理器生成后可對多個(gè)刀具路徑進(jìn)行合并生成刀具清單，如圖6所示，這樣使操作者可直觀地根據(jù)刀具清單進(jìn)行機(jī)床坐標(biāo)系找正，并正確選取刀具等。

4 、結(jié)束語

　　用Pro/E進(jìn)行水輪機(jī)葉片的三維造型總體來說比較方便，但葉片造型中由于葉片截面有較多的限制，會使造型的葉片曲面不夠光滑，且對于葉片焊接坡口的造型往往比較費(fèi)時(shí)。而用Pro/TOOLMAKER 加工軟件比起用Pro/E加工葉片數(shù)控編程具有較多的優(yōu)點(diǎn)。福建南電股份有限公司通過用Pro/E進(jìn)行水輪機(jī)葉片造型和數(shù)控編程，結(jié)合葉片加工工藝方案的正確選擇，對數(shù)控刀具的對比選擇，已取得較為成功的葉片造型和數(shù)控自動(dòng)編程的經(jīng)驗(yàn)，為水輪機(jī)葉片數(shù)控加工方法添寫新的篇章。