水轮机叶片造型及数控铣削

　　1）数控机床的选择。从水轮机叶片形状可以看出，其主要由叶片正面曲面、背面曲面、进水边头部、出水边面、上冠面、下环面和焊接坡口组成。叶片的数控加工机床有三坐标和五坐标两种机床，据统计，三坐标机床的加工成本只是五坐标机床的1/3~1/6，因此，在加工精度允许的情况下，水轮机叶片的数控加工应尽量采用三坐标机床加工，以节约加工成本。

　　2）叶片的加工定位和装夹。由三坐标数控机床加工水轮机叶片，必须分两次装夹，才能对所有加工面进行全面加工。在两次装夹定位中，必须保证叶片的加工水平面完全重合，才能使正面加工和背面加工后两次加工面的完全吻合。由于叶片不具有可以用作定位的平面或孔，而人为地加工出工艺定位面且在第二次装夹的后续工序中又不能加以去除，将带来加工的工艺复杂性。这就要求用叶片的曲面来作定位面。但用曲面定位，定位的精度较差，且无位置可供夹紧，这就必须增加定位点，来限制自由度。为此采用在叶片的上冠边、下环边、出水边各设置一个工艺凸台，并各钻一个定位孔来与夹具的定位孔配合定位，且该凸台可在第二次装夹中加以去除。由于叶片中没有可供夹压紧位置，所以叶片在夹具定位准确后采用点焊的方法使叶片固定在夹具上，为了使加工后能较容易地去除电焊点，且保护夹具，不能直接把叶片焊接在夹具上，要采用过渡板来焊接。

　　3）粗基准的选择。数控加工的水轮机叶片通常为铸造毛坯，由于叶片的厚度和曲率变化大、无明显凝固顺序，补缩性差，易产生缩孔、疏松和扭曲变形，故叶片的铸造尺寸精度较差，在叶片上采用粗基准直接与夹具定位，则定位精度低，可能造成局部加工余量不足而产生报废。所以应选择没有铸造冒口的曲面作为粗基准，且是通过找正叶片粗基准曲面的许多定位点来进行分析余量分布均匀性而定位。

　　4）防变形措施。因叶片装夹困难，粗精加工分开将使加工成本大大增加，为此为了减少叶片在加工中的变形，粗加工后应松开压紧点，使工件的应力充分释放，再进行精加工。

3、 叶片加工的数控编程

　　1）叶片三坐标数控加工的几何形状设置。叶片的几何形状虽然是比较复杂的扭曲曲面，铸件尺寸精度差，加工余量不均匀，但粗加工如果用体积块铣削，造成空行程较多，加工效率低。除了在加工掉叶片边缘实体余量时，可按边缘形状空间走向进行设计虚拟形状的曲面进行曲面加工或用插削对其加工外，其余各加工面的粗精加工均可按仿形铣削曲面。在仿形铣削中，为了减小空行程，还应在叶片找正过程中，记录下叶片各区域的余量分布情况，然后采取改变走刀起点和方向，对较多余量的区域先进行局部加工。这样可减小空行程，以提高加工效率。

　　2）数控加工水轮机转轮叶片的工艺参数的设置及刀具选择。水轮机转轮叶片常用材料为ZG0Cr13-Ni4Mo，属马氏体不锈钢，其硬度高难加工。对于这样的材料加工特性，切削速度对切削热的产生、刀具的耐用度影响特别大。根据公式Vf=nzf（式中：Vf —进给速度，单位mm/min；n—主轴转速，单位r/min；z—刀盘齿数，单位齿；f—每齿进给量，单位mm/齿），粗加工时为了提高切削效率，又要保证刀具一定的耐用度，采用适当的切削速度，提高切削深度和每齿的进给量。精铣时，由于叶片厚度尺寸允差较大，可以尽量减小切削深度，适当提高切削速度和采用较大的每齿进给量。粗加工时，采用较大的走刀量：每齿0.6 ~0.7 mm，较小的切削速度：100 ~ 120m/min；尽量大的切削深度：3 ~ 4 mm；精加工时，采用较大的走刀量：0.7 ~ 0.8 mm，较大的切削速度：200 m/min；较小的切削深度：0.2 ~ 0.5 mm。

　　跨距的选择视曲面的曲率大小而定，且因为叶片的面积较大，用数控加工型面达到图样要求的粗糙度，还要进行细铲磨和抛光的终加工处理，加工成本高，数控粗加工后达到Ra12.5 ~ 6.3要求即可。为此粗加工时选择跨距6 ~ 10mm，精加工选择2 ~ 3 mm。根据多次铣削试验对比，综合加工成本考虑，对于加工ZG0Cr13Ni4Mo材料，选择铣刀片YBM351较为合适。刀具形状的选择：对于叶片边缘的粗加工，可选择玉米棒立铣刀，它具有较大的切深能力，切削效率高；对于叶片曲面加工，选择数控仿形铣刀进行仿形铣削，加工效率高。而用球刀虽然加工精度较高，但由于球刀的直径往往较小，加工效率较低。

　　3）曲面加工的切削定义。用Pro/TOOLMAKER加工软件，采用曲面仿形铣削的方式对叶片曲面、叶片焊接坡口、叶片出水边和叶片头部进行铣削加工，具有编程简单，加工范围、走刀起点、走刀方向等确定方便、加工安全等特点，且在编程时基本可以做到随心应手。但对于铣削叶片近似垂直面坡口或加工边缘余量时，则不适用Pro/TOOLMAKER 的仿形加工，要采用插削或用Pro/E加工软件，其切削定义时，为了使加工走刀路线从高处往下走刀切削，宜采用切削线进行切削定义。在叶片曲面精加工，采用Pro/TOOL-MAKER加工软件，由于其切削方向可以自由改变，故可容易实现切削方向沿着叶片水流的方向进行，以保证电站实际运行时，水流顺畅。仿形刀具加工路径如图5所示。

　　4）进退刀的设置。为了使刀具由浅入深切入工件，或避免刀具垂直进刀（因为R刀的端面吃深能力较小），故应对进退刀进行设置。其设置参数应根据毛坯边缘的余量和叶片边缘曲面的曲率进行灵活掌握，再根据轨迹演示进行修改，直至满意为止。

　　5）后处理。CAM过程的最终目的是生成一个数控机床可以识别的代码程序。通过CL数据的后置处理输出，生成的程序文本文件，应与所用数控机床操作系统相符，对系统不能识别的命令应进行修改，对缺失的系统必需的命令应进行补充。在使用加工程序时，应对程序进行全面检查，发现异常的程序数据应进行校对确认无误后再使用。

　　6）刀具清单的输出。用Pro/TOOLMAKER加工软件，在后处理器生成后可对多个刀具路径进行合并生成刀具清单，如图6所示，这样使操作者可直观地根据刀具清单进行机床坐标系找正，并正确选取刀具等。

4 、结束语

　　用Pro/E进行水轮机叶片的三维造型总体来说比较方便，但叶片造型中由于叶片截面有较多的限制，会使造型的叶片曲面不够光滑，且对于叶片焊接坡口的造型往往比较费时。而用Pro/TOOLMAKER 加工软件比起用Pro/E加工叶片数控编程具有较多的优点。福建南电股份有限公司通过用Pro/E进行水轮机叶片造型和数控编程，结合叶片加工工艺方案的正确选择，对数控刀具的对比选择，已取得较为成功的叶片造型和数控自动编程的经验，为水轮机叶片数控加工方法添写新的篇章。