水轮机转轮叶片数控加工初探

1、水轮机转轮叶片数控加工初探    1 引言水轮机转轮叶片是水轮机中最重要的一个部件，其翼型由复杂的空间曲面组成，加工制造比较困难。传统的加工方法是对铸件人工对照样板进行铲磨，不仅劳动强度大，工作环境差，而且效率低下，产品质量也难以保证。而叶片的质量好坏将直接影响到整个机组的振动、水力效率及空蚀等性能。我们设想对转轮叶片进行数控加工就能克服手工铲磨的不足，大大提高产品质量。我们通过对一片类似混流式水轮机的转轮叶片在我厂TH5632A立式加工中心上进行加工，取得了很好的效果，模拟叶片的加工步骤如下：叶片的几何造型工装的设计与加工叶片的装夹与定位加工程序的形成

2、加工程序的传递进行叶片的铣削加工后叶片的检验。2 叶片的几何造型我们引进美国Computes Vision公司的Personal Designer Revision 6.0和Personai Machinist Revision 5.0(以下简称P6.0/PM5.0)是一个图形自动编程系统，具有良好的用户开发界面，它能用NURBS(非均匀有理B样条)方法，提供精确的单一的几何模型，以及统一的曲面与实体的数据结构。利用NURBS方法能精确地表示所有二次曲线和曲面(包括圆、圆锥截面、球、柱、锥等标准的几何形状，NURBS描述的曲线、曲面具有可调参数，可以灵活地控制曲线曲面形状。我们根据水轮机转轮叶

3、片木模图提供的型值点，再将各截面(共16个截面)的型值点用NURBS曲线拟合成闭合线框，以构成曲面控制线，然后对各线框做滑顺修饰，以调整部分型值点造成的不光滑，再将各个线框按空间位置组合成一族，用NURBS曲面扫动拟合成曲面，对1-1和16-16截面以外的区域，进行曲面延拓，并用一个圆柱面与曲面求交后得到与上冠的交线边界，对曲面进行光滑修饰，NURBS曲线曲面具有局部调整而重新能够拟合的功能，施行同样的投影变换。3 叶片的装夹与定位3.1 叶片装夹的工装在叶片的数控加工中，叶片的定位和装夹十分重要，加工时，机床坐标系、工件坐标系和编程坐标系必须重合，才能精确地加工叶片，否则在加工余量不足时，很

4、难将叶片全部加工出来。为此，我们采用了用成型胎具和点定位的装夹方法，根据叶片和胎具的对应面，在同一坐标系下既编制出胎具上曲面部分的加工程序也编制出叶片曲面的加工程序，按照胎具曲面加工程序先加工好胎具，同时在胎具上预设好机床对刀位置，这样就保证了叶片在装夹后坐标系的统一。为解决毛坯在成型面上定位易产生过定位的问题，经过多次改进胎具，我们确定了以局部型面和点定位相结合的方法，用型面部分粗定位叶片，用调整各定位点使叶片和胎具最大限度地贴合，同时因叶片的出水边落在一个平面内，所以可以作为靠模基准。根据机床情形我们设为XZ平面，这样叶片就能较为准确地在胎具上定位了。用点和局部型面的胎具来装夹和使叶片定位

5、，能够快速地装夹，同时也能够局部的调整，不失为加工中小型叶片提高效率的有效途径。当一个面加工完后，另一个面的加工叶片反转180°后要装在另一个成型胎具中，此时叶片和胎具就能准确地贴合，此时的定位已成为精确定位，贴合相当准确，装夹速度也相当快。32叶片定位误差的检测叶片在装夹定位好后必须通过检测来控制定位误差，误差在允许的范围内才可进行切削，否则叶片加工余量不足，同样不能加工出来。因我们尚无在线测量系统，所以只能用简便的方法进行叶片毛坯装夹后的定位误差检测与估算，一种方法是利用叶片木模图上提供的边界上四个尖点距离轴心的位置，可以设置一虚拟轴线来确定叶片的空间位置，并将该四点的数据转换至

6、和机床坐标系一致的直角坐标系数据，形成各点定位的标准数据，然后通过坐标轴来测出四个点在装夹后的坐标值，和标准值比较后估算出叶片的定位误差，此法虽然不够精确，但在加工中通过此法多次进行检测，根据检测值调整定位点，一般都能控制定位误差2.5mm，对于毛坯的定位已大大满足了要求。第二种方法是从加工程序中将出水边和进水边处的加工程序检出，在Z轴不下到位的情形下试加工出水边和进水边，观察加工时的吃刀量并估算出编程坐标和装夹坐标的差值。该法虽不能精确测出误差值，但能对整个加工过程有个初步了解，做到心中有数，在实际加工中应用起来也十分方便灵活。该法一般都能检测控制定位误差2.5mm，能满足毛坯的定位要求。4

7、 加工程序的形成PD6/PM5提供了较为强大的数控功能，它有很强的前置处理能力和通用的后置处理功能，在叶片的几何模型完成后，确定好装夹与定位的方式，在坐标系保证一致的情况下，就可进行加工程序的设计与编制，利用PM5.0提供的三轴铣削方式，选择ISO加工方式确定好刀具(合金球头棒铣刀)、走刀方式、加工步距、加工步长、刀具转速、进给量、安全平面和刀尖轨迹或是刀心轨迹等加工工艺参数后，就能自动产生刀具轨迹，通过大屏幕显示器可以清楚地观察到动态模拟加工时的情形。对于加工轨迹PM5.0能够自动处理成一个刀位文件，送去进行后置处理而得到加工程序。ISO的加工方式是曲面参数线加工方法，其特点是切削沿曲面的参

8、数线分布，是多坐标数控加工中产生刀具轨迹的主要方法。它可使刀具沿参数化方向铣削，应用起来十分方便。5 加工程序的传递编制好的加工程序通过DNC通讯传至机床，机床就可依程序进行加工，我厂的加工中心为SIMENS 3M NC系统，配置有RS232接口，其程序存储器仅为32KB，而叶片的加工程序均比其容量大好几倍，所以要分好多次传递才能完成加工，电可将加工程序分好段，使每段成为独立的一段加工程序，在保证前后顺序衔接正确的前提下，按顺序分时将程序段送人机床程序存储器进行加工。6 加工精度及检测我们通过对试加工的叶片进行靠样板检查，正背面平均间隙为0.5m表面粗糙度为6.3µm，铲磨的叶片要求

9、靠样板的平均间隙以1.6mm为优等品，加工后的质量提高是显而易见的，但表面粗糙度仍有些低。要降低表面粗糙度得减少加工步距，而加工时间相应要延长，效率就得降低，所以应选取适宜的加工参数，既考虑加工精度，又考虑加工效率。为此，通过试加工我们确定叶片曲面加工精度以靠样板检测平均间隙应0.5mm，表面粗糙度为6.3µm，加工后铲磨来消除刀纹，提高表面粗糙度。7 总结对叶片进行数控加工能提高水轮机转轮质量甚至整机质量，但通过这次对叶片的加工，我们体会到还要在提高加工效率上下功夫，我们认为：1. 叶片加工的装夹工装对效率的影响很大，在加工中，叶片的装夹定位以及准备时间将近占整个加工时间的三分之一

10、，尽管我们通过改进采用局部型面和点定位的方式提高了装夹速度，对小批量生产非常有利，但对大型叶片运用此法是否行得通尚需进一步的研究。2. 加工余量选择得适当与否也是影响加工效率的重要因素，在叶片装夹定位相当准确的情况下，选取合适的加工余量十分重要，加工余量适宜，粗铣时可将切削速度提高，使加工效率提高。3. 机床数控系统的优劣电是影响加工精度和加工效率的一大因素，数控系统优，对数据处理速度快，机床加工时的连续性就好，加工出的工件表面质量就好，同时系统的程序存储器容量要大，否则大的加工程序分段传递要浪费很多时间。但无论如何，在数控设备上加工水轮机叶片是完全可行的，加工后的水轮机转轮质量甚至整机质量都将得