一、引言

　　水輪機(jī)是水力發(fā)電的原動(dòng)機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的制造轉(zhuǎn)輪的優(yōu)劣對(duì)水電站機(jī)組的安全、可靠性、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行有著巨大的影響。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是非常復(fù)雜的雕塑面體。在大中型機(jī)組制造工藝上，長(zhǎng)期以來采用的“砂型鑄造→砂輪鏟磨→立體樣板檢測(cè)”的制造工藝，不能有效地保證葉片型面的準(zhǔn)確性和制造質(zhì)量。目前采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是當(dāng)今機(jī)械加工中的尖端高技術(shù)。大型復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工編程則是實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化制造的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，其數(shù)控編程技術(shù)是一個(gè)數(shù)字化仿真評(píng)價(jià)及優(yōu)化過程。其關(guān)鍵技術(shù)包括：復(fù)雜形狀零件的三維造型及定位，五軸聯(lián)動(dòng)刀位軌跡規(guī)劃和計(jì)算，加工雕塑曲面體的刀軸控制技術(shù)，切削仿真及干涉檢驗(yàn)，以及后處理技術(shù)等。大型復(fù)雜曲面的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)使雕塑曲面體轉(zhuǎn)輪葉片的多軸數(shù)控加工成為可能,這將大大推動(dòng)我國水輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，為我國水電設(shè)備制造業(yè)向著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

二、大型混流式水輪機(jī)葉片的多軸數(shù)控加工編程過程

　　大型復(fù)雜曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程比普通零件編程要復(fù)雜得多，針對(duì)混流式葉片體積大并且型面曲率變化大的特點(diǎn)，通過分析加工要求進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，確定加工方案，選擇合適的機(jī)床、刀具、夾具，確定合理的走刀路線及切削用量等；建立葉片的幾何模型、計(jì)算加工過程中的刀具相對(duì)于葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行葉片的切削仿真以及機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真，反復(fù)修改加工參數(shù)、刀具參數(shù)和刀軸控制方案，直到仿真結(jié)果確無干涉碰撞發(fā)生，則按照機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可接受的程序格式進(jìn)行后處理，生成葉片加工程序。其具體編程過程如圖1所示。

圖1 大型混流式葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程流程

　　1. 混流式水輪機(jī)葉片的三維幾何建模

　　混流式葉片這一復(fù)雜雕塑曲面體由正面、背面、與上冠相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、與下環(huán)相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、進(jìn)水邊曲面、出水邊曲面、進(jìn)水邊頭部曲面等構(gòu)成。由于葉片沿流面描述的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)量太大，可編寫一個(gè)Grip程序讀入這些三維坐標(biāo)點(diǎn)，然后采用雙三次多補(bǔ)片曲面片通過自由形式特征的通過曲線的方法進(jìn)行曲面造型，如圖2所示。葉片的毛坯形狀可從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行偏置計(jì)算處理，或者從三維測(cè)量得到的點(diǎn)云集方式確定對(duì)葉片的各個(gè)曲面分別進(jìn)行NURBS曲面造型，并縫合成實(shí)體。

圖2 混流式葉片三維造型

　　2. 葉片加工工藝規(guī)劃

　　加工方案和加工參數(shù)的選擇決定著數(shù)控加工的效率和質(zhì)量。水輪機(jī)葉片是非常復(fù)雜的雕塑曲面體，我們根據(jù)要加工葉片的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)可選擇大型龍門移動(dòng)式五坐標(biāo)數(shù)控銑鏜床，根據(jù)三點(diǎn)定位原理經(jīng)大量的研究分析，決定在加工背面是采用通用的帶球形的可調(diào)支撐，配以葉片焊接的定位銷對(duì)葉片定位，在葉片上焊接必要的工藝塊，采用一些通用的拉緊裝置來裝夾。加工正面時(shí)，采用在加工背面時(shí)配合銑出的和背面型面完全一致的胎具，將葉片背面放入胎具，利用焊接的工藝塊進(jìn)行調(diào)整找正，仍然采用通用的拉壓裝置進(jìn)行裝夾。由于葉片有多張曲面組合而成,為了解決加工過程中的碰撞問題，我們可采用沿流線走刀，對(duì)于葉片的正背面進(jìn)行分區(qū)域加工，根據(jù)曲面各處曲率的不同采用不同直徑的刀具、不同的刀軸控制方式來加工。對(duì)每個(gè)面一般分多次粗銑和一次精銑。在機(jī)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。葉片正背面我們選用刀具直徑φ150曲面面銑刀粗銑、φ120曲面面銑刀精銑，葉片頭部曲面采用φ80的曲面面銑刀加工，出水邊采用φ80螺旋玉米立銑刀五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑。根據(jù)后續(xù)仿真情況反復(fù)做刀位編輯，以尋求合理的加工方案。在滿足加工要求、機(jī)床正常運(yùn)行和一定的刀具壽命的前提下盡可能的提高加工效率。

　　3. 葉片五軸聯(lián)動(dòng)加工刀位軌跡的生成

　　針對(duì)大型混流式葉片各曲面的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的刀位軌跡規(guī)劃和計(jì)算，是使所生成的刀位軌跡無干涉、無碰撞、穩(wěn)定性好、編程效率高的關(guān)鍵。由于五軸加工的刀具位置和刀具軸線方向是變化的，因此五軸加工的是由工件坐標(biāo)系中的刀位點(diǎn)位置矢量和刀具軸線方向矢量組成,刀軸可通過前傾角和傾斜角來控制，于是我們可根據(jù)曲面在切削點(diǎn)處的局部坐標(biāo)計(jì)算出刀位矢量和刀軸矢量。從加工效率、表面質(zhì)量和切削工藝性能來看，選擇沿葉片造型的參數(shù)線作為銑削加工的方向分多次粗銑和一次精銑，然后劃分加工區(qū)域，定義與機(jī)床有關(guān)的參數(shù)，根據(jù)以上所選葉片的加工部位、裝夾定位方式、機(jī)床、刀具及切削參數(shù)和余量分布情況將葉片分為多個(gè)組合面分別進(jìn)行加工。通過對(duì)曲面曲率的分布情況的分析對(duì)于不同的區(qū)域采用不同的面銑刀。粗加工給出每次加工的余量，精加工采用同一直徑的銑刀，根據(jù)粗糙度要求給定殘余高度，根據(jù)具體情況選擇切削類型、切削參數(shù)、刀軸方向、進(jìn)退刀方式等參數(shù)，生成的刀位軌跡如圖3所示。但是對(duì)于像葉片這樣的曲率變化很大而又不均勻的雕塑曲面零件我們還要根據(jù)情況作大量的刀位編輯，并且必須進(jìn)一步通過切削仿真做干涉和碰撞檢查修改和編輯刀軌。

圖3 混流式葉片的刀軌生成

　　4.葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真

　　數(shù)控加工仿真通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑與材料切除過程來檢驗(yàn)并優(yōu)化加工程序，在計(jì)算機(jī)上仿真驗(yàn)證多軸聯(lián)動(dòng)加工的刀具軌跡，輔助進(jìn)行加工刀具干涉檢查和機(jī)床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工過程，可大大地降低制造成本，并縮短研制周期，避免加工設(shè)備與葉片和夾具等的碰撞，保證加工過程的安全。加工零件的NC代碼在投入實(shí)際的加工之前通常需要進(jìn)行試切，水輪機(jī)葉片是非常復(fù)雜的雕塑曲面體，開發(fā)利用數(shù)控加工仿真技術(shù)是其成功采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的關(guān)鍵。在此，我們首先進(jìn)行工藝系統(tǒng)分析，明確機(jī)床CNC系統(tǒng)型號(hào)、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動(dòng)原理和機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)，用三維CAD軟件建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件和固定部件的實(shí)體幾何模型，并轉(zhuǎn)換成仿真軟件可用的格式，然后建立刀具庫，在仿真軟件中新建用戶文件，設(shè)置所用CNC系統(tǒng)，并建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，即部件樹，添加各部件的幾何模型，并準(zhǔn)確定位，最后設(shè)置機(jī)床參數(shù)。 接下來將葉片模型變換到加工位置計(jì)算出刀具軌跡，再以此軌跡進(jìn)行葉片切削過程、刀位軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)仿真。這樣就可以清楚的監(jiān)控到葉片加工過程中的過切與欠切、刀桿和聯(lián)接系統(tǒng)與葉片、機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件與葉片和夾具間的干涉碰撞，從而保證了數(shù)控編程的質(zhì)量，減少了試切的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了編程的一次成功率，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工周期，大大提高生產(chǎn)效率，如在數(shù)控加工行業(yè)進(jìn)行推廣，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。葉片的切削仿真如圖4所示，葉片的機(jī)床加工仿真如圖5所示。

圖4 混流式葉片的切削仿真

圖5混流式葉片的機(jī)床加工仿真

　　5.葉片刀位軌跡的后置處理

　　后置處理使數(shù)控編程的一個(gè)重要內(nèi)容，它將我們前面生成的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合具體機(jī)床的數(shù)據(jù)。后處理最基本的兩個(gè)要素就是刀軌數(shù)據(jù)和后處理器。我們應(yīng)首先了解龍門移動(dòng)式五坐標(biāo)數(shù)控銑鏜床的結(jié)構(gòu)、機(jī)床配備的附屬設(shè)備、機(jī)床具備的功能及功能實(shí)現(xiàn)的方式和機(jī)床配備的數(shù)控系統(tǒng)，熟悉該系統(tǒng)的NC編程包括功能代碼的組成、含義。然后應(yīng)用通用后置處理器導(dǎo)向模板，根據(jù)以上掌握的知識(shí)，開發(fā)定制專用后置處理器。然后將我們已得刀位源文件進(jìn)行輸入轉(zhuǎn)換成可控制機(jī)床加工的NC代碼。

三、結(jié)束語

　　復(fù)雜曲面的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程是一涉及到眾多領(lǐng)域知識(shí)的復(fù)雜流程，是數(shù)字化仿真及優(yōu)化的過程。本文介紹的大型水輪機(jī)葉片的多軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù)，已用于工程實(shí)際大型葉片的數(shù)控編程中，實(shí)現(xiàn)了大型轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀位軌跡計(jì)算和加工仿真，保證了后續(xù)數(shù)控加工的質(zhì)量和效率，已作為大型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的編程工具用于實(shí)際生產(chǎn)中。