水轮机叶片数控加工工艺技术研究

　　水轮 机 转 轮叶片数控加工是表征水轮机制造技术达到现代先进水平的重要标志之一。国外已普遍采用数控设备加工叶片，现有铸造毛坯或模压毛坯人工铲磨成型的工艺将逐渐被数控技术所取代。随着国内大型水轮机数控加工设备的引进，叶片数控加工技术的应用开发已势在必行。

　　数控加工叶片，一是能改善叶片表面质量，保证叶片型线更接近理论翼型，二是可以提高工件的加工效率，三是可充分降低工人的劳动强度。在转轮叶片中，混流式叶片因其曲面非常不规则、曲率变化最大等特点，导致其加工难度也最大。本文将针对混流式水轮机叶片的数控加工工艺加以详细阐述。

1 技术准备

　　1.1 数控加工设备的准备

　　在加工设备中有三轴、五轴数控锉铣床和五轴数控龙门铣床，但其加工效果及效率各有利弊。三轴数控设备因其本身的限制，仅能将叶片表面加工成沟槽状，仍需进一步人工铲磨方可达到要求，它更适合于加工翼型较为平展的轴流或贯流叶片。加工精度及效率最高的当数五轴数控设备，利用万能铣头，可以实现大面积随型切削加工，只需进行最终表面抛光即可。

　　1.2 夹具的准备

　　因加工设备的不同，叶片分卧放、立放两种工位，其装夹工具也不同，在镬床上为立放工位，在龙门铣床上可以卧放加工。立放工位的工具要配备有大型弯板，叶片支撑方式可用球头螺杆、球座配合方式;或按叶片翼型，在周边用翼型板焊接支撑，但该种装夹方式，焊点多、焊量大，叶片易产生变形;另外，因工件自重的作用，在加工过程中极易窜动，造成翼型偏差，其安全性较差。

　　卧放工位的工具为正、背面铣胎，铣胎结构较简单，稳定性较好，防止正、背面错位效果好，通用性较强。现普遍采用多截面随型支撑，或井字型截面支撑(主要用于大型叶片，如三峡叶片即为井字支撑、，数控加工截面板型线，使叶片与截面板全接触。并可在虚弱点随时加临时支撑，铣胎结构如图1所示。

　　1.3 刀具及切削参数的准备

　　叶片加工主要包括型面、坡口和进出水边的加工，其刀具也分为面铣刀、螺旋立铣刀和球头棒铣刀。水轮机叶片的材料通常为ZGOCrl3Ni5Mo,属马氏体不锈钢，该材料经正火、回火后，具有较高硬度、强度和抗氧化性能。加工特性主要有切削变形大、加工硬化倾向大、切削力大和刀片易磨损等，而对于叶片来说加工效率是重要因素，硬质合金刀片是唯一选择。以面铣刀的选择为例，首选平装、上压式夹紧刀片结构，刀片轴向、径向前角为正值，一般径向前角y;取0一30，轴向前角γ取9-15°，刀齿不等齿距分布，75°主偏角，11°刀片后角。伊斯卡公司的带PVD涂层的ZC328刀片符合上述要求，该刀片具有耐磨性能高、韧性好的特点，刀片槽型为波形刃，波形刃对不锈钢的断屑、排屑以及减小切削力有明显作用，实际应用效果良好。

　　叶片加工的刀具耐用度与切削用量之间不是单纯的函数关系，必须找出其最佳组合，即优化切削用量。经实践优选出各参量值:切削速度Vc=90m/min，每齿进给量fx=0.15-0.20 nun/z，走刀量Vf=200-250m m/min，切削深度αp=7m m。

　　1.4 数控程序的准备

　　水轮机叶片数控加工程序的编制可分曲面造型、刀位计算和后置处理三步进行。通过对多个基准点的找正、定位，将叶片余量分布情况同时读进计算机中，编程人员按软件要求计算，根据刀具、机床铣头转角和行程等因素，选定加工坐标系，在计算机中进行动态全模拟加工演示，确定走刀量，同时进行刀具干涉检测等，最终编制出叶片型面、头部、尾部和焊接坡口等加工程序。