大型混流式水轮机叶片五轴联动数控加工技术

1 引言

　　大型水轮机转轮叶片的数控加工工艺技术是表征水轮机制造达到当今世界先进水平的重要标志之一。转轮叶片是水轮机关键部件，其制造精度对机组的效率等水力性能有直接的影响，型面加工精度高，使水轮机出力效率提高一个百分点，都将带来长远和巨大的效益。叶片的数控加工涉及多方面的高新技术，国外也仅有法国阿尔斯通、挪威克瓦纳、加拿大GE、德国沃依滋、日本日立公司等对此项制造工艺成熟。由于叶片型面的数控加工对水轮机制造质量的优越性，已成为对机组订货的关键技术要求。作为世界上最大的水利枢纽工程———也是当今国际混流式水轮机单机容量最大的三峡水轮发电机组，我厂与阿尔斯通公司合作制造一期左岸工程14台中的8台机组。三峡水轮机关键部件——转轮叶片的数控加工技术对提高我国电站设备制造水平、迈入世界先进技术行列意义重大。

　　水轮机有混流式、轴流式、贯流式等几类，国内水轮机叶片制造长期采用砂型铸造，经手工铲磨成型和采用立体样板检测的工艺方法，近年来发展了叶片模压成型后铲磨、模压成型后再加工和铸造成型后数控加工的技术。手工铲磨的方式，不但劳动环境恶劣、劳动强度大、效率低，而且叶片型面质量差，降低了水轮机的效率。为实现叶片数控加工，我厂1987年从德国沃坦公司引进了五轴数控镗铣床，并从瑞士FIDIS公司引进了UKLID软件，1996年购进德国瓦德利希·柯宝公司数控龙门铣床和CAMAX软件的引进，为数控加工叶片提供了技术保证。后继专项对曲面造型、刀位计算、刀位干涉检查、叶片测量、自动找正调整和加工程序的编制、工艺装夹、加工方式和刀具系统配置等都进行了深入的研究，已具备五轴联动数控加工叶片的生产和技术能力。至今已完成了混流式天生桥、柘林、新丰江和三峡水轮机叶片及轴流式木京等水轮机叶片的加工。

2 关键技术和工艺实施

　　1) 叶片数控加工工艺流程

　　叶片数控加工工艺流程见图1。

2) 五轴联动数控编程技术

　　a. 叶片型面测量 由于浇铸毛坯分布的加工余量不一致，采用三维测量机进行毛坯的三维型面测量，选择高效、便于计算机数据采集处理和基准变换的测量方法，达到余量均布的最佳装夹位置。
　　b. 曲面造型 根据原始数据造出叶片的三维型面，满足下一步生成数控加工的代码程序。
　　c. 刀位轨迹计算 根据读入叶片造型后的三维型面数据、设定加工型面，切削参量和刀具数据，进行刀位轨迹计算。
d. 刀位轨迹仿真和刀具干涉检查 根据刀位轨迹在计算机上对图形进行模拟加工，并检查刀具干涉情况，保证真机加工时安全运行。
　　e. 后置处理 对刀位轨迹进行后置处理，生成特定机床的NC代码加工程序。

　　3) 加工工艺过程

　　a. 加工设备

　　购进德国的数控龙门铣床主机功率100kW，工作台尺寸4.5×13m，配置了目前世界功率最大的数控万能铣头，数控系统采用SIEMENS 840C，该机床具有X、Y、Z、W、U五坐标数控和A、C二旋转轴数控铣头，形成五轴联动数控加工叶片的设备条件。

　　b. 毛坯质量的控制

　　叶片为铸造结构，材料为马氏体不锈钢。将叶片进行粗磨，去除夹砂，避免损害刀具。再进行UT、MT探伤，检查缺陷状况。由于叶片铸造质量不好及余量不均，要求对叶片正、背面加工余量、周边余量控制，减少数控加工的工时。用经纬仪测量叶片正、背面加工余量，在叶片的正、背面标志测量及加工找正用的3个定位基准点并附其坐标值。并将测量数据用磁盘的形式传给下序。