1 引言

　　大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)控加工工藝技術(shù)是表征水輪機(jī)制造達(dá)到當(dāng)今世界先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機(jī)關(guān)鍵部件，其制造精度對(duì)機(jī)組的效率等水力性能有直接的影響，型面加工精度高，使水輪機(jī)出力效率提高一個(gè)百分點(diǎn)，都將帶來長(zhǎng)遠(yuǎn)和巨大的效益。葉片的數(shù)控加工涉及多方面的高新技術(shù)，國(guó)外也僅有法國(guó)阿爾斯通、挪威克瓦納、加拿大GE、德國(guó)沃依滋、日本日立公司等對(duì)此項(xiàng)制造工藝成熟。由于葉片型面的數(shù)控加工對(duì)水輪機(jī)制造質(zhì)量的優(yōu)越性，已成為對(duì)機(jī)組訂貨的關(guān)鍵技術(shù)要求。作為世界上最大的水利樞紐工程也是當(dāng)今國(guó)際混流式水輪機(jī)單機(jī)容量最大的三峽水輪發(fā)電機(jī)組，我廠與阿爾斯通公司合作制造一期左岸工程14 臺(tái)中的8 臺(tái)機(jī)組。三峽水輪機(jī)關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)控加工技術(shù)對(duì)提高我國(guó)電站設(shè)備制造水平、邁入世界先進(jìn)技術(shù)行列意義重大。

　　水輪機(jī)有混流式、軸流式、貫流式等幾類，國(guó)內(nèi)水輪機(jī)葉片制造長(zhǎng)期采用砂型鑄造，經(jīng)手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測(cè)的工藝方法，近年來發(fā)展了葉片模壓成型后鏟磨、模壓成型后再加工和鑄造成型后數(shù)控加工的技術(shù)。手工鏟磨的方式，不但勞動(dòng)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且葉片型面質(zhì)量差，降低了水輪機(jī)的效率。為實(shí)現(xiàn)葉片數(shù)控加工，我廠1987 年從德國(guó)沃坦公司引進(jìn)了五軸數(shù)控鏜銑床，并從瑞士FIDIS 公司引進(jìn)了UKLID 軟件，l996 年購(gòu)進(jìn)德國(guó)瓦德利希柯寶公司數(shù)控龍門銑床和CAMAX軟件的引進(jìn)，為數(shù)控加工葉片提供了技術(shù)保證。后繼專項(xiàng)對(duì)曲面造型、刀位計(jì)算、刀位干涉檢查、葉片測(cè)量、自動(dòng)找正調(diào)整和加工程序的編制、工藝裝夾、加工方式和刀具系統(tǒng)配置等都進(jìn)行了深入的研究，已具備五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工葉片的生產(chǎn)和技術(shù)能力。至今已完成了混流式天生橋、柘林、新豐江和三峽水輪機(jī)葉片及軸流式木京等水輪機(jī)葉片的加工。

2 關(guān)鍵技術(shù)和工藝實(shí)施

　　2.1 葉片數(shù)控加工工藝流程

　　2.2 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)

　　（1）葉片型面測(cè)量

　　由于澆鑄毛坯分布的加工余量不一致，采用三維測(cè)量機(jī)進(jìn)行毛坯的三維型面測(cè)量，選擇高效、便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理和基準(zhǔn)變換的測(cè)量方法，達(dá)到余量均布的最佳裝夾位置。

　　（2）曲面造型根據(jù)原始數(shù)據(jù)造出葉片的三維型面，滿足下一步生成數(shù)控加工的代碼程序。

　　（3）刀位軌跡計(jì)算根據(jù)讀入葉片造型后的三維型面數(shù)據(jù)、設(shè)定加工型面，切削參量和刀具數(shù)據(jù)，進(jìn)行刀位軌跡計(jì)算。

　　（4）刀位軌跡仿真和刀具干涉檢查根據(jù)刀位軌跡在計(jì)算機(jī)上對(duì)圖形進(jìn)行模擬加工，并檢查刀具干涉情況，保證真機(jī)加工時(shí)安全運(yùn)行。

　　（5）后置處理對(duì)刀位軌跡進(jìn)行后置處理，生成特定機(jī)床的NC 代碼加工程序。

　　2.3 加工工藝過程

　　（1）加工設(shè)備購(gòu)進(jìn)德國(guó)的數(shù)控龍門銑床主機(jī)功率100kW，工作臺(tái)尺寸4.5 > 13m，配置了目前世界功率最大的數(shù)控萬(wàn)能銑頭，數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS 84OC，該機(jī)床具有X、Y、Z、W、U 五坐標(biāo)數(shù)控和A、C 二旋轉(zhuǎn)軸數(shù)控銑頭，形成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工葉片的設(shè)備條件。

　　（2）毛坯質(zhì)量的控制

　　葉片為鑄造結(jié)構(gòu)，材料為馬氏體不銹鋼。將葉片進(jìn)行粗磨，去除夾砂，避免損害刀具。再進(jìn)行UT、MT 探傷，檢查缺陷狀況。由于葉片鑄造質(zhì)量不好及余量不均，要求對(duì)葉片正、背面加工余量、周邊余量控制，減少數(shù)控加工的工時(shí)。用經(jīng)緯儀測(cè)量葉片正、背面加工余量，在葉片的正、背面標(biāo)志測(cè)量及加工找正用的3 個(gè)定位基準(zhǔn)點(diǎn)并附其坐標(biāo)值。并將測(cè)量數(shù)據(jù)用磁盤的形式傳給下序。

　　（3）葉片裝夾

　　葉片外形的不規(guī)則，尤其混流式葉片是沒有任何基準(zhǔn)的自由曲面，裝夾方式的研究是實(shí)施編程、加工首先要解決的問題。德國(guó)VOIT 公司對(duì)軸流式葉片采用軸外徑和法蘭定位、立式裝夾方式，混流式葉片采用可調(diào)轉(zhuǎn)向頭千斤頂定位、真空吸盤夾緊方式。真空吸盤夾緊需對(duì)吸附部位磨光預(yù)處理，其系統(tǒng)部件占據(jù)面積大。我們研究提出采用正、背面胎具定位、焊塊搭焊和螺釘把合的夾緊方式，具有經(jīng)濟(jì)、高效、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，據(jù)悉挪威GE 公司等也采用此方式。裝夾定位方式對(duì)確定工件參考點(diǎn)、實(shí)施找正，對(duì)解決葉片正、背型面的錯(cuò)位這一技術(shù)難點(diǎn)效果良好。

　　（4）葉片的找正、測(cè)量

　　用數(shù)控機(jī)床銑軸測(cè)量裝在胎具上的葉片3 個(gè)定位基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，并在胎具上設(shè)定參照點(diǎn)進(jìn)行找正。采用RENIS AW測(cè)量系統(tǒng)，開發(fā)應(yīng)用于3 維曲面的葉片測(cè)量，對(duì)加工后的葉型提供了先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。

　　（5）工件的編程

　　應(yīng)用前述編程技術(shù)，編制加工葉片正、背面，進(jìn)、出水邊，上冠、下環(huán)焊接坡口的程序。

　　（6）葉片的加工

　　葉片加工部位為正、背型面、進(jìn)出水邊和上下焊接坡口。使用的刀具為粗、精面銑刀、螺旋立銑刀、球頭銑刀等。

　　銑削方式采用順銑、加冷卻液的銑削加工。進(jìn)給方向選擇沿葉片造型的參數(shù)線進(jìn)給，對(duì)刀具直徑和干涉的要求等銑削性能有利。

　　銑削寬度的確定與表面加工質(zhì)量和加工效率互為影響，由于銑刀在法矢方向傾斜加工，加工后工件表面呈微凹弧形，每刀銑削寬度愈大，銑削殘留的波峰、波谷的絕對(duì)值愈大，下序拋光工作量愈大。因此需合理確定每條程序段運(yùn)行排刀的寬度。

2.4 高效數(shù)控刀具的開發(fā)應(yīng)用

　　應(yīng)用數(shù)控加工葉片技術(shù)其加工成本昂貴，以加工一臺(tái)三峽水輪機(jī)葉片統(tǒng)計(jì)，加工1 片需10 天，整臺(tái)份加工周期5 個(gè)月以上，數(shù)控龍門銑床價(jià)格約4千萬(wàn)元，工時(shí)費(fèi)每小時(shí)上千元，加工費(fèi)4 百多萬(wàn)元，提高加工效率、降低加工成本其意義特別重要，研究、開發(fā)、應(yīng)用高效數(shù)控刀具和加工方法，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　（1）開發(fā)國(guó)產(chǎn)面銑刀、螺旋立銑刀

　　葉片曲面部位加工需要面銑刀，進(jìn)出、水邊和焊接坡口需用螺旋立銑刀。采用國(guó)外刀具價(jià)格昂貴，為適于不銹鋼材料葉片加工，我們與哈爾濱理工大學(xué)、綿工工具廠合作開發(fā)研制了采用平裝刀片結(jié)構(gòu)、上壓式夾緊方式、主偏角為75 和雙正前角的面銑刀；與太原王牌工具廠合作開發(fā)研制了可換頭4 刃切削，周刃配置方刀片、可轉(zhuǎn)位4 次的螺旋立銑刀；與哈爾濱工量數(shù)控刀具廠進(jìn)行了數(shù)控刀具系統(tǒng)的開發(fā)研制。

　　（2）試驗(yàn)優(yōu)選銑刀片

　　解決不銹鋼的難加工問題，關(guān)鍵是刀片的性能，國(guó)產(chǎn)刀片與國(guó)外有相當(dāng)大的差距。國(guó)外刀片耐用度可達(dá)國(guó)產(chǎn)刀片的5 ~ 10 倍以上。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)株洲、自貢、上硬、陜硬等硬質(zhì)合金制造廠家的9 種牌號(hào)刀片，對(duì)國(guó)外瑞典山特維克、德國(guó)瓦爾特、美國(guó)肯納、以色列依斯卡、日立、三菱等公司的10 種牌號(hào)刀片進(jìn)行大量試驗(yàn)，優(yōu)選了性價(jià)比優(yōu)良的刀片。另外與哈爾濱理工大學(xué)、綿工工具廠合作，研制開發(fā)了雙層刃階梯結(jié)構(gòu)新型面銑刀，解決由于葉型加工余量不一，粗銑空行程現(xiàn)象。還進(jìn)行了銑削參量和銑削方式的優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)葉片高效、低耗刀具的銑削。

3 結(jié)語(yǔ)

　　三峽、天生橋等水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工成功，標(biāo)志我廠、我國(guó)大型水輪機(jī)制造已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。葉片工藝技術(shù)的創(chuàng)新，對(duì)提高質(zhì)量、提高加工效率、降低工具費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。葉片的數(shù)控加工使轉(zhuǎn)輪出力效率每提高1 個(gè)百分點(diǎn)，都對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)三峽機(jī)組制造質(zhì)量和進(jìn)入WTO 后我國(guó)發(fā)電設(shè)備制造業(yè)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)有重要意義。