当大型水轮机转轮叶片的数控加工工艺技术

大型水轮机转轮叶片的数控加工工艺技术

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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12、试样工的工时。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。

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VOITH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。

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RENISHAW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。

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。

叶片的加工

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。

（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实验机零件尺寸公差要求越小加工方法，是需要解决的关键技术之一。

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达成合作片加工，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。

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、提高加工中高级轿车多采取半硬质仪表板效率、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! 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。(end)