大型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動加工技術(shù)，是表征水輪機制造水平的重要標志之一。轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機關(guān)鍵部件，其制造精度對機組的效率等水力性能有直接的影響，因此型面加工要求精度高。國內(nèi)水輪機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，但手工鏟磨的方式，不但勞動環(huán)境惡劣、勞動強度大、效率低，而且葉片型面質(zhì)量差，降低了水輪機的效率。目前，大型水輪機葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)已成為當今世界發(fā)電設(shè)備制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是當今機械加工技術(shù)中的尖端高技術(shù)。它涉及到計算機輔助產(chǎn)品的三維造型、計算機仿真模擬加工和五軸聯(lián)動CNC技術(shù)。

　　一、葉片建模

　　(1)葉片建模由葉片型面和輪轂等組成，葉片表面為光順性和連續(xù)性要求較高的自由曲面，其截面線是復雜的自由曲線，使用NX軟件CAD模塊，按照二維設(shè)計圖樣，在Z-X 平面，輸入截面數(shù)據(jù)點坐標，并擬合成封閉的樣條曲線，按其所在的截面半徑，沿Z方向拉伸成曲面，沿Y方向把樣條線投射到曲面上，作為葉片型面的一組三維截面線，如圖1所示。

　　(2)生成十條封閉的三維截面線，如圖2所示。

　　(3)通過十條截面線掃掠并生成光滑葉片型面實體，如圖3所示。

　　(4)葉片輪轂的生成。輪轂的創(chuàng)建較為簡單，先創(chuàng)建其截面線串，再利用旋轉(zhuǎn)(REVOLVE)命令對截面線串旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體，如圖4所示。

　　最后，按加工工藝對葉片型面及輪轂進行修邊、倒角等處理，創(chuàng)建葉片實體，如圖5所示。

　　二、葉片加工

　　1.葉片加工裝夾工藝

　　葉片為鑄造結(jié)構(gòu)，材料為馬氏體不銹鋼。在砂型鑄造的基礎(chǔ)上，一般表面留量5～20mm不等。裝夾工藝是非常重要的，一般用如下方式：以葉片輪轂旋轉(zhuǎn)軸心線為基準，在輪轂上焊工藝軸，粗車法蘭端面，然后在工藝軸和法蘭端面打兩頂尖孔。相應(yīng)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(diào)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。利用夾具和標記，根據(jù)葉片造型后的三維型面數(shù)據(jù)，借助機床的功能，找正加工位置，一般設(shè)在輪轂圓心處確定工件零點，并在加工面的反面上焊拉耳，采用通用的千斤頂和可調(diào)拉桿拉壓夾緊并焊接，如圖6所示。

　　2.葉片粗加工

　　(1)使用NX軟件CAM模塊，粗加工可采用三軸輪廓銑(Mill_contour)中的型腔銑(Cavity_mill)分層切削。

　　主要加工參數(shù)設(shè)置如下：刀具采用Ф63R6的粗加工面銑刀。工件零點設(shè)在輪轂圓心處，安全距離(Safe clearance distance)高于輪轂最高點20mm處。每層(Global depth per cut)2mm，步距(Stepover)3mm，零件余量(Part side stock)0.5mm。主軸轉(zhuǎn)數(shù)(Spindle speed)1500rpm，進給速率2000mmpm。 粗加工刀軌顯示如圖7所示。

　　(2) 在NX軟件中，切削仿真(Vericut)和集成仿真及驗證(IS&V)可以驗證多軸聯(lián)動加工刀具軌跡，取代試加工過程，可以直觀真實地看出刀具設(shè)計是否合理，能夠檢查出加工過程中葉片的過切與欠切，尋求最優(yōu)的加工方法和工藝方案，既可保證加工型面的準確性和葉片的質(zhì)量，有效避免實際加工中損傷工件及夾具的現(xiàn)象， 又可提高加工效率。粗加工動態(tài)仿真(verify)如圖8所示。

　　(3)后置處理(Post Builder)。后置處理是形成NC程序非常重要的一個環(huán)節(jié)，刀具位置源文件必須通過后置處理進行格式轉(zhuǎn)換，生成數(shù)控代碼格式的文件才能被數(shù)控機床接受，不同的數(shù)控系統(tǒng)具有不同的代碼格式。結(jié)合NX自帶的后處理構(gòu)造器，編制合理的后置處理文件，要把機床參數(shù)(諸如：線性軸最大行程、AC旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角范圍、G指令、M功能的設(shè)定、RTCP功能以及程序頭尾的設(shè)定等一系列信息)都一一設(shè)定好才能生成正確的、能被數(shù)控機床接受的NC代碼程序，使之能應(yīng)用于生產(chǎn)。操作員按程序單(程序名、程序路徑和刀具號等) 調(diào)入上述NC程序，葉片型面現(xiàn)場粗加工效果以及噴射切削液時，可以清晰地看到階梯痕，如圖9所示。

　　3.葉片精加工

　　(1)使用NX軟件CAM模塊，精加工可采用多軸銑(Mill_multi_axis)中的變輪廓(Variable_contour)加工。

　　主要加工參數(shù)設(shè)置如下：刀具采用Ф63R 8的4刃切削精加工面銑刀。驅(qū)動方式(Drive method)選surface area，投射矢量沿Z軸正方向，刀軸(Tool axis) 選法向于驅(qū)動面(Normal to drive)， 零件余量(Part stock)設(shè)置0mm。零件內(nèi)外公差(Tolerance)均為0.001。主軸轉(zhuǎn)數(shù)(Spindle speed)3000rpm，進速率2000mmpm。

　　通過對銑削方式和銑削參量的優(yōu)選，實現(xiàn)葉片高精、高效及低耗刀具的銑削。精加工刀軌顯示如圖10所示。

　　(2)精加工動態(tài)仿真(verify)如圖11所示。

　　(3)集成仿真及驗證(IS&V)，在NX4軟件以上版本，通過自定義或調(diào)用并編輯NX軟件庫中的各種類型機床及后置處理。可以仿真機床和零件的整個加工過程(見圖12)，綜合考慮控制器的特點和刀具配置，用動畫模擬真實機床運動，可以在機床部件、夾具、刀具零件和IPW之間檢測碰撞。通過比較加工后的零件和期望的零件來提高加工過程的質(zhì)量，由此可以避免花費昂貴和耗時的干運行(Dryruns)，從而降低成本，減少操作者的干涉。通過減少碰撞，降低機床、夾具和工件損壞風險，是優(yōu)于切削仿真(Vericut)的ISV高級仿真。

　　(4)利用中捷機床有限公司生產(chǎn)的GMB2560X五軸五聯(lián)動數(shù)控機床進行加工，配以先進的德國西門子840D數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制器。筆者在杭州一家客戶現(xiàn)場進行葉片型面精加工(見圖13)，一次裝夾完成葉片大部分切削加工，面銑刀始終垂直于工件表面(Normaltodrive)，葉片型面光潔如鏡，無需手工鏟磨拋光。有效地保證葉片加工精度，大大提高加工效率。

　　三、結(jié)束語

　　隨著我國五軸聯(lián)動數(shù)控加工工藝技術(shù)日趨成熟，我國大型水輪機制造已達到國際先進水平。葉片工藝技術(shù)的創(chuàng)新，對提高質(zhì)量、提高加工效率、降低工具費用、提高經(jīng)濟效益，效果顯著。

　　葉片的數(shù)控加工使轉(zhuǎn)輪出力效率每提高1個百分點，都對機組長期運行產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。