大型混流式水轮机叶片五轴联动数控技术

　　2.3 加工工艺过程

　　（1）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 84OC，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。

　　（2）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。

　　（3）叶片装夹

　　叶片外形的不规则，尤其混流式叶片是没有任何基准的自由曲面，装夹方式的研究是实施编程、加工首先要解决的问题。德国VOIT 公司对轴流式叶片采用轴外径和法兰定位、立式装夹方式，混流式叶片采用可调转向头千斤顶定位、真空吸盘夹紧方式。真空吸盘夹紧需对吸附部位磨光预处理，其系统部件占据面积大。我们研究提出采用正、背面胎具定位、焊块搭焊和螺钉把合的夹紧方式，具有经济、高效、操作简便的特点，据悉挪威GE 公司等也采用此方式。装夹定位方式对确定工件参考点、实施找正，对解决叶片正、背型面的错位这一技术难点效果良好。

　　（4）叶片的找正、测量

　　用数控机床铣轴测量装在胎具上的叶片3 个定位基准点的坐标值，并在胎具上设定参照点进行找正。采用RENIS AW测量系统，开发应用于3 维曲面的叶片测量，对加工后的叶型提供了先进的检测技术。

　　（5）工件的编程

　　应用前述编程技术，编制加工叶片正、背面，进、出水边，上冠、下环焊接坡口的程序。

　　（6）叶片的加工

图2 在五轴数控龙门铣床加工叶片 

　　叶片加工部位为正、背型面、进出水边和上下焊接坡口。使用的刀具为粗、精面铣刀、螺旋立铣刀、球头铣刀等。

　　铣削方式采用顺铣、加冷却液的铣削加工。进给方向选择沿叶片造型的参数线进给，对刀具直径和干涉的要求等铣削性能有利。

　　铣削宽度的确定与表面加工质量和加工效率互为影响，由于铣刀在法矢方向倾斜加工，加工后工件表面呈微凹弧形，每刀铣削宽度愈大，铣削残留的波峰、波谷的绝对值愈大，下序抛光工作量愈大。因此需合理确定每条程序段运行排刀的宽度。

2.4 高效数控刀具的开发应用

　　应用数控加工叶片技术其加工成本昂贵，以加工一台三峡水轮机叶片统计，加工1 片需10 天，整台份加工周期5 个月以上，数控龙门铣床价格约4千万元，工时费每小时上千元，加工费4 百多万元，提高加工效率、降低加工成本其意义特别重要，研究、开发、应用高效数控刀具和加工方法，是需要解决的关键技术之一。

　　（1）开发国产面铣刀、螺旋立铣刀

　　叶片曲面部位加工需要面铣刀，进出、水边和焊接坡口需用螺旋立铣刀。采用国外刀具价格昂贵，为适于不锈钢材料叶片加工，我们与哈尔滨理工大学、绵工工具厂合作开发研制了采用平装刀片结构、上压式夹紧方式、主偏角为75 和双正前角的面铣刀；与太原王牌工具厂合作开发研制了可换头4 刃切削，周刃配置方刀片、可转位4 次的螺旋立铣刀；与哈尔滨工量数控刀具厂进行了数控刀具系统的开发研制。

　　（2）试验优选铣刀片

　　解决不锈钢的难加工问题，关键是刀片的性能，国产刀片与国外有相当大的差距。国外刀片耐用度可达国产刀片的5 ~ 10 倍以上。经对国内株洲、自贡、上硬、陕硬等硬质合金制造厂家的9 种牌号刀片，对国外瑞典山特维克、德国瓦尔特、美国肯纳、以色列依斯卡、日立、三菱等公司的10 种牌号刀片进行大量试验，优选了性价比优良的刀片。另外与哈尔滨理工大学、绵工工具厂合作，研制开发了双层刃阶梯结构新型面铣刀，解决由于叶型加工余量不一，粗铣空行程现象。还进行了铣削参量和铣削方式的优选，实现叶片高效、低耗刀具的铣削。

3 结语

　　三峡、天生桥等水轮机叶片五轴联动数控加工成功，标志我厂、我国大型水轮机制造已达到国际先进水平。叶片工艺技术的创新，对提高质量、提高加工效率、降低工具费用，经济效益显著。叶片的数控加工使转轮出力效率每提高1 个百分点，都对机组长期运行产生巨大的经济效益，对三峡机组制造质量和进入WTO 后我国发电设备制造业进入国际市场有重要意义。