大型水轮机叶片的多轴联动数控加工编程技术

    1、 引言

    水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造转轮的优劣对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造——砂轮铲磨——立体样板检测”的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体转轮叶片的多轴数控加工成为可能,这将大大推动我国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业向着先进制造技术发展奠定基础。

    2、  大型水轮机叶片的多轴数控加工编程过程

    大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对水轮机叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图1所示。

   图1       大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程                      

    2．1 水轮机叶片的三维几何建模

    水轮机叶片是由多张雕塑体曲面组成的曲面零件，是不能用解析方程定义这些曲面的。为了满足叶片设计的流体动力学特性要求，我们采用NURBS曲面逼近方法进行曲面造型。对于混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、进水边曲面、出水边曲面、进水边头部曲面等构成；轴流式叶片由具有雕塑曲面的正、背面，进水边变圆弧半径曲面，出水边曲面，轮缘球面和柱面，轮毂和法兰球面，轮缘的裙边曲面，轮毂和法兰与正、背面的过度曲面等构成。由于叶片沿流面描述的三维坐标点数据量太大，可编写一个Grip程序读入这些三维坐标点，对于混流式叶片采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图2所示。而轴流式叶片的正、背面是按在圆柱坐标系下给出的型值点，编写一个程序将型值点按圆柱截面读入，并转换到直角坐标下，沿圆柱截面线作NURBS 曲线，然后放样（LOFT）生成叶片的正、背面曲面，在此基础上，再造型出其他曲面实现叶片的三维几何造型，如图3所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行NURBS曲面造型，并缝合成实体。                                     

    2．2 叶片加工工艺规划

    加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。水轮机叶片是非常复杂的雕塑曲面体，针对混流式水轮机叶片我们根据要加工叶片的结构和特点选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片有多张曲面组合而成,为了解决加工过程中的碰撞问题，我们可采用沿流线走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。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。叶片正背面我们选用刀具直径Φ150曲面面铣刀粗铣、Φ120曲面面铣刀精铣，叶片头部曲面采用Φ80的曲面面铣刀加工，出水边采用Φ80螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。根据后续仿真情况反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能的提高加工效率。

    2．3 叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成

    针对大型水轮机叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量组成,刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴矢量。从加工效率、表面质量和切削工艺性能来看，选择沿叶片造型的参数线作为铣削加工的方向分多次粗铣和一次精铣，然后划分加工区域，定义与机床有关的参数，根据以上所选叶片的加工部位、装夹定位方式、机床、刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、刀轴方向、进退刀方式等参数生成刀位轨迹。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑，并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和编辑刀轨。

    图2   混流式叶片三维造型           图3 轴流式叶片三维造型             

    2．4 叶片五轴联动数控加工仿真

    数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工程序，在计算机上仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工过程的安全。加工零件的NC代码在投入实际的加工之前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑曲面体，开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五轴联动数控加工的关键。在此，我们首先进行工艺系统分析，明确机床CNC系统型号、机床结构形式和尺寸、机床运动原理和机床坐标系统，用三维CAD软件建立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换成仿真软件可用的格式，然后建立刀具库，在仿真软件中新建用户文件，设置所用CNC系统，并建立机床运动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确定位，最后设置机床参数。 接下来将叶片模型变换到加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率，缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率，如在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会效益。轴流式叶片的机床加工仿真如图4所示，混流式叶片的机床加工仿真如图5所示。

    图4   轴流式叶片的机床加工仿真            图5   混流式叶片的机床加工仿真

    2．5 叶片刀位轨迹的后置处理

    后置处理使数控编程的一个重要内容，它将我们前面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床配备的数控系统，熟悉该系统的NC编程包括功能代码的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板，根据以上掌握的知识，开发定制专用后置处理器。然后将我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的NC代码。

    3、  结束语
  
    复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域知识的复杂流程，是数字化仿真及优化的过程。本文介绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术，已用于工程实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真，保证了后续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴联动数控加工的编程工具用于实际生产中。

    参考文献：
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    [3] 赖喜德·大型水轮机叶片计算机三维造型及仿真加工[D]·中国科协第三届青年学术年会论文集，中国科学技术出版社，1998.8
    [4] 赖喜德，王贞开·混流式转轮叶片三维造型及仿真技术[D]·第13次中国水电设备学术讨论会论文集，中国黑龙江出版社，1997.9
    [5] 喻道远，钟建琳，熊壮，段正澄·空间自由曲面数控编程中刀位轨迹的计算方法及存在的问题[J]·机械工业自动化1997.19（1）：21－27

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