水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是復雜的雕塑曲面體零件，在大中型機組制造工藝上，長期以來采用“砂型鑄造一砂輪鏟磨一立體樣板檢測”的制造工藝已不能滿足技術(shù)進步的要求，已不能有效地保證葉片型面準確性和制造質(zhì)量，更不能滿足當今發(fā)電設(shè)備市場競爭的要求。“大型水輪機葉片的5軸聯(lián)動數(shù)控加工工藝技術(shù)”是當今世界發(fā)電設(shè)備制造此中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是當今機械加工技術(shù)中的尖端高技術(shù)。它涉及計算機輔助產(chǎn)品的三維造型，計算機仿真模擬加工，五軸聯(lián)動CNC技術(shù)，復雜的金屬切削技術(shù)，三維曲面測量及定位技術(shù)，以及毛坯制造等。
三峽水輪機轉(zhuǎn)輪葉片為新型、高效的x型混流式葉片，其轉(zhuǎn)輪直徑近10米，單個葉片加工后重量近20噸，是目前世界上*大的混流式葉片見圄1、圄2. X型葉片造型混流式轉(zhuǎn)輪造型X型混流式葉片是90年代后期，國外采用全三元流理論設(shè)計方法設(shè)計的新型混流式葉片，具有高水力效率等諸多優(yōu)點。與傳統(tǒng)的混流式葉片在形狀上有很大的差別，其葉片曲率變化相當大，空間扭曲程度大，如果將葉片盡量平放，*高點與*低點的高差很大，兩對角的高度相當，其水平投影呈X形狀，所以稱為X型葉片。這種葉片的厚度變化非常大，*大厚度比*小厚度約20倍左石。針對這些特點，在加工方案上必須特殊考慮，如葉片加工的定位、防變形、五軸聯(lián)動加工中的刀具適應性等工藝問題，及在五軸聯(lián)動刀位計算中的刀軸控制方法、刀具干涉計算等問題。對于大型葉片，通過仿真加工，合理劃分加工區(qū)域，各區(qū)域采用不同的刀具、不同的刀軸控制方法，以提高加工效率。
X型混流式葉片數(shù)控加工工藝方案X型混流式葉片制造主要工藝過程如圄3所2.1葉片毛坯的三維型面測量數(shù)控加工葉片毛坯，要求型面（正面和背面）的余量盡可能分布均勻，一般單面余量*好在7mm15mm.對于鰨導噬廈科撓量分布是不一樣的，為了下一步采用計算機分析找到“毛坯余量分布*為均勻”的*佳裝夾位置，必須對每一個毛坯的三維型面進行測量，尋求經(jīng)濟、高效、準確、便于計算機數(shù)據(jù)采集處理和測量基準易于變換等特點的測量方法。為此開發(fā)了機械接觸式的三坐標劃線儀和非接觸式的高精度光電三維經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)測量葉片毛坯，第二種方法適應更好。通過三維測量采集到葉片毛坯三維型值點數(shù)據(jù)供計算分析。
2.2計算機自動余量分布計算由于每一片葉片毛坯的余量實際分布是不一樣的，為了在加工時能保證所有加工面都有一定的余量，*有效的辦法是通過每一片毛坯測量的三維型面數(shù)據(jù)，用計算機模擬出毛坯的實體，并同時對設(shè)計數(shù)據(jù)進行三維實體造型。將設(shè)計的三維葉片實體由軟件自動對各個方向自由度進行搜索嵌套在毛坯實體中，進行多目標多變量優(yōu)化計算，尋求到“*佳”位置，并按余量分布“*佳”的條件進行安裝。根據(jù)這些要求，研究了數(shù)值算法，開發(fā)了相應的軟件。且由編程軟件按“*佳”位置通過定位支撐關(guān)系變換刀位軌跡。這樣可大大節(jié)約機床上的安裝找正時間，對大型混流式葉片從根本上解決定位和找正困難的問題。
2.3葉片加工中的定位基準與夾具大型葉片是形狀復雜的雕塑曲面體，與一般規(guī)則幾何體零件相比，其定位基準復雜。不僅要考慮“基準”，還要考慮“各加工曲面上的余量分布”均勻。如何巧妙地利用簡單可行的夾具，與葉片毛坯測量輔助自動余量計算技術(shù)配合，方便快速地對每一個葉片毛坯調(diào)整定位和裝夾，這不僅為了提高裝夾找正效率，也為了保證每一個葉片毛坯（余量分布不一樣）能正確加工出葉片型面。通過研究分析，在計算機上模擬，設(shè)計開發(fā)出了一較為通用的混流式葉片加工夾具，如圄4所示。
加工混流式葉片夾具2.4加工區(qū)域劃分及加工刀具大型X型混流式葉片加工部位有11張曲面，考慮到機床擺角的限制（由后述的仿真加工可確定），葉片頭部曲面還要劃分成3張曲面來加工。這樣將葉片劃分成13張曲面區(qū)域，不同的區(qū)域采用不同的刀具、不同的刀軸控制方式進行仿真加工。根據(jù)后述的仿真加工的刀具干涉計算、切削仿真、機床仿真等來*后確定刀具及其聯(lián)接系統(tǒng)的參數(shù)。其原則是在機床與工件和夾具不碰撞和干涉情況下，盡量采用大直徑曲面銑刀，以提高加工效率。葉片正、背面大面采用中200曲面面銑刀五軸聯(lián)動粗銑，160曲面面銑刀精銑加工；葉片的坡口曲面采用1204>160的大切削深度面銑刀五軸聯(lián)動或三軸側(cè)銑加工；葉片頭部曲面采用100螺旋玉米粗銑，再用80左石的曲面面銑刀加工；出水邊采用100螺旋玉米立銑刀五軸聯(lián)動側(cè)銑。
2.5葉片精加工后的型面檢測傳統(tǒng)的手工鏟磨方式制造葉片，采用立體樣板檢查。對于數(shù)控加工，精度不能滿足要求，且立體樣板造價高，很不經(jīng)濟。加工芫型面后，在型面上鉆出定位孔作為精基準。加工后的型面檢測方法可采用與葉片毛坯類似的測量方法，即用高精度光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)對加工后的葉片進行三維比較測量，同時開發(fā)出測量三維葉片與設(shè)計三維葉片實體比較的精度分析檢測軟件。
X型葉片的計算機仿真加工3.1葉片仿真加工過程葉片的計算機仿真加工是葉片多軸聯(lián)動數(shù)控加工工藝中*關(guān)鍵和技術(shù)性*強的工作，是輔助制定工藝方案和編制加工程序的基礎(chǔ)。通過輔助加工反復修改芫善尋求合理加工方案和具體加工方法，然后將刀位CCL）用于機床有關(guān)的專用后處理程序，生成能控制機床加工的代碼程序。主要工作是SDRC公司CAMAND軟件上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)仿真加工。葉片的仿真加工及編程如圄5所示。
3.2五軸刀位計算及刀具干涉檢查計算根據(jù)前述初定加工方案和劃分加工區(qū)域，定義所用刀具的幾何參數(shù)，包括刀片的幾何形狀、刀盤的幾何形狀、切削刃長、刀桿及連接系統(tǒng)幾何形狀等，再定義與機床有關(guān)的參數(shù)，包括一些機床特征和限制、可加工的空間范圍、銑頭轉(zhuǎn)角和擺角限制及方向等，芫成構(gòu)造機床配置文件。再按初定的加工走刀方式和刀軸控制方法計算出各區(qū)域五軸聯(lián)動刀位，結(jié)合后述的碰撞干涉檢查，檢查區(qū)域劃分是否合理。在不碰撞的條件下，盡量采用大直徑的面銑刀，以提高加工效率。尋找到較為合理的區(qū)域劃分后，進一步調(diào)整加工方法中的刀軸控制方式、進出刀控制等主要有可能導致碰撞的因素，再進行刀位計算和后述的仿真檢查，修調(diào)各參數(shù)。值得注意的是，為了改善刀具切削條件，在計算五軸刀位時，應給定leadangle和tiltangle.在不碰撞的條件下，對刀具C刀盤和切削刃）及刀桿進行干涉檢查計算。刀具干涉可進一步采用Vericut進行切削仿真進行圄形檢查，如有干涉，則反復前述各步修改可能影響的多個因素，直至生成仿真時沒有干涉和碰撞的刀位，并將其作為可用刀位。視其葉片毛坯的具體情況，在此刀位和有關(guān)加工參數(shù)基礎(chǔ)上加上刀具的切削參數(shù)等，再分別計算多個粗加工刀位和精加工刀位，此刀位為*終加工用刀位，供后處理生成加工代碼。
3.3切削圄形仿真及干涉效驗檢查由于葉片型面復雜，分為多個區(qū)域，不同的區(qū)域采用不同的刀具、不同的刀軸控制方式進加工。為了進一步對刀具干涉和各區(qū)域的接刀進行檢查，采用Vericut軟件進行切削圄形仿真。由于毛坯狀況每片都不一樣，對設(shè)計葉片模型各面作offset并縫合成實體來定義毛坯。圄6為一混流式葉片切削圄形仿真。如果發(fā)現(xiàn)有問題，則重新計算刀位。
3.4機床仿真及碰撞檢查大型葉片加工，為了機床和工件的安全，進行機床仿真以防銑頭碰撞和刀具干涉等是必須的。仿真中如發(fā)現(xiàn)碰撞和干涉，必須修改加工方案和加工方法。利用CAMAND構(gòu)造出加工葉片所用NC銑頭（如圄7），根據(jù)銑頭結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系，按CAMAND軟件Simulation功能要求定義出錢頭主動軸幾何（PrimaryGeometry）和從動軸幾何（SecondaryGeometry），并規(guī)定第4軸和第5軸的關(guān)系。在Simulation中可采用連續(xù)或單步控制模擬加工過程中銑頭和刀桿的空間運動，檢查銑頭和刀桿與工件和夾具是否碰撞和干涉。5FZG機床NC銑頭的B軸在機械上有限制（360），故機床配置文件中設(shè)置（358較為安全。在連續(xù)加工時，B角積累到358時，用CAMAND的Windup功能使之抬刀至一安全平面，反轉(zhuǎn)并后退一步再進刀，以免損壞刀具和劃傷已加工表面。在Simulation的仿真過程中，可觀察到和真實加工時一致的銑頭的運動。對于可能碰撞的部位，可單步向前和向后控制便于仔細觀察，并可查詢各坐標軸的值，便于分析，以修改工藝方案和加工方法。機床仿真和前面已述的刀位計算及刀具干涉檢查須互相配合，經(jīng)過反復修改，才可計算出合理而又“放心”的刀位。
3.5后置處理及加工程序發(fā)出專用于5FZG機床的后處理器，再協(xié)同針對5FZG機床編寫的機床配置文件（MachineToolConfigurationFile），將前述已得合理的中間刀位（ITP）進行轉(zhuǎn)換生成可控機床的加工代碼。
由于5FZG機床CNC內(nèi)存限制，兼顧各加工工步，將3300葉片分成20多個加工程序，約3MB，通過PC和加工機床的Sinumerik880M的RS232串口用PCIN通信軟件進行程序傳送。
X型葉片的數(shù)控加工利用前述開發(fā)的大型X型混流式水輪機葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，在德國SCHIESS公司的五軸聯(lián)動數(shù)控天橋銑C5FZG）上，東方電機股份有限公司成功地加工出了F3.3m轉(zhuǎn)輪的X型混流式葉片。圄8為加工時的照片。加工大致過程是按編程設(shè)定的機床毛坯加工方向安裝好夾具，吊裝葉片并找正，測量夾具上的對刀點，按毛坯測量處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到工件零點并置于NC零偏寄存器，先用檢查程序檢查校孩余量。加工中先按程序加工進、出水邊及上冠和下環(huán)，然后根據(jù)余量分布情況，按程序?qū)Ω骷庸^(qū)域粗銑或精銑。背面加工芫后，再在正面胎具上加工正面。加工出的葉片經(jīng)各項檢查，芫全滿足設(shè)計要求，葉片型面準確度大大高于IEC標準要求。
5結(jié)束語X型混流式葉片是一種新型、高效的混流式葉片，如何采用5軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)將其準確、高效率加工出來，涉及到大量研究開發(fā)工作。
針對這一工程的需求，作了相應的研究開發(fā)，并首次并成功地用于三峽電站的F3.3m轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工，取得了明顯的效益，并為三峽機組制造中間試驗機組和三峽水輪機葉片數(shù)控加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。為盡快跟上世界先進水平和制造三峽機組，必須盡快進行芫善和優(yōu)化。
