1 引言

　　大型水輪機轉輪葉片的數控加工工藝技術是表征水輪機制造達到當今世界先進水平的重要標志之一。轉輪葉片是水輪機關鍵部件，其制造精度對機組的效率等水力性能有直接的影響，型面加工精度高，使水輪機出力效率提高一個百分點，都將帶來長遠和巨大的效益。葉片的數控加工涉及多方面的高新技術，國外也僅有法國阿爾斯通、挪威克瓦納、加拿大GE、德國沃依滋、日本日立公司等對此項制造工藝成熟。由于葉片型面的數控加工對水輪機制造質量的優越性，已成為對機組訂貨的關鍵技術要求。作為世界上最大的水利樞紐工程也是當今國際混流式水輪機單機容量最大的三峽水輪發電機組，我廠與阿爾斯通公司合作制造一期左岸工程14臺中的8臺機組。三峽水輪機關鍵部件轉輪葉片的數控加工技術對提高我國電站設備制造水平、邁入世界先進技術行列意義重大。

　　水輪機有混流式、軸流式、貫流式等幾類，國內水輪機葉片制造長期采用砂型鑄造，經手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測的工藝方法，近年來發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控加工的技術。手工鏟磨的方式，不但勞動環境惡劣、勞動強度大、效率低，而且葉片型面質量差，降低了水輪機的效率。為實現葉片數控加工，我廠1987年從德國沃坦公司引進了五軸數控鏜銑床，并從瑞士FIDIS公司引進了UKLID軟件，1996年購進德國瓦德利希柯寶公司數控龍門銑床和CAMAX軟件的引進，為數控加工葉片提供了技術保證。后繼專項對曲面造型、刀位計算、刀位干涉檢查、葉片測量、自動找正調整和加工程序的編制、工藝裝夾、加工方式和刀具系統配置等都進行了深入的研究，已具備五軸聯動數控加工葉片的生產和技術能力。至今已完成了混流式天生橋、柘林、新豐江和三峽水輪機葉片及軸流式木京等水輪機葉片的加工。

2 關鍵技術和工藝實施

　　1) 葉片數控加工工藝流程

　　葉片數控加工工藝流程見圖1。

2) 五軸聯動數控編程技術

　　a. 葉片型面測量 由于澆鑄毛坯分布的加工余量不一致，采用三維測量機進行毛坯的三維型面測量，選擇高效、便于計算機數據采集處理和基準變換的測量方法，達到余量均布的最佳裝夾位置。　　b. 曲面造型 根據原始數據造出葉片的三維型面，滿足下一步生成數控加工的代碼程序。　　c. 刀位軌跡計算 根據讀入葉片造型后的三維型面數據、設定加工型面，切削參量和刀具數據，進行刀位軌跡計算。d. 刀位軌跡仿真和刀具干涉檢查 根據刀位軌跡在計算機上對圖形進行模擬加工，并檢查刀具干涉情況，保證真機加工時安全運行。　　e. 后置處理 對刀位軌跡進行后置處理，生成特定機床的NC代碼加工程序。

　　3) 加工工藝過程

　　a. 加工設備

　　購進德國的數控龍門銑床主機功率100kW，工作臺尺寸4.513m，配置了目前世界功率最大的數控萬能銑頭，數控系統采用SIEMENS 840C，該機床具有X、Y、Z、W、U五坐標數控和A、C二旋轉軸數控銑頭，形成五軸聯動數控加工葉片的設備條件。

　　b. 毛坯質量的控制

　　葉片為鑄造結構，材料為馬氏體不銹鋼。將葉片進行粗磨，去除夾砂，避免損害刀具。再進行UT、MT探傷，檢查缺陷狀況。由于葉片鑄造質量不好及余量不均，要求對葉片正、背面加工余量、周邊余量控制，減少數控加工的工時。用經緯儀測量葉片正、背面加工余量，在葉片的正、背面標志測量及加工找正用的3個定位基準點并附其坐標值。并將測量數據用磁盤的形式傳給下序。

　　c. 葉片裝夾

　　葉片外形的不規則，尤其混流式葉片是沒有任何基準的自由曲面，裝夾方式的研究是實施編程、加工首先要解決的問題。德國VOITH公司對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轉向頭千斤頂定位、真空吸盤夾緊方式。真空吸盤夾緊需對吸附部位磨光預處理，其系統部件占據面積大。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，具有經濟、高效、操作簡便的特點，據悉挪威GE公司等也采用此方式。裝夾定位方式對確定工件參考點、實施找正，對解決葉片正、背型面的錯位這一技術難點效果良好。

　　d. 葉片的找正、測量

　　用數控機床銑軸測量裝在胎具上的葉片3個定位基準點的坐標值，并在胎具上設定參照點進行找正。采用RENISHAW測量系統，開發應用于3維曲面的葉片測量，對加工后的葉型提供了先進的檢測技術。

　　e. 工件的編程

　　應用前述編程技術，編制加工葉片正、背面，進、出水邊，上冠、下環焊接坡口的程序。

　　f. 葉片的加工

　　葉片加工部位為正、背型面、進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。進給方向選擇沿葉片造型的參數線進給，對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行排刀的寬度。

圖2 在五軸數控龍門銑床加工葉片

　　4) 高效數控刀具的開發應用

　　應用數控加工葉片技術其加工成本昂貴，以加工一臺三峽水輪機葉片統計，加工1片需10天，整臺份加工周期5個月以上，數控龍門銑床價格約4千萬元，工時費每小時上千元，加工費4百多萬元，提高加工效率、降低加工成本其意義特別重要，研究、開發、應用高效數控刀具和加工方法，是需要解決的關鍵技術之一。

　　開發國產面銑刀、螺旋立銑刀

　　葉片曲面部位加工需要面銑刀，進出、水邊和焊接坡口需用螺旋立銑刀。采用國外刀具價格昂貴，為適于不銹鋼材料葉片加工，我們與哈爾濱理工大學、綿工工具廠合作開發研制了采用平裝刀片結構、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研制了可換頭4刃切削，周刃配置方刀片、可轉位4次的螺旋立銑刀；與哈爾濱工量數控刀具廠進行了數控刀具系統的開發研制。

　　試驗優選銑刀片

　　解決不銹鋼的難加工問題，關鍵是刀片的性能，國產刀片與國外有相當大的差距。國外刀片耐用度可達國產刀片的5～10倍以上。經對國內株洲、自貢、上硬、陜硬等硬質合金制造廠家的9種牌號刀片，對國外瑞典山特維克、德國瓦爾特、美國肯納、以色列依斯卡、日立、三菱等公司的10種牌號刀片進行大量試驗，優選了性價比優良的刀片。

　　另外與哈爾濱理工大學、綿工工具廠合作，研制開發了雙層刃階梯結構新型面銑刀，解決由于葉型加工余量不一，粗銑空行程現象。還進行了銑削參量和銑削方式的優選，實現葉片高效、低耗刀具的銑削。

3 結語

　　三峽、天生橋等水輪機葉片五軸聯動數控加工成功，標志我國大型水輪機制造已達到國際先進水平。葉片工藝技術的創新，對提高質量、提高加工效率、降低工具費用，經濟效益顯著。葉片的數控加工使轉輪出力效率每提高! 個百分點，都對機組長期運行產生巨大的經濟效益，對三峽機組制造質量和進入WTO后我國發電設備制造業進入國際市場有重要意義。