1前言

　　大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(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)的關(guān)鍵部件，其制造質(zhì)量對(duì)機(jī)組的效率等水力性能有直接的影響。葉片的數(shù)控加工涉及多方面的高新工藝技術(shù)，國(guó)內(nèi)只有哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)和東方電機(jī)廠(chǎng)經(jīng)多年探索、引進(jìn)技術(shù)和研究開(kāi)發(fā)，掌握了這項(xiàng)技術(shù)，國(guó)外也僅有法國(guó)ALSTOM、挪威GE、加拿大GE、德國(guó)VOITH、日本日立公司等對(duì)此項(xiàng)制造工藝掌握得比較好。由于對(duì)水輪機(jī)制造質(zhì)量的要求越來(lái)越高，所以葉片的數(shù)控加工成為對(duì)機(jī)組訂貨的關(guān)鍵技術(shù)要求。特別是作為當(dāng)今國(guó)際混流式水輪機(jī)單機(jī)容量最大的、世界矚目的三峽水輪機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工提出了更高的要求，可以說(shuō)葉片數(shù)控加工對(duì)提高我國(guó)電站設(shè)備制造水平，邁人世界先進(jìn)技術(shù)行列意義重大。

2 葉片加工現(xiàn)狀

　　水輪機(jī)有混流式、軸流式、貫流式等幾種，國(guó)內(nèi)水輪機(jī)葉片制造長(zhǎng)期采用砂型鑄造，經(jīng)手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測(cè)的工藝方法，近年來(lái)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數(shù)控加工技術(shù)。手工鏟磨的方式，不但勞動(dòng)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)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。哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司較早開(kāi)始對(duì)數(shù)控加工葉片的編程、裝夾、加工、刀具和測(cè)量等方面進(jìn)行研究，并于1996年引進(jìn)了大型數(shù)控龍門(mén)銑床和相應(yīng)的CAD/CAM軟件。采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)，至今已完成了天生橋電站、柘林電站、新豐江電站混流式水輪機(jī)葉片和木京電站軸流式水輪機(jī)葉片的數(shù)控加工，并為三峽水輪機(jī)葉片的加工打下良好的基礎(chǔ)。

3 關(guān)鍵技術(shù)和工藝實(shí)施

　　3.1 葉片數(shù)控加工工藝流程

　　葉片數(shù)控加工工藝流程見(jiàn)附圖。

　　3.2五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)

　　葉片型面測(cè)量

　　由于澆鑄毛坯分布的加工余量不一致，采用三維測(cè)量機(jī)進(jìn)行毛坯的三維型面測(cè)量，選擇高效、便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理租基準(zhǔn)變換的測(cè)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(mǎn)足下一步生成數(shù)控加工的代碼程序需求。

　　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(duì)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(duì)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。

　　3.3加工工藝過(guò)程

　　加工設(shè)備

　　為實(shí)施葉片加工，購(gòu)進(jìn)德國(guó)瓦德利希·柯寶公司生產(chǎn)的PMC5500AG數(shù)控龍門(mén)銑床。機(jī)床主機(jī)功率100kW，工作臺(tái)尺寸4.5m×13m，配置了目前世界上功率最大的五軸數(shù)控萬(wàn)能銑頭，采用SIEMENSS 840C數(shù)控系統(tǒng)，并引進(jìn)了CAMAND軟件，提供了數(shù)控加工葉片的設(shè)備條件。

　　毛胚質(zhì)量的控制

　　葉片為鑄造結(jié)構(gòu)，材料為0Cr13Ni5Mo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(duì)葉片正、背面加工余量、周邊余量進(jìn)行控制，減少數(shù)控加工的工時(shí)。用經(jīng)緯儀測(cè)量葉片正、背面加工余量，在葉片的正、背面標(biāo)志測(cè)量和加工找正用的3個(gè)定位基準(zhǔn)點(diǎn)及其坐標(biāo)值，并將測(cè)量數(shù)據(jù)用磁盤(pán)的形式傳給下序。

　　葉片裝夾

　　葉片外形不規(guī)則，尤其混流式轉(zhuǎn)輪的葉片是沒(méi)有任何基準(zhǔn)的自由曲面，其裝夾方式的研究是實(shí)施編程、加工首先要解決的問(wèn)題。德國(guó)VOITH公司對(duì)軸流式轉(zhuǎn)輪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(pán)夾緊方式。真空吸盤(pán)夾緊需對(duì)吸附部位磨光預(yù)處理，另外系統(tǒng)部件占據(jù)面積大。在數(shù)控龍門(mén)銑驗(yàn)收葉片加工工藝準(zhǔn)備中，采用正、背面胎具定位、搭焊塊搭焊和螺釘把臺(tái)的夾緊方式，具有經(jīng)濟(jì)、高效、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，挪威GE公司等也采用此方式。裝夾定位方式對(duì)確定工件參考點(diǎn)，實(shí)施找正，防止葉片正、背型面錯(cuò)位影響重大。

葉片的找正、測(cè)量

　　用數(shù)控機(jī)床銑軸測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用于三維曲面的葉片測(cè)量，為加工后的葉型檢測(cè)提供了先進(jìn)的技術(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)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、插銑刀等，

　　采用順銑加冷卻液的銑削加工方式。進(jìn)給方向選擇沿葉片造型的參數(shù)線(xiàn)，對(duì)刀具直徑和干涉要求等銑削性能有利。

　　銑削寬度的確定和表面加工質(zhì)量與加工效率互為影響，由于銑刀在法向矢量方向傾斜加工，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(duì)值愈大，下序拋光工作量也就愈大。因此需合理確定每條程序段運(yùn)行排刀的寬度。

　　3.4高效數(shù)控刀具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

　　葉片數(shù)控加工成本昂貴，以柘林電站水輪機(jī)葉片加工為例．每個(gè)葉片展開(kāi)面積約10m2，需加工5天，機(jī)組共有13個(gè)葉片，整臺(tái)份加工周期兩個(gè)月以上，數(shù)控龍門(mén)銑床工時(shí)費(fèi)每小時(shí)約千元，則加工費(fèi)上百萬(wàn)元。可見(jiàn)提高加工效率、降低加工成本的意義特別重大，研究和采用高效數(shù)控刀具及加工方法，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)面銑刀

　　為適應(yīng)不銹鋼材料葉片的加工，采用平裝刀片結(jié)構(gòu)，上壓式夾緊，主偏角75。和雙正前角的刀體設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)。經(jīng)與國(guó)內(nèi)工具廠(chǎng)家合作研制成功，并形成系列。改善了不銹鋼韌性大，不易斷屑、排屑的狀況，改變了雙負(fù)前角面銑刀、不同主偏角刀片與刀體混用的不合理銑削狀況。

　　試驗(yàn)優(yōu)選銑刀片

　　解決不銹鋼難加工的問(wèn)題，刀具性能的關(guān)鍵是刀片的性能，國(guó)產(chǎn)刀片與國(guó)外有相當(dāng)大的差距。國(guó)外通過(guò)改變材料成分、采用超細(xì)晶粒、開(kāi)發(fā)刀片涂層技術(shù)、研制刀片槽型等，使硬質(zhì)合金刀片的硬度與韌性得到相當(dāng)大的改善，刀具耐用度可達(dá)國(guó)產(chǎn)刀具的十幾倍。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)株洲、自貢、上海、陜西等硬質(zhì)合金制造廠(chǎng)家的YS25、YT535、YG532、YG546、YG726、YG813、M2、P25、SC30等牌號(hào)刀片，以及對(duì)國(guó)外如瑞典山特維克4030和235、德國(guó)瓦爾特WTA51和WTL71、美國(guó)肯納K68、以色列依斯卡IC328、日立CY250和HC844、三菱UP20M和F620等刀片進(jìn)行大量的試驗(yàn)，優(yōu)選了高耐用度、高效率的刀片，滿(mǎn)足了葉片正常銑削的要求。

　　研制開(kāi)發(fā)新型面銑刀

　　為解決由于葉型加工余量不一、粗銑空行程的現(xiàn)象，與哈爾濱理工大學(xué)和國(guó)內(nèi)工具廠(chǎng)合作，研制了雙層刀片階梯刀齒結(jié)構(gòu)的面銑刀，實(shí)現(xiàn)倍量切深。

　　采用插銑加工技術(shù)

　　試驗(yàn)并購(gòu)入國(guó)外新型插銑刀，采用最新的插銑加工方式，提高進(jìn)出水邊的銑削效率。

　　螺旋立銑刀配置

　　國(guó)產(chǎn)螺旋立銑刀刀片影響切削效率，優(yōu)選國(guó)外刀片型號(hào)、牌號(hào)，配置到國(guó)產(chǎn)刀體上，提高周邊加工效率。

　　優(yōu)選銑削參量

　　切削線(xiàn)速度的選擇對(duì)不銹鋼葉片材料的加工影響較大，大切深、大進(jìn)給、高速銑削無(wú)疑有利于提高加工效率，但受刀具壽命、機(jī)床、裝夾等條件限制，需進(jìn)行銑削參量的優(yōu)選。

4 結(jié)論

　　天生橋、柘林、新豐江電站水輪機(jī)混流式葉片加工成功，標(biāo)志著哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工葉片工藝已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。葉片數(shù)控加工工藝技術(shù)的創(chuàng)新，對(duì)提高加工質(zhì)量、加工效率和降低工具費(fèi)用經(jīng)濟(jì)效益顯著。以三峽水輪機(jī)為例，葉片型面單面展開(kāi)面積約20m2，每臺(tái)15個(gè)葉片，每件毛重23t，加工周期預(yù)計(jì)5～6個(gè)月。若工藝、刀具改進(jìn)，提高效率20%，可節(jié)約工時(shí)、刀具費(fèi)用上百萬(wàn)元。葉片數(shù)控加工使轉(zhuǎn)輪出力效率每提高1個(gè)百分點(diǎn)，都將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。