水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機產(chǎn)品的關(guān)鍵零件，其制造精度直接關(guān)系到水輪機的效率和機組的運行性能。由于水輪機葉片是由不規(guī)則的曲面組成，一般的機床走刀不能滿足其曲面切削加工，傳統(tǒng)的加工方法采用隨形機進行鏟磨，再用布砂輪進行拋光以達到技術(shù)要求。上世紀60 年代國外研制出數(shù)控銑床，70年代后期GE、VOTTH、ATSTON等公司陸續(xù)采用三坐標或五坐標數(shù)控機床來加工葉片，80年代末和90年代國內(nèi)的一些廠家才逐漸掌握數(shù)控技術(shù)進行葉片加工。傳統(tǒng)的鏟磨工藝，工人的勞動強度大，噪聲和粉塵大，鏟磨出的葉片波浪度大，精度低，已不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求。越來越多的業(yè)主在水輪機產(chǎn)品制造品質(zhì)中直接提出必須采用數(shù)控加工葉片。為此掌握數(shù)控加工葉片技術(shù)，對水輪機制造廠家來說，是占領(lǐng)市場的一大法寶，是取勝的制高點。

1 、葉片基于Pro/E三維幾何造型

　　要實現(xiàn)葉片的數(shù)控加工（CAM），只有在準確的三維造型的基礎(chǔ)上才能進行。葉片是非常復(fù)雜的扭曲曲面體，而葉片二維木模圖形只提供數(shù)量有限的幾個軸截面剖面圖形、外緣尺寸和與其相交的上冠和下環(huán)流道曲線。如圖1所示的是混流式轉(zhuǎn)輪葉片圖樣斷面型線，對于圖1中葉片的A、B、C和D端點這種二維描述，存在著不確定性。在造型上應(yīng)掌握的原則是保證各點的直徑尺寸和建立的曲面光滑。根據(jù)木模圖造型后的葉片三維圖，還需根據(jù)轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)流道尺寸校對葉片與上冠和下環(huán)交截面是否吻合。對于軸流式的轉(zhuǎn)輪葉片三維造型，由于其葉片木模圖采用柱剖面（見圖2），所以在輸入葉片各點坐標上也要采用柱坐標，但因木模圖柱坐標的尺寸是用弦長來表示的，所以應(yīng)根據(jù)半徑和弦長的尺寸進行計算轉(zhuǎn)換為角度的數(shù)據(jù)，而對于葉片的頭部尺寸，也應(yīng)對其二維尺寸進行近似的數(shù)據(jù)的計算，轉(zhuǎn)換為柱坐標的尺寸。

　　在輸入木模圖坐標尺寸后，根據(jù)坐標點連成斷面線，當曲線出現(xiàn)拐點或個別點連接不夠光滑時，應(yīng)對點的坐標尺寸進行必要的修改，再用邊界混合工具建立葉片的曲面。當應(yīng)用邊界混合工具進行曲面造型時，某些曲面邊緣只有三條邊時，造型的曲面往往會出現(xiàn)皺折，這時應(yīng)對曲面進行修正。在所有曲面造型成功后，對曲面進行合并，最后進行實體化。某些葉片特征在實體化后，還需根據(jù)葉片與上冠邊交接尺寸，對其相貫形面進行交割。實體化后的葉片形狀如圖3所示。

　　葉片的三維圖形除了按葉片木模圖進行造型外，還需要對其與上冠、下環(huán)（軸流式的轉(zhuǎn)輪與輪轂）的焊接坡口進行造型。葉片的焊接坡口形狀、尺寸應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)輪焊接圖樣要求進行，由于葉片焊接面各點厚度是變化的，所以其坡口造型不能用倒角工具。若用可變剖面掃描工具進行焊接坡口的造型，坡口的角度與實際要求相差較大，因為葉片與轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)的交截面形成的角度是變化的，而用可變掃描工具造型的葉片焊接坡口是固定角度，所以對于大部分轉(zhuǎn)輪葉片焊接坡口不能用可變掃描工具。只能建立隨焊接面角度變化的切面進行切割，切割后的焊接坡口如圖4所示。

2、 葉片三坐標數(shù)控加工的工件定位及夾具設(shè)計方案

　　1）數(shù)控機床的選擇。從水輪機葉片形狀可以看出，其主要由葉片正面曲面、背面曲面、進水邊頭部、出水邊面、上冠面、下環(huán)面和焊接坡口組成。葉片的數(shù)控加工機床有三坐標和五坐標兩種機床，據(jù)統(tǒng)計，三坐標機床的加工成本只是五坐標機床的1/3~1/6，因此，在加工精度允許的情況下，水輪機葉片的數(shù)控加工應(yīng)盡量采用三坐標機床加工，以節(jié)約加工成本。

　　2）葉片的加工定位和裝夾。由三坐標數(shù)控機床加工水輪機葉片，必須分兩次裝夾，才能對所有加工面進行全面加工。在兩次裝夾定位中，必須保證葉片的加工水平面完全重合，才能使正面加工和背面加工后兩次加工面的完全吻合。由于葉片不具有可以用作定位的平面或孔，而人為地加工出工藝定位面且在第二次裝夾的后續(xù)工序中又不能加以去除，將帶來加工的工藝復(fù)雜性。這就要求用葉片的曲面來作定位面。但用曲面定位，定位的精度較差，且無位置可供夾緊，這就必須增加定位點，來限制自由度。為此采用在葉片的上冠邊、下環(huán)邊、出水邊各設(shè)置一個工藝凸臺，并各鉆一個定位孔來與夾具的定位孔配合定位，且該凸臺可在第二次裝夾中加以去除。由于葉片中沒有可供夾壓緊位置，所以葉片在夾具定位準確后采用點焊的方法使葉片固定在夾具上，為了使加工后能較容易地去除電焊點，且保護夾具，不能直接把葉片焊接在夾具上，要采用過渡板來焊接。

　　3）粗基準的選擇。數(shù)控加工的水輪機葉片通常為鑄造毛坯，由于葉片的厚度和曲率變化大、無明顯凝固順序，補縮性差，易產(chǎn)生縮孔、疏松和扭曲變形，故葉片的鑄造尺寸精度較差，在葉片上采用粗基準直接與夾具定位，則定位精度低，可能造成局部加工余量不足而產(chǎn)生報廢。所以應(yīng)選擇沒有鑄造冒口的曲面作為粗基準，且是通過找正葉片粗基準曲面的許多定位點來進行分析余量分布均勻性而定位。

　　4）防變形措施。因葉片裝夾困難，粗精加工分開將使加工成本大大增加，為此為了減少葉片在加工中的變形，粗加工后應(yīng)松開壓緊點，使工件的應(yīng)力充分釋放，再進行精加工。

3、 葉片加工的數(shù)控編程

　　1）葉片三坐標數(shù)控加工的幾何形狀設(shè)置。葉片的幾何形狀雖然是比較復(fù)雜的扭曲曲面，鑄件尺寸精度差，加工余量不均勻，但粗加工如果用體積塊銑削，造成空行程較多，加工效率低。除了在加工掉葉片邊緣實體余量時，可按邊緣形狀空間走向進行設(shè)計虛擬形狀的曲面進行曲面加工或用插削對其加工外，其余各加工面的粗精加工均可按仿形銑削曲面。在仿形銑削中，為了減小空行程，還應(yīng)在葉片找正過程中，記錄下葉片各區(qū)域的余量分布情況，然后采取改變走刀起點和方向，對較多余量的區(qū)域先進行局部加工。這樣可減小空行程，以提高加工效率。

　　2）數(shù)控加工水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的工藝參數(shù)的設(shè)置及刀具選擇。水輪機轉(zhuǎn)輪葉片常用材料為ZG0Cr13-Ni4Mo，屬馬氏體不銹鋼，其硬度高難加工。對于這樣的材料加工特性，切削速度對切削熱的產(chǎn)生、刀具的耐用度影響特別大。根據(jù)公式Vf=nzf（式中：Vf —進給速度，單位mm/min；n—主軸轉(zhuǎn)速，單位r/min；z—刀盤齒數(shù)，單位齒；f—每齒進給量，單位mm/齒），粗加工時為了提高切削效率，又要保證刀具一定的耐用度，采用適當?shù)那邢魉俣?，提高切削深度和每齒的進給量。精銑時，由于葉片厚度尺寸允差較大，可以盡量減小切削深度，適當提高切削速度和采用較大的每齒進給量。粗加工時，采用較大的走刀量：每齒0.6 ~0.7 mm，較小的切削速度：100 ~ 120m/min；盡量大的切削深度：3 ~ 4 mm；精加工時，采用較大的走刀量：0.7 ~ 0.8 mm，較大的切削速度：200 m/min；較小的切削深度：0.2 ~ 0.5 mm。

　　跨距的選擇視曲面的曲率大小而定，且因為葉片的面積較大，用數(shù)控加工型面達到圖樣要求的粗糙度，還要進行細鏟磨和拋光的終加工處理，加工成本高，數(shù)控粗加工后達到Ra12.5 ~ 6.3要求即可。為此粗加工時選擇跨距6 ~ 10mm，精加工選擇2 ~ 3 mm。根據(jù)多次銑削試驗對比，綜合加工成本考慮，對于加工ZG0Cr13Ni4Mo材料，選擇銑刀片YBM351較為合適。刀具形狀的選擇：對于葉片邊緣的粗加工，可選擇玉米棒立銑刀，它具有較大的切深能力，切削效率高；對于葉片曲面加工，選擇數(shù)控仿形銑刀進行仿形銑削，加工效率高。而用球刀雖然加工精度較高，但由于球刀的直徑往往較小，加工效率較低。

　　3）曲面加工的切削定義。用Pro/TOOLMAKER加工軟件，采用曲面仿形銑削的方式對葉片曲面、葉片焊接坡口、葉片出水邊和葉片頭部進行銑削加工，具有編程簡單，加工范圍、走刀起點、走刀方向等確定方便、加工安全等特點，且在編程時基本可以做到隨心應(yīng)手。但對于銑削葉片近似垂直面坡口或加工邊緣余量時，則不適用Pro/TOOLMAKER 的仿形加工，要采用插削或用Pro/E加工軟件，其切削定義時，為了使加工走刀路線從高處往下走刀切削，宜采用切削線進行切削定義。在葉片曲面精加工，采用Pro/TOOL-MAKER加工軟件，由于其切削方向可以自由改變，故可容易實現(xiàn)切削方向沿著葉片水流的方向進行，以保證電站實際運行時，水流順暢。仿形刀具加工路徑如圖5所示。

　　4）進退刀的設(shè)置。為了使刀具由淺入深切入工件，或避免刀具垂直進刀（因為R刀的端面吃深能力較?。蕬?yīng)對進退刀進行設(shè)置。其設(shè)置參數(shù)應(yīng)根據(jù)毛坯邊緣的余量和葉片邊緣曲面的曲率進行靈活掌握，再根據(jù)軌跡演示進行修改，直至滿意為止。

　　5）后處理。CAM過程的最終目的是生成一個數(shù)控機床可以識別的代碼程序。通過CL數(shù)據(jù)的后置處理輸出，生成的程序文本文件，應(yīng)與所用數(shù)控機床操作系統(tǒng)相符，對系統(tǒng)不能識別的命令應(yīng)進行修改，對缺失的系統(tǒng)必需的命令應(yīng)進行補充。在使用加工程序時，應(yīng)對程序進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)異常的程序數(shù)據(jù)應(yīng)進行校對確認無誤后再使用。

　　6）刀具清單的輸出。用Pro/TOOLMAKER加工軟件，在后處理器生成后可對多個刀具路徑進行合并生成刀具清單，如圖6所示，這樣使操作者可直觀地根據(jù)刀具清單進行機床坐標系找正，并正確選取刀具等。

4 、結(jié)束語

　　用Pro/E進行水輪機葉片的三維造型總體來說比較方便，但葉片造型中由于葉片截面有較多的限制，會使造型的葉片曲面不夠光滑，且對于葉片焊接坡口的造型往往比較費時。而用Pro/TOOLMAKER 加工軟件比起用Pro/E加工葉片數(shù)控編程具有較多的優(yōu)點。福建南電股份有限公司通過用Pro/E進行水輪機葉片造型和數(shù)控編程，結(jié)合葉片加工工藝方案的正確選擇，對數(shù)控刀具的對比選擇，已取得較為成功的葉片造型和數(shù)控自動編程的經(jīng)驗，為水輪機葉片數(shù)控加工方法添寫新的篇章。