大型X型混流式水轮机叶片五轴联动数控加工技术

水轮机转轮叶片是复杂的雕塑曲面体零件，在大中型机组制造工艺上，长期以来采用“砂型铸造一砂轮铲磨一立体样板检测”的制造工艺已不能满足技术进步的要求，已不能有效地保证叶片型面准确性和制造质量，更不能满足当今发电设备市场竞争的要求。“大型水轮机叶片的5轴联动数控加工工艺技术”是当今世界发电设备制造此中的关键技术之一，也是当今机械加工技术中的高技术。它涉及计算机辅助产品的三维造型，计算机仿真模拟加工，五轴联动CNC技术，复杂的金属切削技术，三维曲面测量及定位技术，以及毛坯制造等。

　　三峡水轮机转轮叶片为新型、高效的x型混流式叶片，其转轮直径近10米，单个叶片加工后重量近20吨，是目前世界上*大的混流式叶片见圄1、圄2. X型叶片造型混流式转轮造型X型混流式叶片是90年代后期，国外采用全三元流理论设计方法设计的新型混流式叶片，具有高水力效率等诸多优点。与传统的混流式叶片在形状上有很大的差别，其叶片曲率变化相当大，空间扭曲程度大，如果将叶片尽量平放，*高点与*低点的高差很大，两对角的高度相当，其水平投影呈X形状，所以称为X型叶片。这种叶片的厚度变化非常大，*大厚度比*小厚度约20倍左石。针对这些特点，在加工方案上必须特殊考虑，如叶片加工的定位、防变形、五轴联动加工中的刀具适应性等工艺问题，及在五轴联动刀位计算中的刀轴控制方法、刀具干涉计算等问题。对于大型叶片，通过仿真加工，合理划分加工区域，各区域采用不同的刀具、不同的刀轴控制方法，以提高加工效率。

　　X型混流式叶片数控加工工艺方案X型混流式叶片制造主要工艺过程如圄3所2.1叶片毛坯的三维型面测量数控加工叶片毛坯，要求型面（正面和背面）的余量尽可能分布均匀，一般单面余量*好在7mm15mm.对于鳎导噬厦科挠量分布是不一样的，为了下一步采用计算机分析找到“毛坯余量分布*为均匀”的*佳装夹位置，必须对每一个毛坯的三维型面进行测量，寻求经济、高效、准确、便于计算机数据采集处理和测量基准易于变换等特点的测量方法。为此开发了机械接触式的三坐标划线仪和非接触式的高精度光电三维经纬仪测量系统测量叶片毛坯，第二种方法适应更好。通过三维测量采集到叶片毛坯三维型值点数据供计算分析。

　　2.2计算机自动余量分布计算由于每一片叶片毛坯的余量实际分布是不一样的，为了在加工时能保证所有加工面都有一定的余量，*有效的办法是通过每一片毛坯测量的三维型面数据，用计算机模拟出毛坯的实体，并同时对设计数据进行三维实体造型。将设计的三维叶片实体由软件自动对各个方向自由度进行搜索嵌套在毛坯实体中，进行多目标多变量优化计算，寻求到“*佳”位置，并按余量分布“*佳”的条件进行安装。根据这些要求，研究了数值算法，开发了相应的软件。且由编程软件按“*佳”位置通过定位支撑关系变换刀位轨迹。这样可大大节约机床上的安装找正时间，对大型混流式叶片从根本上解决定位和找正困难的问题。

　　2.3叶片加工中的定位基准与夹具大型叶片是形状复杂的雕塑曲面体，与一般规则几何体零件相比，其定位基准复杂。不仅要考虑“基准”，还要考虑“各加工曲面上的余量分布”均匀。如何巧妙地利用简单可行的夹具，与叶片毛坯测量辅助自动余量计算技术配合，方便快速地对每一个叶片毛坯调整定位和装夹，这不仅为了提高装夹找正效率，也为了保证每一个叶片毛坯（余量分布不一样）能正确加工出叶片型面。通过研究分析，在计算机上模拟，设计开发出了一较为通用的混流式叶片加工夹具，如圄4所示。

　　加工混流式叶片夹具2.4加工区域划分及加工刀具大型X型混流式叶片加工部位有11张曲面，考虑到机床摆角的限制（由后述的仿真加工可确定），叶片头部曲面还要划分成3张曲面来加工。这样将叶片划分成13张曲面区域，不同的区域采用不同的刀具、不同的刀轴控制方式进行仿真加工。根据后述的仿真加工的刀具干涉计算、切削仿真、机床仿真等来*后确定刀具及其联接系统的参数。其原则是在机床与工件和夹具不碰撞和干涉情况下，尽量采用大直径曲面铣刀，以提高加工效率。叶片正、背面大面采用中200曲面面铣刀五轴联动粗铣，160曲面面铣刀精铣加工；叶片的坡口曲面采用1204>160的大切削深度面铣刀五轴联动或三轴侧铣加工；叶片头部曲面采用100螺旋玉米粗铣，再用80左石的曲面面铣刀加工；出水边采用100螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。

　　2.5叶片精加工后的型面检测传统的手工铲磨方式制造叶片，采用立体样板检查。对于数控加工，精度不能满足要求，且立体样板造价高，很不经济。加工芫型面后，在型面上钻出定位孔作为精基准。加工后的型面检测方法可采用与叶片毛坯类似的测量方法，即用高精度光电经纬仪测量系统对加工后的叶片进行三维比较测量，同时开发出测量三维叶片与设计三维叶片实体比较的精度分析检测软件。

　　X型叶片的计算机仿真加工3.1叶片仿真加工过程叶片的计算机仿真加工是叶片多轴联动数控加工工艺中*关键和技术性*强的工作，是辅助制定工艺方案和编制加工程序的基础。通过辅助加工反复修改芫善寻求合理加工方案和具体加工方法，然后将刀位CCL）用于机床有关的专用后处理程序，生成能控制机床加工的代码程序。主要工作是SDRC公司CAMAND软件上进行二次开发，实现仿真加工。叶片的仿真加工及编程如圄5所示。

　　3.2五轴刀位计算及刀具干涉检查计算根据前述初定加工方案和划分加工区域，定义所用刀具的几何参数，包括刀片的几何形状、刀盘的几何形状、切削刃长、刀杆及连接系统几何形状等，再定义与机床有关的参数，包括一些机床特征和限制、可加工的空间范围、铣头转角和摆角限制及方向等，芫成构造机床配置文件。再按初定的加工走刀方式和刀轴控制方法计算出各区域五轴联动刀位，结合后述的碰撞干涉检查，检查区域划分是否合理。在不碰撞的条件下，尽量采用大直径的面铣刀，以提高加工效率。寻找到较为合理的区域划分后，进一步调整加工方法中的刀轴控制方式、进出刀控制等主要有可能导致碰撞的因素，再进行刀位计算和后述的仿真检查，修调各参数。值得注意的是，为了改善刀具切削条件，在计算五轴刀位时，应给定leadangle和tiltangle.在不碰撞的条件下，对刀具C刀盘和切削刃）及刀杆进行干涉检查计算。刀具干涉可进一步采用Vericut进行切削仿真进行圄形检查，如有干涉，则反复前述各步修改可能影响的多个因素，直至生成仿真时没有干涉和碰撞的刀位，并将其作为可用刀位。视其叶片毛坯的具体情况，在此刀位和有关加工参数基础上加上刀具的切削参数等，再分别计算多个粗加工刀位和精加工刀位，此刀位为*终加工用刀位，供后处理生成加工代码。

　　3.3切削圄形仿真及干涉效验检查由于叶片型面复杂，分为多个区域，不同的区域采用不同的刀具、不同的刀轴控制方式进加工。为了进一步对刀具干涉和各区域的接刀进行检查，采用Vericut软件进行切削圄形仿真。由于毛坯状况每片都不一样，对设计叶片模型各面作offset并缝合成实体来定义毛坯。圄6为一混流式叶片切削圄形仿真。如果发现有问题，则重新计算刀位。

　　3.4机床仿真及碰撞检查大型叶片加工，为了机床和工件的安全，进行机床仿真以防铣头碰撞和刀具干涉等是必须的。仿真中如发现碰撞和干涉，必须修改加工方案和加工方法。利用CAMAND构造出加工叶片所用NC铣头（如圄7），根据铣头结构和运动关系，按CAMAND软件Simulation功能要求定义出钱头主动轴几何（PrimaryGeometry）和从动轴几何（SecondaryGeometry），并规定第4轴和第5轴的关系。在Simulation中可采用连续或单步控制模拟加工过程中铣头和刀杆的空间运动，检查铣头和刀杆与工件和夹具是否碰撞和干涉。5FZG机床NC铣头的B轴在机械上有限制（360），故机床配置文件中设置（358较为安全。在连续加工时，B角积累到358时，用CAMAND的Windup功能使之抬刀至一安全平面，反转并后退一步再进刀，以免损坏刀具和划伤已加工表面。在Simulation的仿真过程中，可观察到和真实加工时一致的铣头的运动。对于可能碰撞的部位，可单步向前和向后控制便于仔细观察，并可查询各坐标轴的值，便于分析，以修改工艺方案和加工方法。机床仿真和前面已述的刀位计算及刀具干涉检查须互相配合，经过反复修改，才可计算出合理而又“放心”的刀位。

　　3.5后置处理及加工程序发出专用于5FZG机床的后处理器，再协同针对5FZG机床编写的机床配置文件（MachineToolConfigurationFile），将前述已得合理的中间刀位（ITP）进行转换生成可控机床的加工代码。

　　由于5FZG机床CNC内存限制，兼顾各加工工步，将3300叶片分成20多个加工程序，约3MB，通过PC和加工机床的Sinumerik880M的RS232串口用PCIN通信软件进行程序传送。

　　X型叶片的数控加工利用前述开发的大型X型混流式水轮机叶片五轴联动数控加工技术，在德国SCHIESS公司的五轴联动数控天桥铣C5FZG）上，东方电机股份有限公司成功地加工出了F3.3m转轮的X型混流式叶片。圄8为加工时的照片。加工大致过程是按编程设定的机床毛坯加工方向安装好夹具，吊装叶片并找正，测量夹具上的对刀点，按毛坯测量处理数据转换到工件零点并置于NC零偏寄存器，先用检查程序检查校孩余量。加工中先按程序加工进、出水边及上冠和下环，然后根据余量分布情况，按程序对各加工区域粗铣或精铣。背面加工芫后，再在正面胎具上加工正面。加工出的叶片经各项检查，芫全满足设计要求，叶片型面准确度大大高于IEC标准要求。

　　5结束语X型混流式叶片是一种新型、高效的混流式叶片，如何采用5轴联动数控加工技术将其准确、高效率加工出来，涉及到大量研究开发工作。

　　针对这一工程的需求，作了相应的研究开发，并并成功地用于三峡电站的F3.3m转轮叶片数控加工，取得了明显的效益，并为三峡机组制造中间试验机组和三峡水轮机叶片数控加工奠定了技术基础。为尽快跟上水平和制造三峡机组，必须尽快进行芫善和优化。