水輪機轉輪葉片數(shù)控加工工藝的關鍵環(huán)節(jié)
2013-5-12 來源： 作者：
水輪機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。由于葉片型面的數(shù)控加工對水輪機制造質量的優(yōu)越性，已成為對機組訂貨的關鍵技術要求。數(shù)控加工的水輪機葉片，能夠有效地保證葉片型面的加工精度及光順性，從而提高水輪機的穩(wěn)定性、效率及空化性。采用數(shù)控加工或模壓結合數(shù)控加工的方法是目前國際上解決水輪機葉片加工制造最有效、最先進的方法，它是水輪機制造業(yè)的發(fā)展方向。
1、葉片的測量
1.1測量的目的
對葉片型面進行準確測量，是水輪機葉片數(shù)控加工中必不可少的重要環(huán)節(jié)。在加工前，必須了解葉片毛坯加工余量的分布情況，以便確定最合理的編程加工位置。所以，在加工前對葉片型面進行測量的目的主要有兩個。一是將對葉片毛坯測量的數(shù)據送到計算機中，和葉片的理論造型進行比較、調整，把理論造型和毛坯型面調整到一個加工余量分布最合理的相對位置。二是在測量后的毛坯上，標定三個找正點，以便在葉片上機床裝卡找正時，以這三點為基準，進行三點找正，把編程用的葉片理論造型調整到和毛坯實際加工位置完全符合于測量時調好的最合理的相對位置上進行編程加工。在加工過程中，也須用機床所配備的測量系統(tǒng)，對葉片加工的中間結果進行測量，以檢查加工的效果及所剩余量，是否和編程時預期的效果一致。同時，也可檢查加工中葉片的變形情況及葉片是否發(fā)生意外的移動，以便及時進行調整。在加工完成后，也必須用相應的測量裝置對葉片的加工結果進行測量檢查，以便獲取加工的最終結果數(shù)據，確定其是否符合設計要求，并為下序轉輪的裝焊提供實際的數(shù)據依據。
1.2測量的原理及方法
水輪機葉片的主要工作面是復雜的三維雕塑曲面，對這種曲面測量的主要目的是要獲取曲面上測點的實際位置到理論曲面的法向距離。要完成這種測量，一般的測量儀器是無法承擔的。目前，國內外通常采用兩種方法進行，一種是直接測量法，另一種是間接測量法。
2、機床選擇
國內外比較先進的水輪機葉片數(shù)控加工的機床多為五軸聯(lián)動數(shù)控銑床。比如德國的數(shù)控龍門銑床主機功率LOOKW，工作臺尺寸4.5X13M，配置了目前世界功率最大的數(shù)控萬能銑頭，數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS840C，該機床具有X、Y、Z、W、U五坐標數(shù)控和A、C二旋轉軸數(shù)控銑頭。
3、葉片的裝卡找正
水輪機葉片是不規(guī)則的，特別是混流式葉片是沒有任何基準的自由曲面，裝卡找正更為困難。建議用數(shù)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。解決好葉片的裝卡找正問題是保證葉片的加工位置和編程位置相吻合的一項重要工作。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(tǒng)部件占據面積大。我們提出采用正、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。
3.1葉片胎卡具的設計原則
鑒于水輪機葉片的形狀特點，葉片胎卡具的設計必須遵循下幾條原則：（1）由于葉片的重量大，所以胎卡具必需有足夠的強度。（2）胎卡具的支承位置必需保證葉片重心擺放穩(wěn)定，葉片曲面的各個被加工部位必須在機床的有效行程之內。（3）必須有足夠的支承點以確保加工時葉片不發(fā)生大的變形。把合位置牢靠。并且在把合時不易引起葉片的變形。把合位置要避免在加工時和刀具及銑頭發(fā)生干涉。（4）采取減振措施盡量減少加工中的振動。（5）裝卡靈活方便。
3.2葉片找正的原理及方法
到目前為止世界上所有加工水輪機葉片的廠家均采用胎具找正的方法。即把葉片放到胎具的固定位置，胎具放到機床的固定位置。這種方法的好處是一套程序加工一臺機組的葉片。但由于混流式水輪機葉片形狀的特殊性，這種方法找正非常困難，必須占用大量的機床時間，同時及易造成葉片翻面加工時的正、背面錯位。而且作為找正基準的胎具造價極高。由于這種找正方法的第一面的找正只是一個粗找正，為保證整個葉片都能被加工到。要求毛坯余量相對大很多，這就造成葉片加工成本太高。我公司也曾經用這種方法進行裝夾找正，結果造成正、背面錯位，從而使加工半途而廢。采用計算機自動三點找正法來解決上述找正問題。
4、加工刀具的選擇
水輪機葉片通常都采用不銹鋼材料制造，加工比較困難，為了保證加工的效率和質量必須選擇適合的刀具進行加工。從刀具的類型上，應選擇硬質合金機卡刀。這種刀具耐磨、抗沖擊性能好。尺寸準確，刀片可以更換，比較適合水輪機葉片的加工。刀具形狀的選擇要根據加工的部位來確定。刀具的尺寸（刀具直徑、刃高、刀桿長度）由被加工曲面的形狀來決定。形狀比較平緩、曲率小的曲面，可采用直徑較大的刀具，以提高加工效率。形狀起伏變化大、曲率較大的曲面。可采用直徑較小的刀具，以避免刀具干涉和過切。總的原則是在不發(fā)生刀具干涉的前提下。盡量采用直徑較大的刀具進行加工。對于加工余量分布很不均勻的葉片可考慮采用側刃較高的刀具，以避免加工中，局部位置發(fā)生吃刀深度超過刃高的現(xiàn)象。對于被加工曲面或其他曲面和數(shù)控銑頭發(fā)生干涉時，可考慮采用較長刀桿的刀具進行加工。刀具尺寸的選擇可在計算機上通過模擬加工進行干涉檢查予以確定。加工葉片的常用刀具有：Ø200MM、Ø160MM、Ø125MM、Ø100MM的端面銑刀，Ø63MM、Ø80MM的棒銑刀，Ø50MM的球頭刀。刀片的形狀可根據刀具的不同及粗銑精銑的要求采用三角形、菱形、方形、圓形等不同形狀的刀片。
5、刀位計算
刀位計算的主要任務是：首先選定加工坐標系，然后用三點找正法對葉片的理論造型進行找正定位。在此基礎上。以提高加工效率、保證加工精度和型面質量為原則，選定刀具、確定走刀方式和刀軸控制方式，設定走刀方向和排刀方向的精度，進行刀位軌跡的計算和刀具干涉檢查，最終生成為后置處理用的刀位軌跡數(shù)據文件
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